3D 그래피틱 탄소 질화물 나노와이어 골격이 유연 고체 슈퍼커패시터의 유연성과 정전용량을 향상

초록

그래피틱 탄소 질화물(g-C₃N₄) 나노와이어 골격과 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 결합한 3차원 복합 전극으로 유연 고체 슈퍼커패시터 제작. 나노와이어 네트워크의 높은 표면적 활용해 순수 PEDOT:PSS 대비 우수한 202 F g⁻¹ 비정전용량 달성. 5,000회 충방전 사이클 후 초기 용량 83.5% 유지로 뛰어난 순환 안정성과 기계적 유연성 동시 확보.

배경

웨어러블 에너지 저장, 특히 유연 슈퍼커패시터는 높은 전력 밀도와 견고한 순환 성능으로 큰 관심. 현재 전극 소재: 탄소 기반 고표면적 소재(활성탄, 그래핀, 탄소 섬유), 전이 금속 산화물(MOs), 전도성 고분자(CPs). 탄소 전극은 전기화학 이중층 용량(EDLC), MOs와 CPs는 패러데이 슈도커패시턴스. MOs 높은 이론 용량이나 전도도 낮음, 독성, 불안정, 고가. CPs 이들 문제 극복하나 상대적 기계적/순환 내구성 낮고 비표면적 제한으로 유연 소자 적용 걸림.

트레이드오프 해소 위해 3D EDLC 소재와 MO/CP 슈도커패시턴스 파트너 결합 복합 전략 유망. 탄소 후보 중 그래피틱 탄소 질화물(g-C₃N₄, 2D 그래핀 유사체)이 우수한 전자적 특성, 저비용, 환경 친화성으로 주목. g-C₃N₄는 광촉매 연구 활발하나 에너지 저장 분야, 특히 3D 형태서 미탐구. PEDOT:PSS 널리 쓰이는 전도성 고분자로 높은 전도도와 기계적 탄성이나 제한적 표면적 정전용량 제한. 3D 스캐폴드로 활성 영역 확대 논리적 접근.

본 연구: 3D g-C₃N₄ 나노와이어(GCNW) 프레임워크 합성해 PEDOT:PSS 구조적 백본으로 활용. 복합체 3전극계 202 F g⁻¹, 대칭 전고체 소자 78 F g⁻¹ 비정전용량, 200 W kg⁻¹에서 6.66 Wh kg⁻¹ 에너지 밀도 달성. g-C₃N₄ 비율 변화에 따른 형태 및 전기화학 성능 영향 검토.

실험 방법

재료

수산화나트륨(NaOH), 요소(북경 화학). PEDOT:PSS(1.0 wt% 수용액, 고전도도 등급, Sigma-Aldrich). 무정제 사용.

g-C₃N₄ 합성

요소 10 g, 550°C(10°C/min) 2시간 머플로 소성해 황색 g-C₃N₄ 분말 획득.

3D GCNW 제작

g-C₃N₄ 분말 500 mg, 3 M NaOH 20 ml 분산, 60°C 12시간 교반, 2시간 초음파. 과량 NaOH 투석 제거, 나노와이어 하이드로겔 동결건조로 자립형 에어로겔 제조.

3D GCNW/PEDOT:PSS 복합체 제조

GCNW:PEDOT:PSS 질량비 10%, 20%, 50%, 80%(GCNW 6 mg/ml) 4종 조합. 12시간 교반 후 동결건조. 순수 PEDOT:PSS 박막은 여과법으로 제조 비교용.

특성 분석

FESEM(JEOL 7610), TEM(Tecnai F20), XRD(D-MAX II A), FTIR(Nicolet-6700), XPS(ESCALAB MK II)로 형태, 구조, 화학 조성 분석.

전기화학 측정

CHI 660E 워크스테이션. 3전극계: 백금박 대극, 포화 칼로멜 전극(SCE) 기준극. 작업극: 복합체 카본 클로스 프레스(1 mg cm⁻² 로딩). 전해질 1 M H₂SO₄. CV, GCD 0~1 V. EIS 1~10⁵ Hz, 5 mV 섭동.

대칭 소자: 양극 카본 클로스 각 2 mg 활물질 증착, PVA/H₂SO₄ 하이드로겔 함침 부직포로 분리, 샌드위치 구조. 2전극 셀 전기화학 테스트.

단일 전극 비정전용량(C_m) CV 데이터로부터: C_m = (1/(Uν)) ∫ i(U) dU (U 전압 윈도우, ν 스캔 속도). 에너지(E), 파워(P) 밀도: E = ½CU², P = E/Δt.

결과 및 고찰

제작 워크플로 및 소자 구조 그림 1. g-C₃N₄ 나노와이어 함량이 3D 프레임워크 결정: 최소 20% GCNW 필요, PEDOT:PSS 90% 이상 시 구조 붕괴. NaOH 농도도 미세 구조 결정: 3 M 미만 층간 절단 불충분, 8 M 초과 나노와이어 과절단 에어로겔 붕괴. 3 M NaOH 최적.

SEM(그림 2a-c): 층상 g-C₃N₄→나노와이어 전환, 20% 복합체서 3D 네트워크 유지. TEM(그림 2d-f): 나노와이어 폭 ~10 nm, 길이 수백 nm 확인. BET 비표면적: GCNW 82.67, 20% 복합체 69.86 m²/g, 순수 PEDOT:PSS 무시 가능.

XRD(그림 3a): g-C₃N₄ 날카로운 (100), (200) 피크 13.84°, 27.81°. PEDOT:PSS 15°~30° 브로드 피크로 비정질성. FTIR(그림 3b): g-C₃N₄ 트리아진 고리(804 cm⁻¹), C-N 헤테로사이클(1299~1605 cm⁻¹), PEDOT:PSS 시그니처 확인. XPS(그림 3c-f): C, N, O, S, 잔류 Na 검출, 화학적 결합 없는 물리적 혼합 확인.

전기화학 평가(그림 4): 20% 복합체 최대 CV 면적, 최장 GCD 시간으로 최고 정전용량 확인. 5 mV/s서 202 F g⁻¹, 순수 PEDOT:PSS 대비 46.9% 향상. 5,000 사이클 후 83.5% 용량 유지(그림 5c). 3D 스캐폴드 활성 사이트 증가, 이온 확산 경로 단축 기인.

대칭 슈퍼커패시터(20% 복합체, 카본 클로스): 0~1 V 직사각형 CV(그림 5a), ESR 5.41 Ω(그림 5b). 1 A g⁻¹ 5,000 사이클 후 83.5% 유지(그림 5c). 기계적 유연성: 90° 굽힘 2,000회 후 용량 유지율 80% 이상(추가 파일 1: Figure S11). 에너지 밀도 200 W kg⁻¹서 6.66 Wh kg⁻¹(그림 5d).

결론

최초로 3D g-C₃N₄ 나노와이어/PEDOT:PSS 복합체 제작해 유연 슈퍼커패시터 전극 적용. 20% 복합체 3전극 202 F g⁻¹, 대칭 전고체 78 F g⁻¹, 6.66 Wh kg⁻¹ 에너지 밀도 기록. 3D 구조가 전기화학 성능 향상과 기계적 탄성 유지 핵심. 저비용 합성과 우수 성능으로 차세대 유연 에너지 저장 솔루션 및 상용화 응용 기대.