재료 연구 분야에서 0부터 3차원까지 다양한 차원의 탄소 나노 물질 동소체 개발은 상당한 관심을 끌고 있다. 그 중 다양한 차원으로 파생된 구조적 특징을 갖는 탄소 나노 물질은 우수한 물리-화학적 특성으로부터 전자기 및 전기화학 응용 분야에서 핵심 재료로 큰 잠재력을 보인다.
전자파 흡수 분야에서 탄소 재료는 높은 전기 전도성과 가벼운 무게 등 유리한 특성으로 인해 전자파 차폐 재료로 상당한 주목을 받고 있다. 그러나 탄소 재료는 임피던스 정합이 좋지 않아 흡수 성능 없이 반사 성능만을 이용할 수 있다. 따라서 전자파 파장 흡수 성능이 불충분하여 실제 구현을 위한 높은 표준을 만족하지 못하는 한계가 있다.
한편, 지속 가능한 에너지원에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 리튬-황 배터리는 높은 에너지 밀도와 낮은 황 비용으로부터 고급 전기화학 에너지 저장 시스템으로의 유망한 후보이다. 복잡한 메커니즘으로 인해 발생하는 중요한 문제를 해결하기 위해 전기화학 장벽으로써 기능성 분리막은 활성 물질의 통과를 방지하고 느린 전기화학 반응을 촉진하는 중요한 역할을 하는 중요한 개념이다. 탄소 기반 기능 분리기의 상당한 진전에도 불구하고 더욱 고성능의 분리기를 위해서는 화학적 고정 및 촉매 효과가 요구된다. 종합해보면 기존 탄소 나노 구조의 한계를 극복하기 위해 원하는 기능을 가진 새로운 종류의 탄소 나노 구조를 탐구하는 것은 두 연구 분야에서 모두 큰 관심사이다.
본 연구에서 우리는 전자기 및 전기화학 장벽에 대한 바람직한 기능을 가진 상호 연결된 흑연 나노 큐브를 제조하여 새로운 종류의 탄소 나노 구조를 설계하였다. 멜라민과 니켈 이온 사이의 배위 화합물은 상전이와 탄화를 통해 전례없는 흑연 나노 구조로 재구성됨을 발견하였다. 속이 빈 나노 큐브 구조는 전자파의 내부 반사를 유도하고 리튬-황 배터리의 활성 물질을 가둘 수 있는 중간공 및 거대공을 제공한다. 나노 큐브에 부분적으로 존재하는 니켈 나노 입자는 각각 전자기 및 전기화학 장벽에 대한 자기 흡수제 및 전기 촉매 역할을 한다. 고결정성 흑연층에 도핑된 질소 원자는 전기 전도도를 향상시켜 전자기파의 전도 손실을 유도할 뿐만 아니라 활성 물질과의 화학적 상호 작용을 향상시킨다. 다양한 특성화 및 평가를 진행하여 합성된 재료가 전자기 및 전자파 장벽으로써 뛰어난 성능을 보이는 것을 확인하였다.