탄소소재는 높은 전기전도도, 용이한 계면제어, 우수한 물리적특성, 다양한 나노구조, 물리화학적 안정성 등으로 인해 에너지 저장소재, 환경소재로 활용되고 있다. 각 분야활용에 있어 소재성능 극대화를 위해 물리화학적 이해를 기반으로 하는 소재설계가 요구되고 있다. 본 연구논문에서는 탄소소재 계면에서의 기체-고체, 액체-고체, 고체-고체간 거동의 이해를 통한 다양한 분야에서의 적용연구를 진행하였다. 보다 자세하게는 기체-고체 계면에서의 흡착현상에 대한 이해를 통해 다공성 탄소소재를 활용한 기체저장에 대해 적용하고자 하였으며, 액체-고체 계면에서의 젖음에 대한 이해를 통한 전기화학적 에너지저장 활용, 고체-고체 계면에서의 접착에 대한 이해를 통해 복합소재에 대한 활용에 적용하고자 하였다. 이를 통해, 탄소소재의 계면현상에 대한 이해를 바탕으로 각 활용분야에서의 소재를 설계하고 결과해석을 통해 성능을 극대화할 수 있는 방안을 연구하고자 하였다.
첫번째로는 기체-고체 계면에서의 활용연구를 위해 카본블랙의 분쇄를 통한 다공성 그래핀을 활용한 수소흡착저장 소재활용을 연구하였다. 제시한 다공성 그래핀 합성공정은 파쇄 및 활성화법을 이용하여 기존의 습식 그래핀 제조공성 대비 단순하며, 공정시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라 우수한 다공성 특성을 나타내었으며, 특히 미국에너지성 제시 수소저장량 목표에 근접하는 성능을 나타내었다. 또한, 바이오매스를 전구체로하는 다양한 화학적 활성화제를 사용한 고다공성 활성탄소를 제조하여 상온 고압메탄 흡착저장활용을 분석하였으며, 메탄흡착량을 극대화하기 위한 다공성소재의 설계에 대해 연구하였다. 특히, 메탄기체분자의 대칭성으로 인한 흡착제-흡착질의 전자인력유도 어려움이 있어 기체흡착량 극대화를 위해 기공구조제어에 의존해야 함을 도출하였다. 나아가, 흡착압력조건에 따라 흡착제-흡착질의 최적기공구조가 다름을 계산하였으며, 각 흡착조건별 기공크기에 따른 기여도를 계산하여 최적 기공크기를 도출하였다. 이를 통해, 기체흡착저장 소재의 설계에 있어 기공크기의 제어가 핵심요인임을 밝혔으며 흡착조건별 기공크기별 기여도를 변수로 하는 최적기공크기가 도출가능한 흡착모델을 제안하였다.
두번째로는 계면에서의 액체-고체 계면거동 연구를 위해 카본에어로겔 슈퍼커패시터를 연구하였다. 레소시놀과 포름알데히드를 전구체로 하여 상향식방법으로 기공크기가 균일하여 중형기공이 발달한 카본에어로겔을 합성한 뒤 물리적 활성화를 진행하였으며, 소재표면에 이종원자가 도입되지 않아 전기이중층 커패시터 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한, 활성화간 도입된 산소관능기를 통해 전해질의 젖음성이 향상되며, 비표면적 증가에 따라 정전용량이 증가함을 확인하였다. 특히, 중형기공을 통한 전해질 이온의 빠른확산으로 내부저항 감소와 전류밀도 증가에 따른 정전용량 변화를 통해 슈퍼커패시터의 소재설계에 있어 전해질과 소재표면의 화학적 상호작용의 제어와 다공성구조의 제어가 핵심요인임을 확인하였다.
세번째로는 고체-고체 계면거동 이해를 통한 활용연구를 위해 이산화티타늄/흑연질화탄소 3D 나노복합체의 구조최적화를 통한 광촉매를 연구하였다. 상향식 방법으로 제조한 질소도핑된 이산화티타늄 나노튜브를 2D 흑연질화탄소 시트의 층간분리물질로 사용하여 3D 나노복합체를 제조하였으며, 촉매활성을 높이기 위해 재적층을 억제하여 비표면적 및 반응물의 접촉면을 넓히고 메조기공크기의 나노튜브의 내부공극을 통해 물질전달능력을 향상시켰다. 메조기공구조는 생성물의 빠른제거가 가능하게 하여 촉매재생성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 탄소나노튜브/환원된 산화그래핀/폴리에스테르 패브릭/에폭시 복합체 제조에 있어 고체소재간 계면결합력이 극대화된 유연 전자파차폐 소재를 합성하였다. 제조된 소재는 고분자 복합소재의 계면결합특성을 극대화하여 물리적특성이 우수하여 1000 회 굽힘실험에서도 전도성을 유지하였으며, 필러-매트릭스 계면불일치 및 3D 계층적구조를 통해 전파흡수가 우세한 전자파차폐 기작을 나타내었다.