그래핀의 이론적 표면적 계산하기 (Calculation specific surface area of single graphene)

그림1. 그래핀 (DOI: 10.22063/JIPST.2019.1647)

그래핀은 그림1에서 볼 수 있는 것처럼, 그래파이트 (흑연) 을 구성하는 하나의 레이어 (Single Layer)를 칭합니다. 그래핀은 탄소(Carbon)로 이루어진 구조이며 Carbon-Carbon 은 공유결합으로 연결돼있고, 위 그림처럼 Hexagon 형태를 갖고 있습니다.

 

그래핀은 여러 독특한 특성들을 가지고 있으며 그중에 하나가 넓은 비표면적을 가지고 있는 것 입니다. 그래핀의 이론적 비표면적은 2630 m2/g 으로 알려져 있습니다.

 

이번 글에서는 그래핀의 이론적 비표면적을 계산하는 방법을 설명해보고자 합니다.

 

■ 비표면적의 정의: 입자의 단위 질량당 표면적.

입자가 작아질수록 커지기 때문에 물질의 흡착 계면 현상을 측정하는 데 이용된다. 

 

 

■ 비표면적의 단위: 단위 m2/g (시료 1g당 표면적)

 

비표면적의 계산은 단위 Hexagon 의 표면적과 무게를 이용해서 계산할 수 있습니다. 다음 그림에서 볼 수 있는 것처럼, 단위 Hexagon의 Area: Sh 를 계산하고, 그에 따른 무게: Wh 를 계산하여 비표면적의 단위에 따라 계산을 해보면 앞서 설명한 그래핀의 이론적 비표면적을 계산할 수 있습니다.

A. Peigney et al. / Carbon 39 (2001) 507-514

 

 

■ Hexagon 의 면적 계산

- Hexagon 에 총 6개의 삼각형 존재

- 필요한 정보: Carbon-Carbon 간의 거리 d (1.42 Å, 1Å = 10^-10 m)

- 삼각형 넓이 = (밑변 x 높이) / 2

- Hexagon 면적(Sh): (3root(3)/2)r2)

 

■ Hexagon 의 무게 계산

- 하나의 Hexagon Unit에 몇개의 Carbon 원자가 있을까?

각각의 Carbon 원자는 3개의 Hexagon 을 공유하고 있음

총 6개의 Carbon 원자에서 3개를 공유하고 있기 때문에, 6/3 = 2 개의 Carbon 원자가 하나의 Hexagon Unit에 존재함

 

2개의 Carbon 에 대한 무게를 계산 하면 Wh 를 구할 수 있습니다

Carbon 원자의 무게 : 12.01 g/mol

아보가드로 숫자 (N) = 6.023 x 10^23 mol^-1

 

■ 비표면적 계산

그래핀 한 면의 비표면적은 1315 m2/g 입니다.

 

그래핀의 경우 양면이기 때문에 1315 m2/g * 2를 하면 2630 m2/g 으로 이론적인 그래핀의 비표면적입니다.

 

 

■ 참고 문헌

- https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/1--consider-one-hexagon-unit-graphene-sheet-given-carbon-carbon-bond-length-acc-142-18-10--q51761493​

- https://chemistry.stackexchange.com/questions/68728/how-to-formally-calculate-the-surface-density-of-layered-materials-such-as-graph​

How to formally calculate the surface density of layered materials such as graphene?

- A. Peigney et al. / Carbon 39 (2001) 507 –514

 

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