나노기술 및 정책 정보

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2차원 금속 화합물은 독특한 물리화학적 특성으로 인해 응용 분야의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 2차원 재료를 3차원 구조로 구축하는 이상적인 다기능 재료로 간주됨.

하지만 합성된 소재의 사이즈가 작고, 균일성이 떨어지고, 제어하기 어려운 문제가 있기 때문에 효율적이고 보편적으로 적용할 수 있는 3차원 구조의 2차원 금속 화합물을 합성하는 방법의 개발은 당면 과제가 되고 있음.

최근 중국 후난(湖南, 호남) 대학교 탄융원(譚勇文, 담용문) 교수 연구팀은 표면 합금 전략에 기반하고, 일종 나노 다공성 금 보조 하에서 화학 기상증착 방법을 이용하여 원자 두께를 보유하고, 기공의 크기를 조정할 수 있는 19종의 2원 및 5종의 3원 나노 다공성 2차원 금속 화합물을 합성하였는음. 황화물, 셀렌화물, 텔루륨화물, 질소화물, 탄화물이 포함됨.

나노 듀얼 연속 다공성 구조 및 풍부한 흡착 활성 위치점 덕분에 합성된 3D MoSSe 합금 소재는 우수한 전기 촉매 질소 환원 성능을 보이며, 3차원 듀얼 연속 다공성 구조를 가진 2차원 금속화합물 제조를 위해 범용적인 프레임워크를 제공함으로써 나노 다공성 소재의 종류를 극대화 하는데 성공하였으며, 2차원 소재/금속 복합 소재 분야 연구에서도 중요한 성과를 얻었음.

전기화학 질소 환원 반응(NRR) 합성 암모니아는 에너지 절약 및 친환경 공정에 속하지만 N2 흡착이 극히 취약하기 때문에 반응 속도가 느리고 전기 화학 질소 가스 환원 반응의 암모니아 생산율과 패러데이 효율이 매우 낮음. 때문에 N≡N의 활성화 장벽을 효과적으로 낮추고 N≡N의 분리를 가속화 하는 효율적인 NRR 촉매제 개발은 극히 도전적이면서도 중요함.

연구팀은 결함을 자발적으로 환원시키는 방법을 이용하여 Ru 단일 원자 도핑의 Mo2CTX MXene 나노 시트 NRR 촉매제를 개발하였는음. 동 촉매제는 상온 및 대기압에서 비교적 높은 NRR 선택성과 NH3 생성 비율을 보였으며, Ru 단일 원자를 도입하여 Mo2CTX MXene의 반응 활성 위치점을 최대한 풍부하게 할뿐만 아니라 촉매제의 활성을 향상시켰음.

그 외, 연구팀은 표면 특성 분석과 이론 시뮬레이션을 이용하여 실제 촉매 조건에서 복합 촉매제에 대한 체계적인 연구를 수행하였음. Ru 원자를 Mo2CTX 나노 시트에 도핑하여 Mo2CTX의 전자 구조를 조절하면 N2 분자 흡착과 활성화를 가속화 하면서 NRR 속도 제한 단계의 열역학 에너지 장벽을 낮출 수 있다는 점을 발견하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("General Synthesis of Nanoporous 2D Metal Compounds with 3D Bicontinous Structure") 지에 게재됨.