나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 선전(深圳) 선진기술 연구원 왕자훙(王佳宏), 위쉐펑(喻學鋒) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일종 신형 결정 상태 인(phosphorus) 나노 벨트의 대규모 합성에 성공하고 양산을 실현하는 면에서 혁신성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

2차원 소재는 높은 비표면적, 높은 안정성, 대량의 활성 위치 점, 쉬운 조정 제어 등 강점을 보유하고 있기 때문에 에너지 촉매 분야에서 거대한 응용 잠재력을 보유하고 있는 상황임.

전통적인 등방성(Isotropy) 나노 시트와 달리 나노 벨트 2차원 소재는 더욱 강한 가로 방향 사이즈 제한 효과와 특정 방향 전송 특성을 보유하고 있기 때문에 더욱 많은 모서리 위치 점(marginal locus) 노출에 유리할 뿐만 아니라 전하 이전 효율성을 향상시킬 수 있기 때문에 광전자 디바이스 제조 및 에너지 전환 응용 분야에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망되고 있음.

2차원 흑인(black phosphorus)은 직접 밴드 갭 반도체가 발견된 이래 인 소재 2차원 구조 제조 분야에서 폭넓은 관심을 받고 있는 상황이며, 적인(red phosphorus)은 일상적인 인 동소체(Phosphorus allotrope)로서 광 응답성 범위가 넓고, 밴드 갭 폭이 좁고, 화학 특성이 안정적이고, 가격이 저렴하고, 환경 친화적인 등 강점을 보유하고 있는 상황임.

그 중, 3사(三斜) 결정 상태 적인(cRP)은 흑인과 같이 2차원 층상 구조를 보유하고 있으며, 단일 층은 파이프 상태 인 단일 품질 기본 유닛으로 구성되었으며, 결정 상태 적인 2차원 나노 벨트 구조 개발에 천연적으로 적용할 수 있는 특징을 보유하고 있지만 효과적인 합성 방법이 부족하여 결정 상태 적인 연구와 응용은 심각한 영향을 받고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 최초로 비교적 낮은 온도(480℃), 비교적 짧은 시간(20시간) 내에 순수 정도가 높은 cRP 단결정을 신속하고 대량적으로 합성하는데 성공하였는데 원자재 전환 비율은 약 99%에 달하고, 단일 회 생산량은 10g에 달하여 한층 더 공업화 발전을 실현할 수 있는 잠재력을 나타냈음.

cRP 결정체 양산 실현을 통해 단일 층 혹은 층이 적은 cRP 나노 벨트(cRP NRs)의 대량적인 합성을 위해 중요한 기반을 구축하였으며, 프로브 초음파 처리(Probe ultrasonic treatment)를 거친 후 고 품질의 cRP 단결정은 단일 층 혹은 적은 층 나노 벨트(두께는 20nm보다 작고, 평균 폭은 약 120nm에 달함)로 박리할 수 있게 되었음.

연구팀은 이론 연구와 실험 연구를 통해 cRP NRs는 효율적인 동시에 안정적인 전기화학 고체 질소 활성을 보유하고 있다는 점을 입증하였으며, 0.1 M Na2SO4 전해질 속에서 cRP NRs는 –0.4 V(가역적인 수소 전극에 비해)에서 암모니아 생산량을 15.4 μg h-1 mg –1 cat. 수준에 도달시키고, –0.2 V에서 패러데이 효율(Faraday efficiency)을 9.4% 수준에 도달시키는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 결정상태 적인을 대량적으로 합성할 수 있는 기술 수단을 제공하였으며, 결정 상태 적인 나노 벨트는 일종 효과적인 비(非) 금속 합성 암모니아 촉매제에 속한다는 연구 결론을 도출하였으며, 이런 유형의 흑인 2차원 인 베이스 신 구조의 성공적인 개발은 2차원 소재 발전을 위해 새로운 아이디어를 제공해 주고 있음.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie International Edition’ ("Crystalline Red Phosphorus Nanoribbons: Large-Scale Synthesis and Electrochemical Nitrogen Fixation") 지에 게재됨.