KAIST, 2차원 신소재를 1차원 리본으로 오려내는 나노 가위 기술 개발
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KAIST, 2차원 신소재를 1차원 리본으로 오려내는 나노 가위 기술 개발
  • 송윤영 기자
  • 승인 2020.10.15 20:16
  • 조회수 18538
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기존 보고된 적 없는 다원소로 구성된 물질을 리본 형태로 오려내는 신기술 개발
간단한 초음파 처리를 통해 절개, 기존 백금 촉매 대체 기대
(사진제공=KAIST)(왼쪽부터) 김상욱 교수, 정유성 교수, 수치스라 연구교수
(사진제공=KAIST)(왼쪽부터) 김상욱 교수, 정유성 교수, 수치스라 연구교수

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀이 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀과 공동연구로 2차원 반도체인 *전이금속 칼코지나이드 물질을 얇은 리본 형태로 오려낼 수 있는 신기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
▶2차원 전이금속 칼코지나이드 : 전이금속원소와 칼코겐 원소의 화합물. 평면 방향으로는 전이금속원소와 칼코겐 원소가 강한 공유결합을 하고 있으나, 수직 방향으로 약한 반데르발스 결합을 하는 층상구조를 가지고 있다. 이를 이용하여 층간 분리를 통해 2차원 단층 형태로 박리가 가능하다.

연구팀은 간단한 초음파 처리를 통해 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질을 일정한 방향으로 절개해 긴 나노 리본 형태로 오려내는 데 세계 최초로 성공했다. 김상욱 교수와 정유성 교수 공동 연구팀이 개발한 이 신소재는 기존 백금 촉매를 대체하여 수소 발생 반응 촉매로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

KAIST 신소재공학과의 인도 출신인 수치스라 파드마잔 사시카라(Suchithra Padmajan Sasikala) 연구교수가 제1 저자로 참여한 이번 연구성과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 10월 6일 字 온라인 판에 게재됐다.(논문명: Longitudinal unzipping of 2D transition metal dichalcogenides)

수소는 공해물질을 배출하지 않기 때문에 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 신 에너지 자원으로 주목받고 있다. 수소를 생산하는 가장 환경친화적인 방법은 화학적으로 물을 분해하는 방법인데 이 경우 효율적으로 수소를 생성할 수 있도록 값싸고 높은 효율의 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다.

2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 우수한 촉매 성능을 지니고 있어 에너지·환경 분야에 응용이 기대되는 소재다. 하지만 보다 높은 촉매 성능을 달성하기 위해서는 촉매 활성을 갖는 2차원 소재의 가장자리를 많이 노출하는 방법이 요구돼왔다. 종이를 오려내듯 2차원 소재를 길쭉한 1차원 리본 형태로 오려내게 되면 더 많은 가장자리를 노출할 수 있다는 장점 때문이다.

현재까지는 그래핀과 같이 한가지 원소로만 이루어진 2차원 소재의 경우 여러 방법의 오려내는 기술이 보고돼왔지만, 2개 이상의 원소로 이뤄진 2차원 전이금속 칼코지나이드 물질에 이를 적용하는 데 한계가 따랐다.

공동 연구진은 문제해결을 위해 화학 반응을 통해 2차원 소재의 특성 변화를 유도한 후, 저렴한 초음파 처리 공정을 통해 1차원 리본 형태로 오려내는 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 2차원 소재 표면이 산소와 일정한 방향성을 가지고 화학 반응한다는 점을 발견하고 간단한 초음파 자극을 통해 1차원 리본 형태로 오려냈다. 이어 이 기술을 활용해 기존 고가의 백금 촉매에 견줄 만한 높은 성능을 지닌 수소 발생 반응 촉매를 구현했다.

연구팀 관계자는 "기존에 보고된 적이 없는 다원소로 구성된 2차원 전이금속 칼코지나이드 소재를 오려내는 새로운 기술 개발을 계기로 다양한 다원소 저차원 나노 신물질을 제조할 것으로 크게 기대가 된다ˮ고 설명했다.

교신저자로 이번 연구를 주도한 김상욱 교수는 "2차원 전이금속 칼코지나이드 소재는 뛰어난 물성에도 불구하고 나노구조를 정교하게 조절하는 방법이 부족했다ˮ면서 "이번 연구를 계기로 가격이 비싼 백금 기반 촉매를 대체하는 새로운 수소 발생 촉매의 개발도 가능할 것이다ˮ고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.  

□ 연구개요
1. 연구 배경 
2차원 전이금속 칼코지나이드계 물질은 다원소로 이루어진 물질로, 전이금속으로 이루어진 한 원자층을 두 층의 칼코지나이드 원소 층이 덮고 있는 형태이다. 이러한 2차원 전이금속 칼코지나이드계 물질은 수소 발생 반응 촉매에 응용될 것으로 기대되는 물질 중 하나이지만, 촉매 반응성이 작은 면이 촉매 반응성이 큰 모서리 부분에 비해 구조적으로 믾이 존재하는 단점이 존재한다.

따라서 반응성이 큰 모서리 부분을 많이 확보하는 것이 높은 촉매 활성도 달성을 위하여 필수적이다. 그렇지만, 3층으로 구성된 원자층과 다원소 결정구조로 인해서 나노구조 제어에 관한 연구에 어려움이 있었다. 이에 본 연구에서는 액상 박리된 2차원 전이금속 칼코지나이드계 물질을 수계에서 간단한 방법으로 오려내어 모서리가 많이 존재하는 2차원 전이금속 칼코지나이드계 나노리본을 제작하였다. 모서리가 많이 존재하는 나노리본은 백금 기반 촉매에 비견될만한 높은 수소 발생 반응 촉매 활성도를 보였다.

2. 연구내용 
리튬 이온의 삽입으로 인한 2차원 전이금속 칼코지나이드계 물질 박리는 물질의 상 변화를 유도하게 된다. 또한, 이로 인해 증가된 전자 이동도로 인해 보다 높은 수소 발생 반응 활성도를 가지게 된다. 그러나 현재까지 보고된 방법은 반도체 특성을 가지는 상과 금속 특성을 가지는 상이 혼재된 형태로 제작이 됐다.

본 연구에서는 반응 요소를 조절해 순수 금속 특성을 가지는 상의 2차원 전이금속 칼코지나이드계 물질을 합성했다. 또한, 금속 특성을 가지는 상의 2차원 전이금속 칼코지나이드계 물질이 직선 형태의 산화현상이 일어나는 현상을 이용해 산소가 포화된 수계에서 간단한 초음파 처리 공정을 통해 나노리본 형태로 오려내는데 성공했다. 

그림 2. 절개 공정의 간략한 모식도와 각각의 절개 과정에 대한 전자현미경 이미지
그림 1. (A) 절개 공정의 간략한 모식도 (B-D) 각각의 절개 과정에 대한 전자현미경 이미지. 스케일 바, (A, C) 0.5 와 (B) 0.1 µm.
나노가위기술

모서리가 많이 노출된 금속 1T’상의 2차원 전이금속 칼코지나이드 나노리본은 높은 수소 발생 반응 전기화학 촉매 활성도를 보여줬다. 또 다른 수소 발생 반응 촉매에 대한 평가 지표는 구동 안정성이다. 제작된 MoS2 나노리본의 경우, 10000여 회의 구동 테스트 후에도 비슷한 구동 성능을 전압-전류밀도를 통해 보여줌으로서 높은 구동 안정성을 보여줬다. 또한, 구동 테스트 후의 구조적, 화학적 분석을 통해 MoS2 나노리본이 장시간의 전기화학적 자극에도 변화하지 않는 것을 확인했다.

그림 2. (A) 다양한 형태를 가지는 MoS2의 수소발생반응 촉매 테스트 (B) 다양한 절개, 비절개 1T′ MX2의 Tafel slopes 와 10 mA/cm2의 전류밀도에 필요한 전압 (C) MoS2 나노리본 10000회의 CV scan 구동 전, 후의 성능 테스트 결과 (D) 80 mV vs. RHE의 구동 전압 하에서의 전류 밀도 측정 결과 (E,F) 10000회의 구동 테스트 후의 MoS2 나노리본 투과전자현미경 이미지와 에너지분산형 엑스선분광기 결과. 스케일 바, 0.5 µm.
그림 2. (A) 다양한 형태를 가지는 MoS2의 수소발생반응 촉매 테스트 (B) 다양한 절개, 비절개 1T′ MX2의 Tafel slopes 와 10 mA/cm2의 전류밀도에 필요한 전압 (C) MoS2 나노리본 10000회의 CV scan 구동 전, 후의 성능 테스트 결과 (D) 80 mV vs. RHE의 구동 전압 하에서의 전류 밀도 측정 결과 (E,F) 10000회의 구동 테스트 후의 MoS2 나노리본 투과전자현미경 이미지와 에너지분산형 엑스선분광기 결과. 스케일 바, 0.5 µm.

다른 금속 촉매와의 정량적 비교를 위해, 이론상 계산된 수소 흡착 에너지 대비 실험적 전류 밀도를 표시한 Volcano plot을 통해 비교했다. 이를 통해 MoS2 나노리본이 백금 계열 금속들과 비견될만한 높은 실험적 전류밀도와 적절한 수소 흡착 에너지를 가진다는 것을 확인했다.

그림 3. (A) U=0V 포텐셜에서 면에서와 모서리에서의 1T′ MX2 물질의 계산된 수소 흡착 깁스 자유 에너지 값 (B) 다양한 MX2 나노리본과 금속 촉매의 Volcano plot
그림 3. (A) U=0V 포텐셜에서 면에서와 모서리에서의 1T′ MX2 물질의 계산된 수소 흡착 깁스 자유 에너지 값 (B) 다양한 MX2 나노리본과 금속 촉매의 Volcano plot

결론적으로, 본 연구에서는 2차원 전이금속 칼코지나이드계열 소재의 방향성을 가지는 절개 방법을 최초로 개발했다. 절개 방법을 통해 제작된 나노리본 소재는 나노 수준에서의 구조 제어를 통해서 표면에서의 반응성을 조절할 수 있음을 보여주었고, 다양한 2차원 전이금속 칼코지나이드계열 소재에도 적용이 가능함을 보여주었다.

□ 용어설명

2차원 물질
- 원자 층 한두 층의 얇은 두께를 가지면서도 매우 넓은 면적을 가질 수 있는 신소재

수소 발생 반응
- 물에 전기에너지를 가했을 때, 물의 결합이 끊어지면서 수소와 산소로 분해하는 수전해 반응 중 하나.

교환전류밀도
- 특정 전극에서 반응이 발생할 때, 전극의 단위면적 당 교환전류


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