[논문 리뷰] Glue-Assisted Grinding Exfoliation of Large-Size 2D Materials for Insulating Thermal Conduction and Large-Current-Density Hydrogen Evolution

Liusi Yang, Dashuai Wang외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Graphene research and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 접착성 고분자를 사용하여 대규모로 고수율로 큰 크기의 고품질 2D 재료(예: h-BN, 그래핀, MoS₂)를 제조할 수 있는 접착제 보조 연마 분리(GAGE) 방법을 소개한다. 이 방법은 h-BN의 평균 횡방향 크기를 2.18 µm, 두께를 3.91 nm로 확보하여 절연성 열전도 및 고전류밀도 수소발생 촉매 반응에의 적용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials have many promising applications, but their scalable production remains challenging. Herein, we develop a glue-assisted grinding exfoliation (GAGE) method in which the adhesive polymer acts as a glue to massively produce 2D materials with large lateral sizes, high quality, and high yield. Density functional theory simulation shows that the exfoliation mechanism involves the competition between the binding energy of selected polymers and the 2D materials which is larger than the exfoliation energy of the layered materials. Taking h-BN as an example, the GAGE produces 2D h-BN with an average lateral size of 2.18 μm and thickness of 3.91 nm. The method is also extended to produce various other 2D materials, including graphene, MoS2, Bi2O2Se, vermiculite, and montmorillonite. Two representative applications of thus-produced 2D materials have been demonstrated, including h-BN/polymer composites for insulating thermal conduction and MoS2 electrocatalysts for large-current-density hydrogen evolution, indicating the great potential of massively produced 2D materials.

연구 동기 및 목표

• 실용적 응용을 위해 대규모로 고수율로 큰 크기의 고품질 2D 재료를 제조하는 데 도전하는 것.
• 작은 조각, 낮은 수율 또는 낮은 확장성으로 인해 제한되는 전통적 분리 기법의 한계를 극복하는 것.
• 기계적 힘을 이용한 분리 과정을 개발하여 접착성 고분자를 활용해 분리 효율성과 재료의 무결성을 향상시키는 것.
• h-BN, 그래핀, MoS₂ 및 점토 광물과 같은 다양한 2D 재료에 대해 이 방법의 유연성을 입증하는 것.
• 제조된 2D 재료를 이용해 절연성 열전도 및 고전류밀도 수소발생 반응에 실용적 응용을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 기계적 연마 중 2D 재료 조각을 고정하고 보호하기 위해 접착성 고분자를 '접착제'로 활용하여 재결합 방지 및 손실 방지.
• 고점성 연마 공정을 통해 층상 재료의 분리를 촉진하는 비틀림력과 삽입력 유도.
• 밀도함수이론(DFT) 시뮬레이션을 활용해 선택된 고분자가 2D 재료에 대한 결합 에너지가 층간 결합 에너지를 초과함을 확인하여 선택적 분리를 가능하게 함.
• 2D 조각의 횡방향 크기와 수율을 최대화하기 위해 고분자 종류와 연마 조건 최적화.
• 원심분리 및 여과를 통해 고분자 매트릭스에서 분리된 2D 재료를 정제.
• 크기, 두께, 결정성을 확인하기 위해 광학 현미경, AFM, XRD, 라만 분광법을 활용해 제조된 2D 재료의 특성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 접착성 고분자를 사용하여 대규모로 고수율로 큰 크기의 2D 재료를 분리할 수 있는가?
• RQ2 접착성 고분자가 재결합을 방지하고 분리를 촉진하는 기본 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 GAGE 방법이 h-BN, 그래핀 및 전이 금속 디칼코겐화합물과 같은 다양한 2D 재료에 얼마나 일반화될 수 있는가?
• RQ4 GAGE를 통해 제조된 2D 재료의 횡방향 크기와 두께는 기존 방법과 비교해 어떠한가?
• RQ5 GAGE로 제조된 2D 재료는 절연성 열전도 및 전기촉매 반응과 같은 실용적 응용에서 높은 성능을 발휘할 수 있는가?

주요 결과

• GAGE 방법은 h-BN 조각의 평균 횡방향 크기를 2.18 µm, 두께를 3.91 nm로 확보하여 소수층 분리의 고품질을 나타낸다.
• DFT 시뮬레이션을 통해 선택된 고분자와 2D 재료 간의 결합 에너지가 층간 결합 에너지를 초과함을 확인하여 효율적인 분리를 가능하게 했다.
• 이 방법은 h-BN 이외에도 그래핀, MoS₂, Bi₂O₂Se, 베르미큘라이트, 몬템로리트 등 다양한 큰 크기의 2D 재료를 성공적으로 제조하였다.
• GAGE로 분리한 h-BN/고분자 복합재는 높은 열전도도 이방성으로 효과적인 열절연 성능을 보였다.
• GAGE로 분리한 재료에서 유도된 MoS₂ 전기촉매는 수소발생 반응에서 >100 mA/cm²의 높은 전류밀도를 달성하여 견고한 전기촉매 성능을 입증하였다.
• GAGE 공정은 높은 수율과 확장성을 확보하여 농도가 유의미하게 떨어지지 않는 상태에서 그램 단위의 2D 재료를 제조할 수 있었다.