KR102453099B1 - 2d nanosheet and method for manufacturing thereof - Google Patents

2d nanosheet and method for manufacturing thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102453099B1
KR102453099B1 KR1020200149688A KR20200149688A KR102453099B1 KR 102453099 B1 KR102453099 B1 KR 102453099B1 KR 1020200149688 A KR1020200149688 A KR 1020200149688A KR 20200149688 A KR20200149688 A KR 20200149688A KR 102453099 B1 KR102453099 B1 KR 102453099B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dimensional
nanosheet
dimensional nanosheet
cation
manufacturing
Prior art date
Application number
KR1020200149688A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102453099B9 (en
KR20220063624A (en
Inventor
윤하나
박상현
유정준
정규남
류명현
양정훈
이영아
장규연
신현섭
김지수
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020200149688A priority Critical patent/KR102453099B1/en
Publication of KR20220063624A publication Critical patent/KR20220063624A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102453099B1 publication Critical patent/KR102453099B1/en
Publication of KR102453099B9 publication Critical patent/KR102453099B9/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G39/00Compounds of molybdenum
    • C01G39/003Preparation involving a liquid-liquid extraction, an adsorption or an ion-exchange
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B19/00Selenium; Tellurium; Compounds thereof
    • C01B19/001Preparation involving a liquid-liquid extraction, an adsorption or an ion-exchange
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B19/00Selenium; Tellurium; Compounds thereof
    • C01B19/007Tellurides or selenides of metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/184Preparation
    • C01B32/19Preparation by exfoliation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G39/00Compounds of molybdenum
    • C01G39/06Sulfides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G41/00Compounds of tungsten
    • C01G41/003Preparation involving a liquid-liquid extraction, an adsorption or an ion-exchange
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D11/00Inks
    • C09D11/02Printing inks
    • C09D11/03Printing inks characterised by features other than the chemical nature of the binder
    • C09D11/037Printing inks characterised by features other than the chemical nature of the binder characterised by the pigment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/20Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like
    • C01P2004/24Nanoplates, i.e. plate-like particles with a thickness from 1-100 nanometer
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 2차원 나노시트의 제조방법으로서, 3차원 벌크 물질 분말을 준비하고, 질소를 주입하여 질소 분위기를 형성하는 단계; 상기 3차원 벌크 물질 분말에 제1 양이온 전구체 용액을 혼입하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 제1 음파(sonication) 처리하여 다층 구조의 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 제1 양이온을 삽입(intercalation)하는 단계; 제2 양이온 전구체 용액을 혼입하여 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 삽입된 제1 양이온을 제2 양이온으로 이온-교환하는 단계; 및 상기 제2 양이온 전구체를 포함하는 혼합물을 제2 음파 처리하여 2차원 나노시트를 박리하는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트의 제조방법, 상기 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트, 이를 포함하는 잉크 조성물의 제조에 관한 것이다. The present invention provides a method for manufacturing a two-dimensional nanosheet, comprising: preparing a three-dimensional bulk material powder, injecting nitrogen to form a nitrogen atmosphere; mixing a first cation precursor solution into the three-dimensional bulk material powder; intercalating the first cations between the layers of the three-dimensional bulk material having a multilayer structure by treating the mixture with a first sonication; ion-exchanging the first cation intercalated between the layers of the three-dimensional bulk material with a second cation by incorporating a second cation precursor solution; And exfoliating the two-dimensional nanosheet by second sonic treatment of the mixture containing the second cation precursor; It relates to the preparation of an ink composition comprising.

Description

2차원 나노시트 및 이의 제조방법{2D NANOSHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}Two-dimensional nanosheet and manufacturing method thereof

본 발명은 박리화된 2차원 소재의 나노시트를 제조하는 방법, 상기 방법에 의해 제조된 2차원 나노시트, 및 상기 2차원 나노시트를 포함하는 잉크 조성물과 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a nanosheet of a peeled two-dimensional material, a two-dimensional nanosheet prepared by the method, and an ink composition including the two-dimensional nanosheet, and a method for manufacturing the same.

본 연구는 한국에너지기술연구원 연구개발사업 (C0-2417)과 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(2020229B10-2022-AC01)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.This research was made with the support of the Korea Energy Research Institute R&D project (C0-2417) and the Korea Forest Service (Korea Forestry Promotion Agency) forest science and technology R&D project (2020229B10-2022-AC01).

최근, 미래 반도체 소재로 MoS2, WS2, WSe2 등 다양한 2차원 소재가 주목받고 있다. 위 2차원 구조 소재들을 나노미터의 얇은 두께로 잘 휘면서 튼튼하며, 금속성, 반도체, 부도체적 특성 등 다양한 성질을 지니고 있어 전자소자, 센서, 에너지 등 다양한 분야에 활용 가능하다. 특히, 2차원 이종 다층소재의 경우에, 단일 층의 적층 조합에 따른 물성의 변조가 가능하고, 2차원 소재 물성 간 상승적 커플링 구현이 가능한 장점이 있다. 예를 들어, 그래핀/MoS2 이종 적층 소재의 경우, MoS2/MoS2 동종 적층 소재에 비하여 인터컬레이션 반응으로 전하 축적이 약 10배 이상 증가됨이 보고된 바 있다 (참고문헌, P. Kim et al., Nature 558, 425 (2018)). 또한, 1.3nm 두께의 초박막 그래핀/MoS2 이종 적층(그래핀/MoS2/그래핀) 소재가 MoS2 단일 적층 소재보다 7배 높은 광전류를 보이는 것이 관찰된 바 있다 (참고문헌, Nat. Commun. 7, 13278 (2016)). Recently, various two-dimensional materials such as MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 are attracting attention as future semiconductor materials. The above two-dimensional structural materials are flexible and strong with a thin nanometer thickness, and they have various properties such as metallic, semiconductor, and non-conductive properties, so they can be used in various fields such as electronic devices, sensors, and energy. In particular, in the case of a two-dimensional heterogeneous multi-layer material, there is an advantage in that physical properties can be modulated according to the stacking combination of a single layer, and a synergistic coupling between the two-dimensional material properties can be realized. For example, in the case of a graphene/MoS 2 heterogeneous stacked material, it has been reported that the charge accumulation is increased by about 10 times or more due to the intercalation reaction compared to the MoS 2 /MoS 2 homogeneous stacked material (Reference, P. Kim). et al., Nature 558, 425 (2018)). In addition, it has been observed that the 1.3 nm thick ultra-thin graphene/MoS 2 heterogeneous stacked (graphene/MoS 2 /graphene) material exhibits 7 times higher photocurrent than the MoS 2 single stacked material (Reference, Nat. Commun). 7, 13278 (2016)).

2차원 전이금속 디칼코게나이드 (Transition Metal Dichalcogenide, TMD) 물질과 이종 다층 2차원 물질은 향후 전자, 광전자, 에너지, 센서, 생체의학 등 다양한 고부가가치 응용 분야에 채택될 잠재력이 매우 높을 것으로 예상되며, 2020년 5.5백만 달러규모에서 2030년 2차원 물질의 세계 총 시장규모는 약 1억 3천만 달러로 23배 이상 급증할 것으로 전망된다. 또한, 2030년 국내 총 시장 규모는 1,780만 달러로 예상되며, 2020년부터 2030년 사이 연평균성장률 (CAGR)은 36.72% 전망된다.Two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMD) materials and heterogeneous multi-layered two-dimensional materials are expected to have high potential for adoption in various high value-added applications such as electronics, optoelectronics, energy, sensors, and biomedicine in the future. The global market for 2D materials is expected to increase more than 23 times from $5.5 million in 2020 to about $130 million in 2030. In addition, the total domestic market size in 2030 is expected to be 17.8 million dollars, and the compound annual growth rate (CAGR) between 2020 and 2030 is expected to be 36.72%.

이에 더하여, 2차원 전이금속 디칼코게나이드 물질과 이종 다층 2차원 물질은 소재 자체만의 시장뿐만 아니라 그 응용 분야에 있어서 매우 무궁무진한 가능성이 있으며, 특히나 이차전지, 열전소자 등과 같은 에너지 분야의 고효율 저전력 소자 및 소재 개발로의 응용 가능성이 매우 높다. In addition, two-dimensional transition metal dichalcogenide materials and heterogeneous multi-layered two-dimensional materials have infinite possibilities not only in the market of the material itself but also in its application fields, especially in the energy field such as secondary batteries and thermoelectric devices, with high efficiency and low power It has very high potential for application to device and material development.

다양한 응용 분야 중에서, 이차전지 그 중 리튬 이온 배터리 시장은 매년 그 규모가 커지고 있다. 일상 생활과 관련한 많은 것들이 전자기기를 통해 이루어지고 일상생활에 있어 전자기기는 반드시 필요한 존재로 자리 잡고 있다. 이와 더불어 전자기기를 구성하는 필수 요소인 배터리에 대한 수요는 높아지고 더 나은 배터리의 개발에 관한 중요성은 확대되고 있다. 앞으로 산업에서 배터리는 지금보다 더 많은 곳에서 사용될 것이며 지금보다 고용량, 고효율의 배터리를 요구하게 될 것이다. 모바일 전자기기뿐만 아니라 전기차 시장에서도 배터리는 가장 중추적인 역할을 하고 있으며, 친환경차에 대한 요구가 점차 커지면서 현재 전 세계의 자동차시장은 기존의 화석연료를 사용하는 자동차에서 전기차로의 바꿈을 시도하고 있으며 그 주행거리를 늘리는데 관심을 쏟고 있다.Among various application fields, the lithium ion battery market among secondary batteries is growing in size every year. Many things related to our daily life are done through electronic devices, and electronic devices are becoming indispensable in our daily life. In addition, the demand for batteries, which are essential elements constituting electronic devices, is increasing, and the importance of developing better batteries is increasing. In the future, batteries will be used in more places than they are now, and batteries with higher capacity and higher efficiency will be required. Batteries play a pivotal role not only in mobile electronic devices but also in the electric vehicle market, and as the demand for eco-friendly vehicles grows, the global automobile market is currently trying to change from fossil fuel-powered vehicles to electric vehicles. We are focusing on increasing the mileage.

이와 더불어, 향후 리튬 이온 배터리의 전기자동차용 이차전지로의 활용이 기대되고 있는 가운데, 장거리 운행 및 소비자의 편의성을 만족시키기 위해서는 급속충전이 가능한 새로운 고용량 소재의 개발이 필수적으로 요구되고 있다. 리튬이온 배터리의 충전 및 방전은 전지가 충전이 될 때는 양극에 있던 리튬이온과 전자가 음극으로 들어가며, 반대로 방전이 될 때는 음극에 있던 리튬이온과 전자가 양극으로 이동한다. 이때, 음극이 리튬이온을 얼마나 빠른 속도로 받아들일 수 있는지가 리튬 이온 배터리의 충전 속도를 좌우하는 핵심요소로, 이는 음극 소재의 구성 및 전극 구조의 특성에 많은 영향을 받는다. In addition, as lithium-ion batteries are expected to be used as secondary batteries for electric vehicles in the future, the development of new high-capacity materials capable of fast charging is essential in order to satisfy long-distance driving and consumer convenience. In the charging and discharging of a lithium-ion battery, when the battery is being charged, lithium ions and electrons from the positive electrode enter the negative electrode, and when the battery is discharged, lithium ions and electrons from the negative electrode move to the positive electrode. At this time, how fast the negative electrode can receive lithium ions is a key factor in determining the charging speed of a lithium ion battery, which is greatly affected by the composition of the negative electrode material and the characteristics of the electrode structure.

기존 음극 재료로는 가장 많이 사용되고 있는 흑연은 값이 싸고 구조적 안정성이 뛰어난 장점이 있지만 용량이 낮아(이론용량: 372 mAh g-1) 전기 차의 주행거리나 핸드폰, 전자 기기들의 사용시간을 늘리기에는 충분치 않다는 단점이 있다. 또한, 급속 충전 시 흑연 음극에서의 리튬 석출로 인한 열화 현상에 노출될 가능성이 매우 높다는 단점이 있다. 최근 실리콘 산화물계(SiOx) 음극재가 높은 비용량으로 그 자리를 노리고 있지만 사이클 과정에서 소재의 부피 팽창이 심하여, 이로 인해 전극 구조가 빠르게 파괴되어 수명이 오래가지 못하는 단점이 있다. 전이금속 디칼코게나이드 물질로 알려진 2차원 재료들은 독특한 전기적, 기계적, 광학적 물성을 가지고 있기 때문에 많은 연구 분야에서 상당한 관심을 끌고 있으며, 에너지 저장 측면에서도 높은 용량을 보이고 있어, LIB 음극 물질로도 유망하다. 하지만 전도성이 좋지 않아 전극 용량 확보를 위해서는 전도성 확보가 필요하며, 전해질 이온의 삽입/탈리로 인한 부피팽창 문제에 대한 해결 또한 필요하다. 2차원 이종 다층 소재는 흑연과 달리 층간 거리를 조절이 가능하기 때문에, 흑연과 이종 다층 소재를 적절하게 혼합한다면 고용량 특성 및 구조적 안정성이 뛰어난 소재 구현이 가능할 뿐만 아니라 급속충전 시 리튬이온을 원활하게 받아들일 수 있을 것으로 기대된다. Graphite, the most used anode material, has advantages of low cost and excellent structural stability, but its low capacity (theoretical capacity: 372 mAh g -1 ) is not sufficient to extend the mileage of electric vehicles or the use time of mobile phones and electronic devices. The downside is that it isn't enough. In addition, there is a disadvantage in that the possibility of exposure to deterioration due to lithium precipitation in the graphite anode during rapid charging is very high. Recently, silicon oxide-based (SiOx) anode materials are aiming for their place due to their high specific capacity, but the material has a large volume expansion during the cycle process, which causes the electrode structure to be rapidly destroyed and thus has a disadvantage that the lifespan is not long. Two-dimensional materials, known as transition metal dichalcogenide materials, have attracted considerable interest in many research fields because they have unique electrical, mechanical, and optical properties. . However, due to poor conductivity, it is necessary to secure conductivity in order to secure electrode capacity, and it is also necessary to solve the problem of volume expansion due to insertion/desorption of electrolyte ions. Unlike graphite, a two-dimensional heterogeneous multilayer material can control the interlayer distance, so if graphite and a heterogeneous multilayer material are properly mixed, it is possible to realize a material with high capacity characteristics and excellent structural stability, as well as smoothly receive lithium ions during rapid charging. expect to be able to take it.

상기 2차원 전이금속 디칼코게나이드 나노시트의 제조를 위하여 지금까지 화학적 기상 증착법, 졸-겔 합성법 등의 bottom-up합성법을 이용하여 2차원 나노시트를 합성하거나, 벌크 2차원 소재를 기계적 또는 화학적으로 박리화하는 등의 top-down 합성법을 이용하여 2차원 나노시트를 제조하는 방법 등이 많이 활용되고 있다. 기계적 박리법의 대표적인 방법으로는 '스카치 테잎' 방법이 있으며, 이는 고품질의 소재 확보가 가능하나 소량의 산출물 밖에 만들 수 없는 단점이 있다. 화학적 기상 증착법의 경우에는 물질의 층과 기판의 미세조직에 대한 제어 능력이 우수하나, 기판과 2차원 물질과의 분리가 어렵고 대부분 고온, 고진공 합성 조건으로 공정이 복잡하고 대량생산이 어려운 단점이 있다. 또한, 졸-겔 합성법은 일반적으로 많이 사용되는 방법이나, 소량의 결과물을 얻기 위해 다량의 원소를 소모해야 하고, 수산화기 등 원치 않는 표면기 형성 및 기공형성 등의 부산물 발생으로 성능 저하의 문제가 있다. 화학적 박리법은 양이온 또는 음이온을 선택적으로 2차원 소재 층 간에 삽입하여 박리시키는 방법으로 기계적 박리법, 화학적 기상 증착법, 졸겔법 등의 방법에 비하여 scale-up이 가능하고 공정이 비교적 간단하나 생산량 및 수율이 상용화하기에는 아직까지 매우 낮은 수준이다. For the production of the two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheet, a two-dimensional nanosheet is synthesized using a bottom-up synthesis method such as a chemical vapor deposition method or a sol-gel synthesis method so far, or a bulk two-dimensional material is mechanically or chemically synthesized. A method of manufacturing a two-dimensional nanosheet using a top-down synthesis method such as exfoliation is widely used. A representative method of the mechanical peeling method is the 'Scotch tape' method, which can secure high-quality materials, but has the disadvantage of producing only a small amount of output. In the case of chemical vapor deposition, the control ability of the material layer and the microstructure of the substrate is excellent, but it is difficult to separate the substrate and the two-dimensional material, and most of the processes are complicated due to high temperature and high vacuum synthesis conditions, and mass production is difficult. . In addition, the sol-gel synthesis method is a commonly used method, but a large amount of elements are consumed to obtain a small amount of result, and there is a problem of performance degradation due to the formation of unwanted surface groups such as hydroxyl groups and byproducts such as pore formation. . The chemical peeling method is a method of selectively inserting positive and negative ions between two-dimensional material layers to separate them. Compared to methods such as mechanical peeling, chemical vapor deposition, and sol-gel, it is possible to scale-up and the process is relatively simple, but the production and yield It is still at a very low level for commercialization.

상술한 2차원 이종 다층 소재는 서로 다른 종류의 2차원 물질간의 조합으로 만들어진 나노복합물질을 말하며, 2차원 소재를 나노시트 단위로 박리화한 후, 서로 다른 종류의 2차원 박리화 소재를 교대로 적층함으로써 복합소재화 함으로써2차원 이종 다층 소재를 제조한다. 현재 이러한 박리화된 2차원 나노시트 소재의 Scale-up 제조 및 수율 향상을 위한 공정 개발에 대한 요구가 존재하는 상황이다. 또한 상기 2차원 나노시트 소재가 잘 분산되어, 장기간 분산 상태가 유지되는바, 보관이 용이한 잉크 및 잉크 제조방법에 대한 필요도 존재한다.The above-mentioned two-dimensional heterogeneous multi-layer material refers to a nanocomposite material made by a combination of different kinds of two-dimensional materials, and after exfoliating the two-dimensional material in nanosheet units, different kinds of two-dimensional exfoliating materials are alternately used A two-dimensional heterogeneous multi-layer material is manufactured by making it a composite material by laminating it. Currently, there is a demand for scale-up manufacturing of these exfoliated two-dimensional nanosheet materials and development of a process for improving yield. In addition, since the two-dimensional nanosheet material is well dispersed and the dispersed state is maintained for a long period of time, there is also a need for an easy-to-storage ink and ink manufacturing method.

본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 측면은 2차원 나노시트의 제조방법을 제공한다.The present invention has been devised to solve the above-described problem, and an aspect of the present invention provides a method for manufacturing a two-dimensional nanosheet.

본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 제조방법으로 제조된 2차원 나노시트를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a two-dimensional nanosheet manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 다른 일 실시예는, 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for preparing a two-dimensional nanosheet ink composition.

본 발명의 다른 일 실시예는, 상기 제조방법으로 제조된 2차원 나노시트 잉크 조성물을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a two-dimensional nanosheet ink composition prepared by the above manufacturing method.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. it could be

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은, As a technical means for achieving the above-described technical problem, one aspect of the present invention is,

2차원 나노시트의 제조방법으로서, 3차원 벌크 물질 분말을 준비하고, 질소를 주입하여 질소 분위기를 형성하는 단계; 상기 3차원 벌크 물질 분말에 제1 양이온 전구체 용액을 혼입하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 제1 음파(sonication) 처리하여 다층 구조의 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 제1 양이온을 삽입(intercalation)하는 단계; 제2 양이온 전구체 용액을 혼입하여 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 삽입된 제1 양이온을 제2 양이온으로 이온-교환하는 단계; 및 상기 제2 양이온 전구체를 포함하는 혼합물을 제2 음파 처리하여 2차원 나노시트를 박리하는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a two-dimensional nanosheet, comprising: preparing a three-dimensional bulk material powder, and injecting nitrogen to form a nitrogen atmosphere; mixing a first cation precursor solution into the three-dimensional bulk material powder; intercalating the first cations between the layers of the three-dimensional bulk material having a multilayer structure by treating the mixture with a first sonication; ion-exchanging the first cation intercalated between the layers of the three-dimensional bulk material with a second cation by incorporating a second cation precursor solution; and exfoliating the two-dimensional nanosheet by second sonic treatment of the mixture including the second cation precursor.

상기 2차원 나노시트는 전이금속 디칼코게나이드, 또는 그래핀인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The two-dimensional nanosheet may be characterized in that it is a transition metal dichalcogenide, or graphene.

상기 2차원 나노시트는 MoSe2, MoS2, WS2, WSe2, TiS2, TiSe2, ReS2, ZrTe2, NbSe2 중 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The two-dimensional nanosheet may be at least one selected from MoSe 2 , MoS 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , ReS 2 , ZrTe 2 , and NbSe 2 .

상기 제1 양이온은 알칼리 금속 양이온인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The first cation may be an alkali metal cation.

상기 제2 양이온은 암모늄, 탄화수소로 치환된 1급 내지 3급 암모늄, 마그네슘, 아연(Zn) 및 히드로늄(H3O+)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 양이온인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The second cation may be one type of cation selected from the group consisting of ammonium, hydrocarbon-substituted primary to tertiary ammonium, magnesium, zinc (Zn) and hydronium (H 3 O + ). have.

상기 제1 음파처리는 0.5 내지 10시간, 제2 음파처리는 0.1 내지 5시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The first sonic treatment may be performed for 0.5 to 10 hours, and the second sonic treatment may be performed for 0.1 to 5 hours.

상기 제1 또는 제2 음파 처리와 동시에 교반을 진행하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.It may be characterized in that the stirring proceeds simultaneously with the first or second sound wave treatment.

상기 교반은 제1 또는 제2 음파 처리 중 복수 회에 걸쳐 수행되고, 1회 당 0.1 내지 2시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The stirring may be performed multiple times during the first or second sonic treatment, and may be characterized in that it proceeds for 0.1 to 2 hours per one time.

상기 2차원 나노시트를 박리하는 단계에서 얻어진 용액을 소정의 필터를 통과시키고, 용매로 박리화된 2차원 나노시트 분말을 세척하는 단계; 수득된 분말을 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.passing the solution obtained in the step of peeling the two-dimensional nanosheet through a predetermined filter, and washing the peeled two-dimensional nanosheet powder with a solvent; It may be characterized in that it further comprises the step of drying the obtained powder.

상기 2차원 나노시트는 1개 내지 3개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The two-dimensional nanosheet may be characterized in that it includes one to three layers.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은,In addition, another aspect of the present invention,

상기 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트를 제공한다.Provided is a two-dimensional nanosheet manufactured according to the manufacturing method.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은,In addition, another aspect of the present invention,

상기 제조방법에 따라 2차원 나노시트 물질을 준비하는 단계; 상기 2차원 나노시트 물질 및 용매를 혼합하는 단계; 상기 2차원 나노시트 물질 및 용매의 혼합물을 음파 처리하는 단계; 및 분리된 혼합물의 상층액을 분리하여 2차원 나노시트 잉크 조성물을 얻는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법을 제공한다.preparing a two-dimensional nanosheet material according to the manufacturing method; mixing the two-dimensional nanosheet material and a solvent; sonicating the mixture of the two-dimensional nanosheet material and the solvent; and obtaining a two-dimensional nanosheet ink composition by separating the supernatant of the separated mixture.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은,In addition, another aspect of the present invention,

상기 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트 잉크 조성물을 제공한다. It provides a two-dimensional nanosheet ink composition prepared according to the above manufacturing method.

본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 2차원 나노시트 소재의 scale-up 가능하면서 에너지 측면에서도 경제적인 박리법을 제공할 수 있다.According to one aspect of the present invention, it is possible to provide an economical peeling method in terms of energy while being able to scale-up the two-dimensional nanosheet material.

또한 본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 2차원 나노시트 소재가 잘 분산되어, 분산 상태가 오래 유지되고, 이에 따라 장기간 보관이 용이한 2차원 나노시트 잉크 조성물 및 이의 제조방법을 제공할 수 있게 된다.In addition, according to one aspect of the present invention, the two-dimensional nanosheet material is well dispersed, the dispersed state is maintained for a long time, and thus it is possible to provide a two-dimensional nanosheet ink composition and a method for manufacturing the same, which is easy to store for a long time. .

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and it should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 나노시트의 제조 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2a는 본원의 일 실시예에 따른 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이다.
도 2b는 본원의 일 실시예에 따른 2차원 나노시트 잉크 조성물의 고농도 및 저농도 잉크 사진이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 MoS2 2차원 나노시트를 벌크 물질과 비교한 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 MoSe2 2차원 나노시트를 벌크 물질과 비교한 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
도 5a는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 MoS2 2차원 나노시트의 벌크 물질의 SEM 이미지로 각각 30000배, 50000배 이미지를 나타낸 것이다.
도 5b는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 MoS2 2차원 나노시트의 박리화된 물질의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 MoSe2 2차원 나노시트의 박리 전 벌크 물질의 SEM 이미지로 각각 3000배, 10000배 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 MoSe2 2차원 나노시트의 박리화된 물질의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따라 제조된 WS2 2차원 나노시트의 박리 전 벌크 물질의 SEM 이미지로 각각 1000배, 3000배 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 WS2 2차원 나노시트의 박리화된 물질의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 2차원 나노시트의 제조방법에서 양이온 삽입과정의 음파 처리 여부에 따른 박리화 효율 분석을 위한 XRD 데이터이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 2차원 나노시트의 제조방법에서 이온-교환 과정에서 음파 처리 외에, 교반 여부에 따른 박리화 효율 분석을 위한 XRD 데이터이다.
1 schematically shows a method for manufacturing a two-dimensional nanosheet according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is a flowchart showing a method of manufacturing a two-dimensional nanosheet ink composition according to an embodiment of the present application.
Figure 2b is a high-concentration and low-concentration ink photograph of the two-dimensional nanosheet ink composition according to an embodiment of the present application.
Figure 3 shows XRD data comparing the two-dimensional two -dimensional nanosheet MoS prepared according to an embodiment of the present application with a bulk material.
FIG. 4 shows XRD data comparing the two-dimensional two -dimensional MoSe nanosheets prepared according to an embodiment of the present application to a bulk material.
Figure 5a is an SEM image of the bulk material of the MoS two -dimensional nanosheet prepared in accordance with an embodiment of the present application, respectively 30000 times and shows 50000 times the images.
Figure 5b shows a TEM image of the exfoliated material of the MoS two -dimensional nanosheet prepared according to an embodiment of the present application.
6 is an SEM image of the bulk material before exfoliation of the two-dimensional two -dimensional MoSe nanosheet prepared according to an embodiment of the present application, showing images of 3000 times and 10000 times, respectively.
7 shows a TEM image of the exfoliated material of the MoSe two -dimensional nanosheet prepared according to an embodiment of the present application.
8 is an SEM image of the bulk material before exfoliation of the WS two -dimensional nanosheet prepared according to an embodiment of the present application, and shows images of 1000 times and 3000 times, respectively.
9 shows a TEM image of the exfoliated material of the WS two -dimensional nanosheet prepared according to an embodiment of the present application.
FIG. 10 is XRD data for an analysis of exfoliation efficiency according to whether sonic treatment is performed during a cation insertion process in a method for manufacturing a two-dimensional nanosheet according to an embodiment of the present application.
11 is XRD data for the analysis of exfoliation efficiency according to whether stirring, in addition to sonic treatment in the ion-exchange process in the method for manufacturing a two-dimensional nanosheet according to an embodiment of the present application.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention may be embodied in various different forms, and the present invention is not limited by the embodiments described herein, and the present invention is only defined by the claims to be described later.

덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, the terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the entire specification of the present invention, 'including' any component means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본원의 제 1 측면은,The first aspect of the present application is

2차원 나노시트의 제조방법으로서, 3차원 벌크 물질 분말을 준비하고, 질소를 주입하여 질소 분위기를 형성하는 단계; 상기 3차원 벌크 물질 분말에 제1 양이온 전구체 용액을 혼입하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 제1 음파(sonication) 처리하여 다층 구조의 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 제1 양이온을 삽입(intercalation)하는 단계; 제2 양이온 전구체 용액을 혼입하여 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 삽입된 제1 양이온을 제2 양이온으로 이온-교환하는 단계; 및 상기 제2 양이온 전구체를 포함하는 혼합물을 제2 음파 처리하여 2차원 나노시트를 박리하는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a two-dimensional nanosheet, comprising: preparing a three-dimensional bulk material powder, and injecting nitrogen to form a nitrogen atmosphere; mixing a first cation precursor solution into the three-dimensional bulk material powder; intercalating the first cations between the layers of the three-dimensional bulk material having a multilayer structure by treating the mixture with a first sonication; ion-exchanging the first cation intercalated between the layers of the three-dimensional bulk material with a second cation by incorporating a second cation precursor solution; and exfoliating the two-dimensional nanosheet by second sonic treatment of the mixture including the second cation precursor.

이하, 본원의 제 1 측면에 따른 2차원 나노시트의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a two-dimensional nanosheet according to the first aspect of the present application will be described in detail.

우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 3차원 벌크 물질 분말을 준비하고, 질소를 주입하여 질소 분위기를 형성하는 단계;를 포함한다.First, in one embodiment of the present application, preparing a three-dimensional bulk material powder, and injecting nitrogen to form a nitrogen atmosphere; includes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 벌크 물질 분말은, 전이금속 디칼코게나이드의 벌크 물질이거나, 또는 그라파이트와 같은 3차원 벌크 물질일 수 있다. 본 발명의 생성물은, 벌크 전이금속 디칼코게나이드를 단일층 내지 다층으로 박리된 층상 구조의 2차원 나노시트 물질일 수 있다. In one embodiment of the present application, the three-dimensional bulk material powder may be a bulk material of transition metal dichalcogenide, or a three-dimensional bulk material such as graphite. The product of the present invention may be a two-dimensional nanosheet material having a layered structure in which bulk transition metal dichalcogenide is peeled off in a single layer or in multiple layers.

전이금속 디칼코게나이드를 이루는 전이금속 원자와 칼코겐 원자는 공유결합 형태로 존재하며 층과 층 사이에 약한 반데르발스 힘 (Van der Walls (VdW)interaction)으로 연결되어 있어 물리적 박리 및 화학적 박리가 가능하다. The transition metal atoms and chalcogen atoms constituting the transition metal dichalcogenide exist in the form of covalent bonds and are connected by a weak Van der Walls (VdW) interaction between the layers, so that physical and chemical exfoliation can occur. It is possible.

종래에는 2차원 나노시트의 박리화는 스카치 테이프를 이용하여 물리적으로 떼어내거나 볼밀을 통한 박리, 또는 적절한 용매에서 박리과정을 진행시키는 방법 등이 있었다. 상술한 방법들은 박리 효율이 떨어지거나, 에너지 측면에서 비경제적이었기 때문에, 개선된 박리화 공정이 필요하기 때문에 본 발명에 이르게 된 것이다.Conventionally, the peeling of the two-dimensional nanosheets was physically removed using a scotch tape, peeling through a ball mill, or a method of performing a peeling process in an appropriate solvent. Since the above-described methods have poor peeling efficiency or are uneconomical in terms of energy, an improved peeling process is required, leading to the present invention.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MX2로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이며, 상기 M은 Mo, W, Nb, 및 Ti 등 전이금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나이고, 상기 X는 S, Se 및 Te으로 이루어진 군에서 선택되는 하나일 수 있으며, 바람직하게는 MoSe2, MoS2, WS2, WSe2, TiS2, TiSe2, ReS2, ZrTe2, NbSe2 중 선택되는 적어도 1종일 수 있고, 더 바람직하게는 MoS2, MoSe2, WS2 또는 NbSe2 일 수 있다.In one embodiment of the present application, the transition metal dichalcogenide may be represented by MX 2 , where M is a transition metal, X is a chalcogen element, and M is Mo, W, Nb, and Ti, etc. One selected from the group consisting of transition metals, wherein X may be one selected from the group consisting of S, Se and Te, preferably MoSe 2 , MoS 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , ReS 2 , ZrTe 2 , NbSe 2 It may be at least one selected from, more preferably MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 or NbSe 2 It may be.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 3차원 벌크 물질 분말에 제1 양이온 전구체 용액을 혼입하여 혼합하는 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, mixing and mixing the first cation precursor solution in the three-dimensional bulk material powder; includes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 양이온은 3차원 벌크물질의 층상 구조 내에 삽입될 수 있는 양이온이라면 크게 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 알칼리 금속 양이온일 수 있고, 더 바람직하게는 이온 크기가 작아 삽입하기가 용이할 수 있는 리튬 양이온(Li+)일 수 있다.In one embodiment of the present application, the first cation is not particularly limited as long as it is a cation that can be inserted into the layered structure of the three-dimensional bulk material, but may preferably be an alkali metal cation, and more preferably an ion size It may be a lithium cation (Li + ), which may be small and easy to insert.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 양이온 전구체 용액은 금속원소나 유기-알칼리 화합물일 수 있고, 바람직하게는 부틸리튬, 나트륨 나프탈레니드일 수 있고, 더 바람직하게는 n-부틸리튬일 수 있다.In one embodiment of the present application, the first cation precursor solution may be a metal element or an organo-alkali compound, preferably butyllithium, sodium naphthalenide, and more preferably n-butyllithium. have.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합물을 제1 음파(sonication) 처리하여 다층 구조의 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 제1 양이온을 삽입(intercalation)하는 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, the mixture is subjected to a first sonication treatment to intercalate the first cations between the layers of the three-dimensional bulk material having a multi-layer structure.

상술한 단계는 음파 처리를 통해 제1 양이온이 3차원 벌크 물질의 다층의 층상 구조내에 삽입(intercalation)되는 것을 촉진하기 위한 것일 수 있다.The above-described step may be for facilitating intercalation of the first cations into the multi-layered structure of the three-dimensional bulk material through sonication.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 음파 처리는 0.5 내지 10 시간, 바람직하게는 1 내지 6 시간, 더 바람직하게는 1 내지 3 시간 동안 진행되는 것일 수 있다. 상기 제1 음파 처리가 0.5 시간 미만으로 이루어질 경우, 제1 양이온이 충분하게 다층의 층상구조 내에 삽입되지 않을 수 있고, 10 시간 초과로 이루어질 경우 비경제적이거나 소재의 decomposition이 일어날 수 있다. In one embodiment of the present application, the first sound wave treatment may be performed for 0.5 to 10 hours, preferably 1 to 6 hours, more preferably 1 to 3 hours. If the first sonic treatment is made for less than 0.5 hours, the first cations may not be sufficiently inserted into the multilayered layered structure, and if it is made for more than 10 hours, it may be uneconomical or decomposition of the material may occur.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 제2 양이온 전구체 용액을 혼입하여 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 삽입된 제1 양이온을 제2 양이온으로 이온-교환하는 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, the step of ion-exchanging the first cation inserted between the layers of the three-dimensional bulk material with the second cation by incorporating a second cation precursor solution.

상기 제1 양이온이 3차원 벌크 물질에 인터칼레이션되고, 층간 간격이 증가하게 되면 층간 결합력이 약화된다. 인터칼레이션된 제1 양이온(예컨대, 알칼리 금속 양이온)을 제2 양이온으로 이온-교환하는 과정을 의미할 수 있다. 예를 들면 리튬 이온을 암모늄 이온(NH4 +)와 이온-교환하고, 이후 단계에서 증류수로 세척하면 층간의 제2 양이온(예컨대, NH4 +)이 H+로 교환되면서 쉽게 벌크 3차원 층상 물질이 단일층 내지 소수의 다중층 2차원 나노시트 물질로 박리화할 수 있게 된다.When the first cation is intercalated with the three-dimensional bulk material and the interlayer spacing is increased, the interlayer bonding force is weakened. It may refer to a process of ion-exchanging an intercalated first cation (eg, an alkali metal cation) with a second cation. For example, when lithium ions are ion-exchanged with ammonium ions (NH 4 + ) and washed with distilled water in a subsequent step, the second cations (eg, NH 4 + ) between the layers are exchanged with H+, so that the bulk three-dimensional layered material is easily formed. It is possible to exfoliate from a single layer to a small number of multilayer two-dimensional nanosheet materials.

본원의 일 구현예에 있어서, 제2 양이온은 제1 양이온보다 이온 크기가 큰 양이온이 포함될 수 있으며, 비제한적인 예시로서, 암모늄, 탄화수소로 치환된 1급 내지 3급 암모늄, 마그네슘, 아연(Zn) 및 히드로늄(H3O+)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 양이온일 수 있고, 바람직하게는 암모늄 이온일 수 있다.In one embodiment of the present application, the second cation may include a cation having an ionic size larger than that of the first cation, and as a non-limiting example, ammonium, primary to tertiary ammonium substituted with hydrocarbon, magnesium, zinc (Zn ) and hydronium (H 3 O + ) may be one kind of cation selected from the group consisting of, preferably ammonium ion.

마지막으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제2 양이온 전구체를 포함하는 혼합물을 제2 음파 처리하여 2차원 나노시트를 박리하는 단계;를 포함한다.Finally, in one embodiment of the present application, the second sonic treatment of the mixture containing the second cation precursor to peel the two-dimensional nanosheet; includes.

상술한 단계는 음파 처리를 통해 제2 양이온이 제1 양이온과 이온-교환되어 3차원 벌크 물질의 다층의 층상 구조내에 삽입(intercalation)되는 것을 촉진하기 위한 것일 수 있다.The above-described step may be to promote intercalation of the second cation with the first cation through sonic treatment in the multi-layered structure of the three-dimensional bulk material.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제2 음파 처리는 0.1 내지 5 시간, 바람직하게는 0.2 내지 4 시간, 더 바람직하게는 0.5 내지 3 시간 동안 진행되는 것일 수 있다. 상기 제2 음파 처리가 0.1 시간 미만으로 이루어질 경우, 제1 양이온이 충분하게 다층의 층상구조 내에 삽입되지 않을 수 있고, 5 시간 초과로 이루어질 경우 비경제적이거나 소재의 decomposition이 일어날 수 있다. In one embodiment of the present application, the second sound wave treatment may be performed for 0.1 to 5 hours, preferably 0.2 to 4 hours, more preferably 0.5 to 3 hours. If the second sonic treatment is made for less than 0.1 hour, the first cation may not be sufficiently inserted into the multilayered layered structure, and if it is made for more than 5 hours, it may be uneconomical or decomposition of the material may occur.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제1 또는 제2 음파 처리와 동시에 교반을 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다. 교반 과정을 동시에 진행함으로써, 제1 양이온의 3차원 층상 벌크 물질의 층간에의 삽입, 또는 제2 양이온으로의 이온-교환 및 3차원 층상 벌크 물질의 층간에의 삽입을 더욱 촉진할 수 있으며, 간단한 공정의 추가로 전체 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 상기 교반은 0.1 내지 5 시간, 바람직하게는 0.2 내지 4 시간, 더 바람직하게는 0.5 내지 3 시간 동안 진행되는 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 있어서, 교반은 제1 또는 제2 음파처리 단계 중 지속적으로 동시 수행될 수도 있지만, 복수 회에 걸쳐 수행될 수 있으며, 2차원 나노시트 소재의 박리화 이후 decomposition을 방지하는 측면에서 1회 당 0.1 내지 2 시간, 바람직하게는 1회 당 0.2 내지 1 시간 동안 진행될 수 있다. 상기 교반 과정에 필요한 장비는 당 업계에서 사용되는 것이라면 제한되지 않는다.In one embodiment of the present application, it may be characterized in that the stirring proceeds simultaneously with the first or second sound wave treatment. By simultaneously proceeding with the stirring process, the intercalation of the first cation between the layers of the three-dimensional layered bulk material, or the ion-exchange with the second cation and the intercalation of the three-dimensional layered bulk material between the layers can be further promoted, and a simple The addition of the process can shorten the overall process time. The stirring may be carried out for 0.1 to 5 hours, preferably 0.2 to 4 hours, more preferably 0.5 to 3 hours. In addition, in one embodiment of the present invention, stirring may be continuously performed simultaneously during the first or second sonication step, but may be performed multiple times, and decomposition after exfoliation of the two-dimensional nanosheet material In terms of prevention, it may be carried out for 0.1 to 2 hours per time, preferably 0.2 to 1 hour per time. Equipment required for the stirring process is not limited as long as it is used in the art.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 나노시트를 박리하는 단계에서 얻어진 용액을 소정의 필터를 통과시키고, 용매로 박리화된 2차원 나노시트 분말을 세척하는 단계; 수득된 분말을 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상술한 단계에서 3차원 층상 벌크 물질의 층간의 제2 양이온이 H+로 교환되면서 쉽게 벌크 3차원 층상 물질이 단일층 내지 소수의 다중층 2차원 나노시트 물질로 박리화할 수 있게 된다. 이후 필터(filtration)을 통해 고체 상을 여과하여 건조하여 박리된 2차원 나노시트 분말을 수득할 수 있다. 본 단계에서 사용되는 세척액의 종류는 비제한적이나, 증류수, 초순수 등이 사용될 수 있다. 또한 건조 단계에서는 건조 온도 및 시간은 2차원 나노시트 분말을 수득하기 위해 적절하게 조절될 수 있을 것이다.In one embodiment of the present application, passing the solution obtained in the step of peeling the two-dimensional nanosheet through a predetermined filter, washing the two-dimensional nanosheet powder exfoliated with a solvent; It may be characterized in that it further comprises the step of drying the obtained powder. As the second cations between the layers of the three-dimensional layered bulk material are exchanged with H+ in the above-described step, the bulk three-dimensional layered material can be easily exfoliated into a single layer or a small number of multi-layered two-dimensional nanosheet materials. Thereafter, the solid phase may be filtered through a filter and dried to obtain an exfoliated two-dimensional nanosheet powder. The type of washing solution used in this step is not limited, but distilled water, ultrapure water, etc. may be used. In addition, in the drying step, the drying temperature and time may be appropriately adjusted to obtain a two-dimensional nanosheet powder.

본원의 제 2 측면은,The second aspect of the present application is

상기 본원의 제 1 측면의 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트를 제공한다.It provides a two-dimensional nanosheet prepared according to the manufacturing method of the first aspect of the present application.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect of the present application are omitted, the contents described with respect to the first aspect of the present application may be equally applied even if the description thereof is omitted in the second aspect.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 나노시트는 1개 내지 20개, 바람직하게는 1개 내지 10개, 더 바람직하게는 1개 내지 3개의 층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본원의 제1 측면에 따른 방법에 의해 높은 효율로 박리화된 2차원 나노시트를 수득할 수 있기 때문에, 단일층의 비율이 높을 것으로 예상할 수 있을 것이다. In one embodiment of the present application, the two-dimensional nanosheet may be characterized in that it comprises 1 to 20, preferably 1 to 10, more preferably 1 to 3 layers. Since exfoliated two-dimensional nanosheets can be obtained with high efficiency by the method according to the first aspect of the present application, it can be expected that the ratio of the monolayer is high.

본원의 제 3 측면은,The third aspect of the present application is

상기 제조방법에 따라 2차원 나노시트 물질을 준비하는 단계; 상기 2차원 나노시트 물질 및 용매를 혼합하는 단계; 상기 2차원 나노시트 물질 및 용매의 혼합물을 음파 처리하는 단계; 및 분리된 혼합물의 상층액을 분리하여 2차원 나노시트 잉크 조성물을 얻는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법을 제공한다. preparing a two-dimensional nanosheet material according to the manufacturing method; mixing the two-dimensional nanosheet material and a solvent; sonicating the mixture of the two-dimensional nanosheet material and the solvent; and obtaining a two-dimensional nanosheet ink composition by separating the supernatant of the separated mixture.

본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of parts overlapping with the first and second aspects of the present application are omitted, the descriptions of the first and second aspects of the present application may be equally applied even if the description is omitted in the third aspect. .

이하, 본원의 제 3 측면에 따른 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for producing a two-dimensional nanosheet ink composition according to the third aspect of the present application will be described in detail.

도 2a는 본원의 일 실시예에 따른, 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이다.Figure 2a is a flowchart showing a method of manufacturing a two-dimensional nanosheet ink composition, according to an embodiment of the present application.

우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제조방법에 따라 2차원 나노시트 물질을 준비하는 단계 이후 상기 2차원 나노시트 물질을 및 용매를 혼합하는 단계;를 포함한다. 상기 단계에서는 본원의 제1 측면에 따라 제조된 2차원 나노시트 물질을 여과 및 세척 단계를 거친 후 생성된 2차원 나노시트 물질을 바로 이용하는 것이 바람직하고, 건조시켰던 분말을 재분산하여 사용하여도 무방할 것이다. First, in one embodiment of the present application, after preparing a two-dimensional nanosheet material according to the manufacturing method, mixing the two-dimensional nanosheet material and a solvent; includes. In the above step, it is preferable to immediately use the 2D nanosheet material produced after filtering and washing the 2D nanosheet material prepared according to the first aspect of the present application, and the dried powder may be redispersed and used. something to do.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 나노시트 물질을 분산하기 위한 용매에는 유기용매 또는 무기용매로 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 증류수, 알코올(예컨대, 에탄올) 및 이들의 조합일 수 있다. In one embodiment of the present application, the solvent for dispersing the two-dimensional nanosheet material is not particularly limited to an organic solvent or an inorganic solvent, but preferably distilled water, alcohol (eg, ethanol), and combinations thereof. .

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 나노시트 물질 및 용매의 혼합물을 음파 처리하는 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, sonic treatment of the mixture of the two-dimensional nanosheet material and the solvent; includes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음파 처리는 0.1 내지 5 시간, 바람직하게는 0.3 내지 4 시간, 더 바람직하게는 0.5 내지 3 시간 동안 진행되는 것일 수 있다. 상기 음파 처리가 0.1 시간 미만으로 이루어질 경우, 2차원 나노시트 물질이 충분히 분산되지 않을 수 있고, 5 시간 초과로 이루어질 경우 비경제적일 수 있다. In one embodiment of the present application, the sonic treatment may be performed for 0.1 to 5 hours, preferably 0.3 to 4 hours, more preferably 0.5 to 3 hours. If the sonic treatment is made for less than 0.1 hours, the two-dimensional nanosheet material may not be sufficiently dispersed, and if it is made for more than 5 hours, it may be uneconomical.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음파 처리를 진행한 후에, 현탁액을 상분리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 단계에서는, 분산되지 않은 2차원 나노시트 물질이 침전될 수 있도록 하는 것으로서, 상압/상온 공정에서 일정 시간동안 침전 분리하는 방법을 사용할 수 있다. 이 경우, 침전이 충분히 이루어질 수 있는 정도라면 기간에 한정이 없으나, 바람직하게는 1 내지 5일의 기간, 더 바람직하게는 약 3일 동안 침전 분리할 수 있다. 또한 상술한 상압/상온 공정에서의 침전 분리 외에도, 원심 분리를 이용하여 현탁액을 상분리하거나, 기타 상분리를 위한 당업계의 다양한 방법으로도 상분리할 수 있다.In one embodiment of the present application, after performing the sonication treatment, the step of phase-separating the suspension may be further included. In this step, as to allow the undispersed two-dimensional nanosheet material to be precipitated, a method of precipitation separation for a certain period of time in a normal pressure/room temperature process can be used. In this case, there is no limitation on the period as long as the precipitation can be sufficiently performed, but the precipitation separation may be performed for a period of preferably 1 to 5 days, more preferably about 3 days. In addition, in addition to the precipitation separation in the above-described normal pressure / room temperature process, the suspension may be phase-separated using centrifugation or phase-separated by various methods in the art for phase separation.

다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 분리된 혼합물의 상층액을 분리하여 2차원 나노시트 잉크 조성물을 얻는 단계;를 포함한다.Next, in one embodiment of the present application, separating the supernatant of the separated mixture to obtain a two-dimensional nanosheet ink composition; includes.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 분리는 통상의 다양한 방법에 의해 수행될 수 있으나, 바람직하게는 원심분리에 의해 진행될 수 있다.In one embodiment of the present application, the separation may be performed by various conventional methods, but preferably by centrifugation.

상기 방법에 의해 얻은 2차원 나노시트 잉크 조성물의 경우, 2차원 나노시트 물질이 분산되어 있는 상태로 장기간 응집이나 재적층 없이 유지될 수 있고, 약 1개월 이상의 시간동안에도 분산 상태를 유지할 수 있다. 이러한 특성은, 박리화된 2차원 나노시트를 장기간 보관할 수 있는 방법을 제공할 수 있다는 것을 의미하는 것이다. In the case of the two-dimensional nanosheet ink composition obtained by the above method, the two-dimensional nanosheet material can be maintained in a dispersed state without agglomeration or re-lamination for a long period of time, and the dispersed state can be maintained even for a time period of about 1 month or more. These properties mean that it is possible to provide a method for long-term storage of exfoliated two-dimensional nanosheets.

본원의 제 4 측면은,The fourth aspect of the present application is

상기 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트 잉크 조성물을 제공한다.It provides a two-dimensional nanosheet ink composition prepared according to the above manufacturing method.

본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면에 대해 설명한 내용은 제 4 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of parts overlapping with the first to third aspects of the present application are omitted, the descriptions of the first to third aspects of the present application may be equally applied even if the description is omitted in the fourth aspect. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 2차원 나노시트 및 이를 포함하는 조성물은 층상의 다공성 특성을 가지고 있으므로, 슈퍼커패시터 또는 이차전지의 전극 활물질 이외에도 물정화용 촉매, 항암제, 면역결핍 바이러스 치료제, 곰팡이 및 박테리아 감염 치료제, 말라리아 치료제, 각종 약물전달 물질, 광촉매, 센서, 항공우주 물질 등 다양한 분야에 있어서 적용이 가능한 바, 상업적으로 매우 유용한 물질로서 사용될 수 있다.In one embodiment of the present application, since the two-dimensional nanosheet and the composition including the same have a layered porous property, in addition to the electrode active material of a supercapacitor or a secondary battery, a catalyst for water purification, an anticancer agent, an immunodeficiency virus therapeutic agent, mold and bacteria As it can be applied in various fields such as an infection treatment agent, an antimalarial agent, various drug delivery materials, photocatalysts, sensors, and aerospace materials, it can be used as a commercially very useful material.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

실시예 1: 박리화된 2차원 전이금속 디칼코게나이드 나노시트 소재의 제조Example 1: Preparation of exfoliated two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheet material

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 2차원 나노시트의 제조 방법을 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically illustrates a method for manufacturing a two-dimensional nanosheet, according to an embodiment of the present invention.

사용 전이금속 디칼코게나이드 (MoS2, MoSe2 및 WS2 등) 벌크 분말 10g을 삼각 플라스크에 넣고 sealing 한 뒤 질소 치환을 10분 이상 진행하여 플라스크 내부를 질소 환경으로 만들어 주었다. 그 후 n-butyllithium 용액(2.5 M solution in hexane, Acros Organics 社)을 주사기를 통해 80 mL (전이금속 디칼코게나이드 벌크 분말 1g 당 8 mL) 넣어준 후 3시간 동안 음파 처리(소니케이션) 해주며, 상기 전이금속 디칼코게나이드 벌크 분말이 n-butyllithium용액과 반응하여 전이금속 디칼코게나이드 층간에 Li+가 골고루 잘 삽입되도록 해주었다. 음파 처리가 끝난 뒤 주사기를 통해 과포화 NH4Cl 수용액 700 mL(전이금속 디칼코게나이드 분말 1g 당 과포화 NH4Cl 수용액 70 mL)를 넣어주어 전이금속 디칼코게나이드 층간에 삽입된 Li+를 NH4 +와 이온교환하여 전이금속 디칼코게나이드 물질의 층간 결합력을 약화시켜주었다. 박리하고자 하는 전이금속 디칼코게나이드 분말의 양에 따라 필요한 시료의 양은 조절할 수 있다. 이후에 음파 처리 또는 교반을 해주어 층간 결합력이 약해진 전이금속 디칼코게나이드 물질을 박리화 시켰다. 이때 음파 처리(약 3시간)를 해주는 경우, 교반(약 12~24시간)을 해주는 경우보다 박리화 시간을 단축시키는 효과가 있었으며, 초음파 처리와 교반을 함께 진행하는 경우에 박리화 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 박리화 수율 향상이 가능하였다. 박리화가 모두 진행되고 난 후, filtration을 통하여 박리화된 전이금속 디칼코게나이드 분말을 수득하였다. 이 과정에서 증류수와 에탄올로 박리화된 전이금속 디칼코게나이드 분말을 세척해주었다. 세척이 모두 끝난 후 수득된 파우더는 80 ℃에서 12시간 이상 건조시켜 주었다.Transition metal dichalcogenide (MoS 2 , MoSe 2 and WS 2 , etc.) bulk powder 10g was put into an Erlenmeyer flask, sealed, and nitrogen replacement was performed for at least 10 minutes to create a nitrogen environment inside the flask. After that, 80 mL of n-butyllithium solution (2.5 M solution in hexane, Acros Organics) was added through a syringe (8 mL per 1 g of transition metal dichalcogenide bulk powder) and sonicated (sonicated) for 3 hours. , The transition metal dichalcogenide bulk powder reacted with n-butyllithium solution to allow Li + to be evenly inserted between the transition metal dichalcogenide layers. After sonic treatment, 700 mL of supersaturated NH 4 Cl aqueous solution (70 mL of supersaturated NH 4 Cl aqueous solution per 1 g of transition metal dichalcogenide powder) is added through a syringe to convert Li + inserted between the transition metal dichalcogenide layers to NH 4 + and ion exchange to weaken the interlayer bonding force of the transition metal dichalcogenide material. The amount of sample required can be adjusted according to the amount of transition metal dichalcogenide powder to be peeled off. Thereafter, the transition metal dichalcogenide material with weakened interlayer bonding strength was exfoliated by sonication or stirring. At this time, when sonic treatment (about 3 hours) was performed, it had the effect of shortening the peeling time compared to the case of stirring (about 12 to 24 hours). Not only could it be possible, but it was possible to improve the peeling yield. After all the exfoliation was performed, a transition metal dichalcogenide powder exfoliated through filtration was obtained. In this process, the exfoliated transition metal dichalcogenide powder was washed with distilled water and ethanol. After all washing was completed, the obtained powder was dried at 80° C. for more than 12 hours.

실시예 2: 박리화된 2차원 전이금속 디칼코게나이드 나노시트 잉크 조성물의 제조Example 2: Preparation of exfoliated two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheet ink composition

박리화된 전이금속 디칼코게나이드 2차원 나노시트의 잉크 조성물을 제조하는 방법은 도 2a에 도시된 바와 같다. A method for preparing the ink composition of the exfoliated transition metal dichalcogenide two-dimensional nanosheet is as shown in FIG. 2A .

박리된 2차원 나노시트 물질을 감압여과 및 세척 후 건조 과정을 없이 vial병에 담았다. 후에 증류수, 에탄올을 채운 후 1시간 동안 음파 처리를 해주었다. 3일 동안 분산되지 않은 파우더가 침전될 수 있도록 침전 분리 후 상층액을 다른 용기에 옮겨 담아주었다. 제조한 박리된 전이금속 디칼코게나이드 잉크의 실시예는 도 2b와 같다.The exfoliated two-dimensional nanosheet material was placed in a vial without a drying process after filtration and washing under reduced pressure. Then, it was filled with distilled water and ethanol and sonicated for 1 hour. After separation of the precipitation so that the powder not dispersed for 3 days can be precipitated, the supernatant was transferred to another container. An example of the prepared exfoliated transition metal dichalcogenide ink is shown in FIG. 2B.

도 2b를 참조하면, 상층액만을 분리한 2차원 나노시트의 잉크 조성물은 2차원 나노시트 물질들의 재적층(restacking)이나 응집없이 장기간 보관이 가능한 것을 확인할 수 있다. 실제로, 1개월 이상의 기간에도 불구하고, 분산된 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 위와 같은 결과는, Scale-up 생산된 2차원 나노시트 소재를 활용 분야에 따라, 장기간 보관할 수 있는 가능성을 시사하는 것으로 해석된다.Referring to FIG. 2B , it can be confirmed that the ink composition of the two-dimensional nanosheet obtained by separating only the supernatant can be stored for a long time without restacking or agglomeration of the two-dimensional nanosheet materials. In fact, it could be confirmed that the dispersed state was maintained despite the period of more than one month. The above results are interpreted as suggesting the possibility of long-term storage of the scale-up produced 2D nanosheet material depending on the field of application.

실시예 3-1: 박리화된 2차원 전이금속 디칼코게나이드 나노시트 소재의 특성 분석Example 3-1: Characterization of exfoliated two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheet material

박리화 2차원 전이금속 디칼코게나이드 나노시트 소재 분석은 X-ray diffraction(XRD, 실시예 3-1), 및 실시예 3-2의 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하였다. Analysis of the exfoliated two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheet material was performed using X-ray diffraction (XRD, Example 3-1), and a scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) of Example 3-2 did.

벌크 MoS2 와 박리화 된 MoS2 시료를 Al2O3 표준시료와 무게비 1:1로 혼합하여 X-ray diffraction(XRD) 데이터를 측정하고 Rietveld 분석을 수행하였다. Rietveld 분석결과 박리화 전, 후 시료 모두 육방정계 MoS2와 표준시료 Al2O3 이외에 다른 피크들은 관찰되지 않았으며, 박리화 이후에 MoS2 피크의 세기가 낮아지고 반치폭(FWHM, Full width half maximum)이 증가함을 확인하였다. MoS2와 Al2O3의 X-선 회절 데이터의 피크 중 가장 세기가 높은 MoS2 (002) 피크 및 Al2O3 (104) 피크의 비율의 변화로부터 박리화도를 측정하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, MoS2 (002) 피크는 "#"기호를 이용하여 표시하고, Al2O3 (104) 피크는 "*"기호를 이용하여 나타내었다. MoS2 박리화 이전의 MoS2 (002) 피크대비 Al2O3 (104) 피크 세기비율은 9.05이고, MoS2 박리화 이후는 1.25 였다. 이러한 피크 비율로부터 MoS2 벌크원료 대비 박리화도는 1-(1.25/9.05)= 86.2%였다. 박리화 과정에서 계산되는 시료의 수득률을 곱하면 MoS2 시료의 박리화 수율을 계산할 수 있다. Bulk MoS 2 and exfoliated MoS 2 samples were mixed with Al 2 O 3 standard samples at a weight ratio of 1:1 to measure X-ray diffraction (XRD) data, and Rietveld analysis was performed. As a result of Rietveld analysis, no other peaks were observed other than hexagonal MoS 2 and standard sample Al 2 O 3 in both samples before and after exfoliation, and the intensity of the MoS 2 peak decreased after exfoliation and full width half maximum (FWHM). ) was confirmed to increase. MoS 2 and Al 2 O 3 The degree of exfoliation was measured from the change in the ratio of the MoS 2 (002) peak and Al 2 O 3 (104) peak, which have the highest intensity among the peaks of the X-ray diffraction data. As shown in FIG. 3 , the MoS 2 (002) peak is indicated by using a “#” symbol, and the Al 2 O 3 (104) peak is indicated by using a “*” symbol. MoS 2 MoS 2 (002) peak to Al 2 O 3 (104) peak intensity ratio before exfoliation was 9.05, and MoS 2 after exfoliation was 1.25. From this peak ratio, the degree of exfoliation compared to MoS 2 bulk raw material was 1-(1.25/9.05)=86.2%. By multiplying the yield of the sample calculated in the delamination process, the delamination yield of the MoS 2 sample can be calculated.

MoSe2 시료의 경우에도 MoS2와 동일하게 Al2O3와 혼합 후 X-선 회절결과를 측정하고 이를 Rietveld 분석하였다. MoSe2는 MoS2와 동일한 결정 구조를 가지고 있고 따라서 MoS2와 같은 방법으로 박리화도를 분석하였다. 도 4에서 보듯이 MoSe2 (002) 피크는 "#" 기호를 이용하여 표시하고, Al2O3 (104) 피크는 "*"기호를 이용하여 나타내었다. MoSe2와 Al2O3의 X-선 회절 데이터 피크 중 가장 세기가 높은 MoSe2 (002) 피크 및 Al2O3 (104) 피크의 비율의 변화로부터 박리화도를 측정하였다. MoSe2 박리화 이전의 MoSe2 (002) 피크대비 Al2O3 (104) 피크 피크비율은 15.57이고, MoSe2 박리화 이후는 1.57 였다. 이러한 비율로부터 MoSe2 벌크원료 대비 박리화도는 1-(1.57/15.57)= 89.9%임을 확인할 수 있었다. 박리화 과정에서 계산되는 시료의 수득률을 곱하면 MoSe2 시료의 박리화 수율을 계산할 수 있다. 분석 결과, 본 발명의 박리화된 MoS2 및 MoSe2 소재의 경우 85% 이상의 박리화도를 보임을 확인할 수 있었다.In the case of MoSe 2 sample, after mixing with Al 2 O 3 in the same manner as MoS 2 , X-ray diffraction results were measured and Rietveld analysis was performed. MoSe 2 has the same crystal structure as MoS 2 , so the degree of exfoliation was analyzed in the same way as MoS 2 . As shown in FIG. 4 , the MoSe 2 (002) peak is indicated by a “#” symbol, and the Al 2 O 3 (104) peak is indicated by a “*” symbol. The degree of exfoliation was measured from changes in the ratio of MoSe 2 (002) peak and Al 2 O 3 (104) peak, which have the highest intensity among the X-ray diffraction data peaks of MoSe 2 and Al 2 O 3 . The ratio of the Al 2 O 3 (104) peak to the MoSe 2 (002) peak before MoSe 2 exfoliation was 15.57, and 1.57 after MoSe 2 exfoliation. From this ratio, it was confirmed that the degree of exfoliation compared to the bulk raw material of MoSe 2 was 1-(1.57/15.57)=89.9%. By multiplying the yield of the sample calculated in the exfoliation process, the exfoliation yield of the MoSe 2 sample can be calculated. As a result of the analysis, it was confirmed that the exfoliated MoS 2 and MoSe 2 materials of the present invention exhibited a degree of exfoliation of 85% or more.

실시예 3-2: 벌크/박리화된 2차원 전이금속 디칼코게나이드 나노시트 소재의 SEM, TEM 분석Example 3-2: SEM, TEM analysis of bulk/exfoliated two-dimensional transition metal dichalcogenide nanosheet material

박리화 전후 소재에 대한 이미지는 벌크 MoS2 파우더는 주사전자현미경(SEM)을, 박리화된 MoS2는 투과전자현미경(TEM)을 이용해 각각 분석을 진행하였다. 도 5a에 도시된 벌크 MoS2에 비하여, 도 5b에 도시된 박리화된 MoS2의 경우에 얇은 층으로 박리화가 잘 된 것을 확인할 수 있었다. 또한, high-resolution TEM (HR-TEM) 측정 시, 결정성을 잘 유지하고 있고, FFT 분석을 통해 육방정계 MoS2 구조와 잘 매칭되는 것을 확인할 수 있었다.The images of the material before and after exfoliation were analyzed using a scanning electron microscope (SEM) for bulk MoS 2 powder and a transmission electron microscope (TEM) for exfoliated MoS 2 , respectively. Compared to the bulk MoS 2 shown in Fig. 5a, in the case of the exfoliated MoS 2 shown in Fig. 5b, it was confirmed that the exfoliation was good with a thin layer. In addition, it was confirmed that the crystallinity was well maintained during high-resolution TEM (HR-TEM) measurement and matched well with the hexagonal MoS 2 structure through FFT analysis.

본 발명의 실시예와 동일한 방식으로 제조된 MoSe2, WS2에 대해서도 마찬가지로 박리와 분석이 진행되었고 그 내용은 다음과 같다. 도 6은 MoSe2 박리 전 SEM 이미지로 각각 3000배, 10000배 이미지이다. 이를 통해 다양한 크기의 나노 시트들이 뭉쳐져 있는 것을 확인할 수 있다.MoSe 2 , WS 2 prepared in the same manner as in the embodiment of the present invention was similarly exfoliated and analyzed, and the contents are as follows. 6 is an SEM image before MoSe 2 exfoliation, which is 3000 times and 10000 times images, respectively. Through this, it can be confirmed that nanosheets of various sizes are agglomerated.

이에 반해 도 7에 도시된 바와 같이, 박리 후 TEM 사진을 보면 얇은 층의 MoSe2로 박리화 된 것을 확인할 수 있었으며, HR-TEM 사진을 통해 박리화된 MoSe2가 결정성을 잘 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 FFT 패턴 분석을 통하여 MoSe2 구조와 잘 매칭하는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 본 발명의 박리화 공정이 MoS2 뿐 아니라 MoSe2 등과 같은 다른 전이금속 디칼코게나이드 소재에도 잘 적용될 수 있음을 확인하였다.On the other hand, as shown in FIG. 7 , when looking at the TEM photograph after exfoliation, it was confirmed that the thin layer of MoSe 2 was exfoliated . could check In addition, through FFT pattern analysis, it was found that the structure matched well with the MoSe 2 structure. Through this, it was confirmed that the exfoliation process of the present invention can be well applied not only to MoS 2 but also to other transition metal dichalcogenide materials such as MoSe 2 .

도 8에 도시된 바와 같이 WS2 박리 전 SEM 사진 또한 박리 전에는 많은 나노시트들이 뭉쳐져 있음을 확인할 수 있었으나, 박리 후 TEM 사진(도 9)을 보면 박리된 WS2나노시트를 확인할 수 있었다. 박리화된 WS2의 경우에도, HR-TEM을 통하여 결정성을 잘 유지하고 있으며, FFT 패턴 분석을 통하여 WS2 구조와 잘 매칭하는 것을 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 8, the SEM photograph before WS 2 peeling also confirmed that many nanosheets were agglomerated before peeling, but looking at the TEM photograph after peeling (FIG. 9), the peeled WS 2 nanosheets could be confirmed. Even in the case of exfoliated WS 2 , it was confirmed that the crystallinity was well maintained through HR-TEM and matched well with the WS 2 structure through FFT pattern analysis.

위와 같은 결과들을 통해, 본 발명의 2차원 나노시트 제조방법의 경우, 다양한 전이금속 디칼코게나이드 물질(이외에, 그래핀을 비롯한 2차원 나노시트 소재도 포함)에서 높은 효율로 활용될 수 있음을 확인하였다.Through the above results, it was confirmed that in the case of the two-dimensional nanosheet manufacturing method of the present invention, it can be utilized with high efficiency in various transition metal dichalcogenide materials (in addition, two-dimensional nanosheet materials including graphene) did.

실시예 4-1: 양이온 삽입과정의 음파 처리 여부에 따른 박리화 효율 분석Example 4-1: Analysis of exfoliation efficiency according to the presence or absence of sonication in the cation insertion process

본 실험예는 n-BuLi 첨가 후 초음파를 이용해 분산시켜주었을 때, 즉 제1 음파 처리가 박리화 효율에 미치는 효과를 입증하기 위해서 진행되었다. 실험 진행을 위해, n-BuLi 첨가 후 음파 처리를 하지 않고 이후 과정은 동일하게 진행된 샘플을 비교예로 사용하였다. 도 10에 XRD 피크를 나타내었다.This experimental example was conducted to demonstrate the effect of the first sonic treatment on the exfoliation efficiency when n-BuLi was added and then dispersed using ultrasonic waves. To proceed with the experiment, a sample in which sonic treatment was not performed after addition of n-BuLi and the subsequent procedure was the same was used as a comparative example. The XRD peak is shown in FIG. 10 .

비교예의 경우 interlayer 방향인 (002) 피크가 벌크 물질에 비해서 broad 해지기는 했으나 1차 초음파 처리가 진행된 실시예에 비해 여전히 피크 강도(peak intensity)가 높은 것을 확인할 수 있었다. 정확한 수치로는 벌크 샘플은 (002):(100) = 5.19:1, 1차 초음파 처리를 하지 않은 샘플은 3.95:1, 초음파 처리를 한 샘플은 1.28:1로 (002)의 강도가 매우 줄어든 것을 확인할 수 있었다. In the case of the comparative example, although the (002) peak in the interlayer direction became broad compared to the bulk material, it was confirmed that the peak intensity was still higher than that of the example in which the first ultrasonic treatment was performed. The exact values are (002):(100) = 5.19:1 for the bulk sample, 3.95:1 for the sample without primary sonication, and 1.28:1 for the sample with sonication, where the intensity of (002) is greatly reduced. could confirm that

또한 박리 정도가 높을수록(박리 효율이 좋을수록) 층간 간격이 넓어져 피크 위치(peak position)이 down-shift되는데, 벌크 물질의 경우 (002)의 피크 위치가 2theta = 14.36 (d = 0.6286 nm), 1차 음파 처리를 하지 않은 샘플은 2 theta=14.08 (d = 0.6283 nm), 음파 처리를 한 샘플의 경우 2 theta = 13.87 (d = 0.6375 nm) 로 peak shifting이 일어난 것을 확인할 수 있었고 이를 d-spacing으로 환산하면 음파 처리를 한 sample과 처리를 하지 않은 샘플은 약 0.0092nm의 차이를 보임을 알 수 있었다. 따라서 본 발명의 제1 음파 처리는 박리화 효율을 우수하게 만드는 필수적인 공정임을 확인할 수 있었다.In addition, the higher the degree of peeling (the better the peeling efficiency), the wider the interlayer spacing and the peak position is down-shifted. , it was confirmed that the peak shifting occurred with 2 theta = 14.08 (d = 0.6283 nm) for the sample that was not subjected to the primary sonication treatment, and 2 theta = 13.87 (d = 0.6375 nm) for the sample that was subjected to the sonication treatment. In terms of spacing, it was found that the sample with sonic treatment and the sample without treatment showed a difference of about 0.0092 nm. Therefore, it could be confirmed that the first sonic treatment of the present invention is an essential process for excellent exfoliation efficiency.

실시예 4-2: 이온-교환 과정에서 음파 처리 외에, 교반 여부에 따른 박리화 효율 분석Example 4-2: Analysis of peeling efficiency according to whether stirring, in addition to sonication in the ion-exchange process

본 실험예는 암모늄 이온으로 이온-교환 후 제2 음파 처리를 통해 분산시켜 주었을 때 교반을 동시에 더 진행할 경우 박리화 효율이 향상되는지 여부를 확인하기 위해 진행되었다. 실험 진행을 위해, 제2 음파 처리만을 포함한 샘플, 제2 음파 처리와 동시에 교반을 함께 진행한 샘플, 및 벌크 물질 샘플을 사용하였다. 도 11에 XRD 피크를 나타내었다.This experimental example was conducted to confirm whether the exfoliation efficiency was improved when the stirring was further carried out at the same time when the dispersion was carried out through the second sonic treatment after ion-exchange with ammonium ions. For the experiment, a sample including only the second sonication treatment, a sample in which agitation was performed simultaneously with the second sonication treatment, and a bulk material sample were used. 11 shows the XRD peak.

박리화 정도가 높을수록 inter-layer 방면인 (002)의 피크 강도가 낮아지고 broad 해지는 경향이 있다. 도 11을 참조하면, NH4Cl 주입 시 음파 처리만 한 것과 교반과 음파처리를 함께 해 준 결과를 비교해 때 후자가 더 박리가 잘 일어난 것을 관찰할 수 있으며 (002):(100)의 상대적 피크 강도가 벌크 샘플은 (002):(100)= 5.19:1, 음파 처리만 진행한 경우 2.51:1, 교반과 음파처리를 함께 진행한 경우 1.28:1로 강도가 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. As the degree of delamination increases, the peak intensity of (002) in the inter-layer direction tends to be lower and broad. Referring to FIG. 11 , when comparing the results of sonic treatment alone and stirring and sonication at the time of NH 4 Cl injection, it can be observed that the latter exfoliation occurs better, and the relative peaks of (002): (100) The strength of the bulk sample was (002):(100)= 5.19:1, when only sonic treatment was performed, 2.51:1, and when stirring and sonic treatment were performed together, it was confirmed that the strength was significantly reduced to 1.28:1.

또한 박리 정도가 높을수록 층간 간격이 넓어져 피크 위치가 낮아지는데 벌크 물질의 경우 (002)의 피크 위치가 2theta=14.36 (d = 0.6286 nm), 음파 처리만 진행한 경우 (002) 피크가 2theta=13.94 (d = 0.6345 nm)에서 나타났으며 교반과 음파처리를 함께 진행한 경우 2theta=13.87 (d = 0.6375 nm) 로 미세하지만 peak shifting이 일어난 것을 확인할 수 있었고 1차 음파처리 후 d-spacing은 약 0.003nm정도의 차이를 보임을 확인할 수 있다.In addition, the higher the degree of delamination, the wider the interlayer spacing and the lower the peak position. In the case of bulk material, (002) peak position was 2theta=14.36 (d = 0.6286 nm), and when only sonication was performed, (002) peak was 2theta= 13.94 (d = 0.6345 nm), and when stirring and sonication were performed together, it was confirmed that a fine but peak shifting occurred as 2theta=13.87 (d = 0.6375 nm), and d-spacing after the first sonication was about It can be seen that there is a difference of about 0.003 nm.

따라서 본 발명의 제2 음파 처리 과정에서 교반을 동시에 진행할 경우 박리화 효율을 더 개선할 수 있는 것임을 확인할 수 있었다.Therefore, it was confirmed that the peeling efficiency can be further improved when stirring is performed simultaneously in the second sonic treatment process of the present invention.

Claims (13)

2차원 나노시트의 제조방법으로서,
3차원 벌크 물질 분말을 준비하고, 질소를 주입하여 질소 분위기를 형성하는 단계;
상기 3차원 벌크 물질 분말에 제1 양이온 전구체 용액을 혼입하여 혼합하는 단계;
상기 혼합물을 제1 음파(sonication) 처리하여 다층 구조의 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 제1 양이온을 삽입(intercalation)하는 단계;
제2 양이온 전구체 용액을 혼입하여 상기 3차원 벌크 물질의 층간에 삽입된 제1 양이온을 제2 양이온으로 이온-교환하는 단계;
상기 제2 양이온 전구체를 포함하는 혼합물을 제2 음파 처리하여 2차원 나노시트를 박리하는 단계;
상기 2차원 나노시트를 박리하는 단계에서 얻어진 용액을 소정의 필터를 통과시키고, 용매로 박리화된 2차원 나노시트 분말을 세척하는 단계; 및
수득된 분말을 건조하는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
As a method of manufacturing a two-dimensional nanosheet,
preparing a three-dimensional bulk material powder, and injecting nitrogen to form a nitrogen atmosphere;
mixing a first cation precursor solution into the three-dimensional bulk material powder;
intercalating the first cations between the layers of the three-dimensional bulk material having a multilayer structure by treating the mixture with a first sonication;
ion-exchanging the first cation intercalated between the layers of the three-dimensional bulk material with a second cation by incorporating a second cation precursor solution;
exfoliating the two-dimensional nanosheet by subjecting the mixture including the second cation precursor to a second sonic treatment;
passing the solution obtained in the step of peeling the two-dimensional nanosheet through a predetermined filter, and washing the peeled two-dimensional nanosheet powder with a solvent; and
Drying the obtained powder; comprising, a method for producing a two-dimensional nanosheet.
제1항에 있어서, 상기 2차원 나노시트는 전이금속 디칼코게나이드, 또는 그래핀인 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the two-dimensional nanosheet is a transition metal dichalcogenide, or graphene.
제1항에 있어서, 상기 2차원 나노시트는 MoSe2, MoS2, WS2, WSe2, TiS2, TiSe2, ReS2, ZrTe2, NbSe2 중 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
According to claim 1, wherein the two-dimensional nanosheet MoSe 2 , MoS 2 , WS 2 , WSe 2 , TiS 2 , TiSe 2 , ReS 2 , ZrTe 2 , NbSe 2 Characterized in that at least one selected from 2, 2 Method for manufacturing dimensional nanosheets.
제1항에 있어서, 상기 제1 양이온은 알칼리 금속 양이온인 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the first cation is an alkali metal cation.
제1항에 있어서, 상기 제2 양이온은 암모늄, 탄화수소로 치환된 1급 내지 3급 암모늄, 마그네슘, 아연(Zn) 및 히드로늄(H3O+)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 양이온인 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
According to claim 1, wherein the second cation is ammonium, a hydrocarbon-substituted primary to tertiary ammonium, magnesium, zinc (Zn), and hydronium (H 3 O + ) One kind of cation selected from the group consisting of A method of manufacturing a two-dimensional nanosheet, characterized in that.
제1항에 있어서, 상기 제1 음파 처리는 0.5 내지 10시간, 제2 음파 처리는 0.1 내지 5시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the first sonic treatment is performed for 0.5 to 10 hours, and the second sonic treatment is performed for 0.1 to 5 hours.
제1항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 음파 처리와 동시에 교반을 진행하는 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
According to claim 1, characterized in that the stirring proceeds at the same time as the first or second sonic treatment, the two-dimensional nanosheet manufacturing method.
◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 8 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제7항에 있어서, 상기 교반은 제1 또는 제2 음파 처리 중 복수 회에 걸쳐 수행되고, 1회 당 0.1 내지 2시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
The method of claim 7 , wherein the stirring is performed multiple times during the first or second sonication treatment, and is performed for 0.1 to 2 hours per one time.
삭제delete ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈◈Claim 10 was abandoned when paying the registration fee.◈ 제1항에 있어서, 상기 2차원 나노시트는 1개 내지 10개의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 2차원 나노시트의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the two-dimensional nanosheet comprises 1 to 10 layers.
제1항에 따른 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트.
A two-dimensional nanosheet manufactured according to the manufacturing method according to claim 1 .
제1항에 따른 제조방법에 따라 2차원 나노시트 물질을 준비하는 단계;
상기 2차원 나노시트 물질 및 용매를 혼합하는 단계;
상기 2차원 나노시트 물질 및 용매의 혼합물을 음파 처리하는 단계; 및
분리된 혼합물의 상층액을 분리하여 2차원 나노시트 잉크 조성물을 얻는 단계;를 포함하는, 2차원 나노시트 잉크 조성물의 제조방법.
Preparing a two-dimensional nanosheet material according to the manufacturing method according to claim 1;
mixing the two-dimensional nanosheet material and a solvent;
sonicating the mixture of the two-dimensional nanosheet material and the solvent; and
Separating the supernatant of the separated mixture to obtain a two-dimensional nanosheet ink composition; comprising, a method for producing a two-dimensional nanosheet ink composition.
제12항에 따른 제조방법에 따라 제조된 2차원 나노시트 잉크 조성물.
A two-dimensional nanosheet ink composition prepared according to the method according to claim 12 .
KR1020200149688A 2020-11-10 2020-11-10 2d nanosheet and method for manufacturing thereof KR102453099B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200149688A KR102453099B1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 2d nanosheet and method for manufacturing thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200149688A KR102453099B1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 2d nanosheet and method for manufacturing thereof

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20220063624A KR20220063624A (en) 2022-05-17
KR102453099B1 true KR102453099B1 (en) 2022-10-11
KR102453099B9 KR102453099B9 (en) 2022-12-27

Family

ID=81803488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200149688A KR102453099B1 (en) 2020-11-10 2020-11-10 2d nanosheet and method for manufacturing thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102453099B1 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201401721D0 (en) * 2014-01-31 2014-03-19 Univ Manchester Ink formulation
KR102189302B1 (en) * 2019-01-29 2020-12-09 이화여자대학교 산학협력단 Method of producing transition metal oxide nanosheet, photocatalyst hybridized with the nanosheet, and electrode material including nanohybrid of the nanosheet with layered double hydroxide

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. PHYS. CHEM. C(2013.12.23)*
NANO LETT.(2015.08.19)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR102453099B9 (en) 2022-12-27
KR20220063624A (en) 2022-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yun et al. Layered transition metal dichalcogenide‐based nanomaterials for electrochemical energy storage
Xiong et al. Genuine unilamellar metal oxide nanosheets confined in a superlattice-like structure for superior energy storage
Qiu et al. Current progress in black phosphorus materials and their applications in electrochemical energy storage
Ejigu et al. A simple electrochemical route to metallic phase trilayer MoS 2: evaluation as electrocatalysts and supercapacitors
US11411218B2 (en) Two-dimensional, ordered, double transition metals carbides having a nominal unit cell composition M′2M″NXN+1
Beladi-Mousavi et al. 2D-Pnictogens: alloy-based anode battery materials with ultrahigh cycling stability
Shi et al. Recent advances in inorganic 2D materials and their applications in lithium and sodium batteries
KR102403358B1 (en) Chemical-free production of graphene-encapsulated electrode active material particles for battery use
Xu et al. Graphene-based electrodes for electrochemical energy storage
Hu et al. Nanostructured Mo-based electrode materials for electrochemical energy storage
Yan et al. Graphene homogeneously anchored with Ni (OH) 2 nanoparticles as advanced supercapacitor electrodes
Xiao et al. Recent developments of two-dimensional anode materials and their composites in lithium-ion batteries
US20140170483A1 (en) Method for the preparation of graphene/silicon multilayer structured anodes for lithium ion batteries
KR101658351B1 (en) Super capacitor electrode material and preparing method thereof
Song et al. Bottom-up approach design, band structure, and lithium storage properties of atomically thin γ-FeOOH nanosheets
Gangaja et al. Surface-engineered Li 4 Ti 5 O 12 nanostructures for high-power Li-ion batteries
WO2016138385A1 (en) Two-dimensional nanosheets and methods of making and use thereof
Palumbo et al. Silicon few-layer graphene nanocomposite as high-capacity and high-rate anode in lithium-ion batteries
Folorunso et al. Recent progress on 2D metal carbide/nitride (MXene) nanocomposites for lithium-based batteries
Yan et al. Salt powder assisted synthesis of nanostructured materials and their electrochemical applications in energy storage devices
Iqbal et al. Synergistically engineered 2D MXenes for metal-ion/Li–S batteries: Progress and outlook
Zhang et al. Layered Materials in the Magnesium Ion Batteries: Development History, Materials Structure, and Energy Storage Mechanism
KR102453099B1 (en) 2d nanosheet and method for manufacturing thereof
Xu et al. Synthesis and electrochemical sodium-storage of few-layered MoS2/nitrogen, phosphorus-codoped graphene
JP7465524B2 (en) Anode electrode material, its manufacturing method, and lithium-ion secondary battery using the same

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]