KR20210036087A - The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same - Google Patents

The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same Download PDF

Info

Publication number
KR20210036087A
KR20210036087A KR1020190118089A KR20190118089A KR20210036087A KR 20210036087 A KR20210036087 A KR 20210036087A KR 1020190118089 A KR1020190118089 A KR 1020190118089A KR 20190118089 A KR20190118089 A KR 20190118089A KR 20210036087 A KR20210036087 A KR 20210036087A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
transition metal
nanoribbon
dichalcogenide
catalyst
mos
Prior art date
Application number
KR1020190118089A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102309121B1 (en
Inventor
김상욱
수치스라
윤태영
Original Assignee
한국과학기술원
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 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190118089A priority Critical patent/KR102309121B1/en
Publication of KR20210036087A publication Critical patent/KR20210036087A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102309121B1 publication Critical patent/KR102309121B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/02Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/02Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
    • B01J27/04Sulfides
    • B01J27/047Sulfides with chromium, molybdenum, tungsten or polonium
    • B01J27/051Molybdenum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/02Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
    • B01J27/057Selenium or tellurium; Compounds thereof
    • B01J27/0573Selenium; Compounds thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J27/00Catalysts comprising the elements or compounds of halogens, sulfur, selenium, tellurium, phosphorus or nitrogen; Catalysts comprising carbon compounds
    • B01J27/02Sulfur, selenium or tellurium; Compounds thereof
    • B01J27/057Selenium or tellurium; Compounds thereof
    • B01J27/0576Tellurium; Compounds thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/02
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/34Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
    • B01J37/341Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation
    • B01J37/343Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of electric or magnetic fields, wave energy or particle radiation of ultrasonic wave energy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • 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
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

The present invention relates to: a catalyst comprising a 1T'-phase monolayer transition metal dichalcogenide nanoribbon; and a method for manufacturing a nanoribbon, comprising a step of manufacturing a 1T'-phase transition metal dichalcogenide nanoribbon by bringing a 1T'-phase transition metal dichalcogenide nanosheet into contact with reactive ions.

Description

전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 포함하는 촉매 및 이의 제조방법{The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same}The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same}

본 발명은 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 포함하는 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 귀금속 백금 촉매에 준하는 우수한 촉매 활성을 가지는 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 포함하는 촉매 및 이의 제조방법 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst comprising a transition metal-dichalcogenide nanoribbon and a method for preparing the same, and in detail, a catalyst comprising a transition metal-dichalcogenide nanoribbon having excellent catalytic activity comparable to that of a noble metal platinum catalyst And a manufacturing method thereof.

종래의 수소발생반응(Hydrogen Evolution Reaction, 이하 HER)에 사용되는 백금(Pt)과 같은 귀금속 촉매는 산성 용액에서 용해되지 않으며 높은 촉매 활성을 보이는 장점이 있으나 매장량이 한정적이며, 고가의 귀금속이라 가격 대비 수소 양산에 어려움이 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여, 전이금속-다이칼코겐화물을 이용한 비귀금속 촉매들에 대한 연구가 지속적으로 보고되고 있다. 이러한 전이금속-다이칼코겐화물이 우수한 HER 촉매 활성을 가지기 위해서는 수소 발생 반응의 활성점(active site)이 많아야 함에 따라 bulk 상태일 때 보다 수 개의 층으로 구성된 나노구조로 되어있을 때 보다 많은 활성점이 노출되어 높은 HER 촉매 활성을 가지는 것으로 알려져 있다. 이와 관련하여, 한국 등록특허 제10-1866865호는 화학적 리튬 삽입(Li intercalation)을 이용하여 벌크 전이금속-다이칼코겐화물이 박리된 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트를 제공하고 있으나, 여전히 백금 촉매 대비 낮은 HER 촉매 활성을 보이는 단점이 있다.Noble metal catalysts such as platinum (Pt) used in conventional hydrogen evolution reactions (HER) are not soluble in acidic solutions and have the advantage of showing high catalytic activity, but their reserves are limited and they are expensive because they are expensive. Difficulty in mass production of hydrogen. In order to solve this problem, studies on non-precious metal catalysts using transition metal-dichalcogenide have been continuously reported. In order for these transition metal-dichalcogenides to have excellent HER catalytic activity, the active sites of hydrogen generation reactions must be large. Therefore, there are more active sites in the case of a nanostructure composed of several layers than in the bulk state. It is known to have high HER catalytic activity when exposed. In this regard, Korean Patent Registration No. 10-1866865 provides a transition metal-dichalcogenide nanosheet from which a bulk transition metal-dichalcogenide is peeled by using a chemical lithium intercalation (Li intercalation). There is a disadvantage of showing lower HER catalytic activity compared to the catalyst.

한국 등록특허 제10-1866865호Korean Patent Registration No. 10-1866865

본 발명의 목적은 잘 규정된 형상을 가지며 향상된 반응성을 갖는 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 포함하는 촉매를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a catalyst comprising a transition metal-dichalcogenide nanoribbon having a well-defined shape and improved reactivity.

본 발명의 다른 목적은 향상된 촉매 활성을 갖는 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 포함하는 촉매를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a catalyst comprising a transition metal-dichalcogenide nanoribbon having improved catalytic activity.

본 발명의 다른 목적은 완화된 조건에서 단순한 공정으로 투입된 원료 대부분을 나노리본화할 수 있는, 상업화에 유리한 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a transition metal-dichalcogenide nanoribbon, which is advantageous for commercialization, capable of nanoribbonizing most of the raw materials introduced in a simple process under relaxed conditions.

본 발명의 다른 목적은 잘 규정된 형상을 가지며 향상된 반응성을 갖는 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a transition metal-dichalcogenide nanoribbon having a well-defined shape and improved reactivity.

본 발명에 따른 나노리본은 왜곡된 1T 상(distorted 1T, 1T’)의 단층 전이금속-다이칼코겐화물(monolayer transition metal dichalcogenide) 나노리본을 포함하는 촉매이다.The nanoribbon according to the present invention is a catalyst including a distorted 1T, 1T' monolayer transition metal dichalcogenide nanoribbon.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본을 포함하는 촉매는 라만 스펙트럼상 E1 2g 피크가 나타나지 않거나 A1g 피크의 강도를 기준(1)으로 0.1 이하의 강도를 가질 수 있다.The catalyst including nanoribbons according to an embodiment of the present invention may have an intensity of 0.1 or less based on the intensity of the A 1g peak or no E 1 2g peak in the Raman spectrum.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본을 포함하는 촉매에 있어, 나노리본의 에지(edge) 밀도는 1015 개/cm2 이상일 수 있다.In the catalyst including nanoribbons according to an embodiment of the present invention, the edge density of the nanoribbons may be 10 15 pieces/cm 2 or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본을 포함하는 촉매는 평균 폭이 20 내지 50nm이며, 평균 길이가 100 내지 800nm인 띠 형상일 수 있다.The catalyst including nanoribbons according to an embodiment of the present invention may have an average width of 20 to 50 nm, and may have a strip shape having an average length of 100 to 800 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본을 포함하는 촉매에 있어, 전이금속-다이칼코겐화물의 전이금속은 VIB족 전이금속일 수 있다.In the catalyst including a nanoribbon according to an embodiment of the present invention, the transition metal of the transition metal-dichalcogenide may be a group VIB transition metal.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본을 포함하는 촉매에 있어, 전이금속-다이칼코겐화물의 칼코겐은 S, Se 및 Te에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the catalyst including a nanoribbon according to an embodiment of the present invention, the chalcogen of the transition metal-dichalcogenide may be selected from one or two or more of S, Se, and Te.

본 발명은 상술한 나노리본을 포함하는 촉매를 포함하는 수소발생반응(HER; Hydrogen Evolution Reaction) 촉매를 포함한다.The present invention includes a hydrogen evolution reaction (HER) catalyst including a catalyst including the above-described nanoribbons.

본 발명은 상술한 나노리본을 포함하는 촉매를 포함하는 촉매 지지체를 포함한다.The present invention includes a catalyst support including a catalyst including the nanoribbons described above.

본 발명은 상술한 나노리본을 포함하는 촉매를 이용한 전기화학적 수소 발생방법을 포함한다.The present invention includes a method for generating electrochemical hydrogen using a catalyst including the nanoribbons described above.

본 발명은 왜곡된 1T 상(distorted 1T, 1T’)의 단층 전이금속-다이칼코겐화물(monolayer transition metal dichalcogenide) 나노리본을 포함한다.The present invention includes a distorted 1T (1T') monolayer transition metal dichalcogenide nanoribbon.

본 발명은 상술한 나노리본의 제조방법을 포함한다.The present invention includes the method for manufacturing the above-described nanoribbon.

본 발명에 따른 나노리본의 제조방법은 왜곡된 1T 상(distorted 1T, 1T’)의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트를 반응 이온과 접촉시켜 1T’ 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 제조하는 언집핑 단계;를 포함한다.The manufacturing method of the nanoribbon according to the present invention is a single-layer transition metal-dichalcogenide nanoribbon of a 1T' phase by contacting a distorted 1T phase (distorted 1T, 1T') transition metal-dichalcogenide nanosheet with reactive ions. It includes; unziping step of manufacturing a.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본의 제조방법에 있어, 접촉은 반응 이온을 함유하는 언집핑 액과의 혼합에 의해 수행될 수 있다.In the method of manufacturing a nanoribbon according to an embodiment of the present invention, the contact may be performed by mixing with an unziping liquid containing reactive ions.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본의 제조방법에 있어, 반응이온은 산소 이온, 질소 이온 또는 인 이온 등에서 하나이상 선택되는 이온일 수 있다.In the method for manufacturing a nanoribbon according to an embodiment of the present invention, the reactive ions may be one or more ions selected from oxygen ions, nitrogen ions, or phosphorus ions.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본의 제조방법에 있어, 나노시트와 혼합된 언집핑 액에 초음파가 인가될 수 있다.In the method of manufacturing a nanoribbon according to an embodiment of the present invention, ultrasonic waves may be applied to the unziping liquid mixed with the nanosheets.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노리본의 제조방법에 있어, 접촉 전, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온이 벌크 전이금속-다이칼코겐화물 층간에 삽입된 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 제조하는 이온삽입 단계;가 더 수행될 수 있다.In the method of manufacturing a nanoribbon according to an embodiment of the present invention, before contact, an alkali metal or alkaline earth metal ion is inserted between the bulk transition metal-dichalcogenide layer to prepare a transition metal-dichalcogenide interlayer compound. The ion implantation step; may be further performed.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 1T' 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 포함한다.The present invention includes a 1T'-phase single-layer transition metal-dichalcogenide nanoribbon prepared by the above-described manufacturing method.

본 발명에 따른 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본은 왜곡된 1T 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본임에 따라, 에지 사이트 밀도가 현저하게 향상되어 우수한 촉매 활성 및 높은 수소전환효율을 가지는 장점이 있다.Since the transition metal-dichalcogenide nanoribbon according to the present invention is a single-layer transition metal-dichalcogenide nanoribbon of a distorted 1T phase, the edge site density is remarkably improved to have excellent catalytic activity and high hydrogen conversion efficiency. There is an advantage.

본 발명에 따른 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본의 제조방법은 단순 용액 공정을 이용하여 벌크 전이금속-다이칼코겐화물이 자발적인 박리 및 언집핑(unzipping)되는 단계를 포함함에 따라, 제조 공정이 단순할 뿐만 아니라 경제적이고 효율적인 방식으로 왜곡된 1T 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 대량생산할 수 있다는 장점이 있다.The method of manufacturing a transition metal-dichalcogenide nanoribbon according to the present invention includes the step of spontaneous peeling and unzipping of the bulk transition metal-dichalcogenide using a simple solution process, so that the manufacturing process is It has the advantage of being able to mass-produce a single-layer transition metal-dichalcogenide nanoribbon that is distorted in a simple, economical and efficient manner.

도 1은 1T 또는 1T’상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본의 모식도이며,
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 5분 및 60분의 초음파 처리 후 실시예 1(중간 제조물: 1T‘상의 MoS2 나노시트)의 SEM 분석 결과이고, 도 2의 (c)는 비교예 1(2H상의 MoS2 나노시트)의 SEM 분석 결과이며,
도 3은 각각 부분적으로 언집핑된 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본) SEM-EDS 분석 결과이며,
도 4의 (a)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 TEM 분석 결과이며, 도 4의 (b)는 및 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 평균 길이 및 너비를 분석한 결과이며,
도 5는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 STEM 분석 결과로서, (a)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 확대된 격자를 도시한 결과이며, (b)는 FFT(Fast Fourier Transform) 변환한 회절 패턴이고, (c)는 분석 중에 안정화된 1T' 상의 MoS2 나노리본의 미세구조를 도시한 결과이며,
도 6은 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본), 실시예 1의 중간 제조물(1T‘ 상의 MoS2 나노시트) 및 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노시트)의 라만 스펙트럼 분석 결과이며,
도 7은 실시예 1(1T‘ 상의 MoS2 나노리본), 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노시트) 및 1T’:2H 복합 상의 나노시트의 XPS 분석 결과이며,
도 8의 (a)는 실시예 1(1T‘ 상의 MoS2 나노리본)의 제조단계에서 LiMoS2가 분산된 용액의 2차 초음파 인가 시간에 따른 pH 변화를 도시한 결과이고, 도 8의 (b)는 실시예 1의 제조단계에서 1T’ 상의 MoS2 나노시트의 S 원자가 O 원자와 접촉되어 에칭 제거됨에 따라 1T’ 상의 MoS2 나노리본으로 언집핑되는 과정을 이론적으로 명확히 하기 위하여, S 원자가 에칭될 때의 결합에너지를 DFT 계산을 통해 산출한 결과이며,
도 9는 MoS2의 결정상 구조 및 산소(O) 원자의 결합 형태에 따른 산소 원자 당 결합 에너지(eV)를 DFT 계산을 통해 산출한 결과이며,
도 10의 (a) 및 (b)는 각각 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노리본) 및 실시예 1(1T’ 상의 MoS2 나노리본)의 원자 구조에서 황(S) 원자가 상이한 결합을 가지는 것을 보여주는 모식도(삽도)와 DFT 계산을 통해 산출된 상이한 황 원자의 위치에 따른 국소 전자상태밀도함수(local electron density of state, LDOS)를 비교한 결과이며,
도 11은 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, 이하 HER)에 대한 촉매활성을 분석한 결과이며,
도 12의 (a)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 수소발생반응에 대한 촉매 활성을 이론적으로 조사하기 위하여, 표준 접근법(standard approach)을 기반으로 한 DFT 계산을 통해 1T' 상의 MoS2 나노리본의 기저면(basal plane) 및 에지 활성 사이트 모두에서 수소 흡착탈착을 위한 Gibbs 자유 에너지(이하, △GH*)를 계산하여 종래의 Pt(111)와 비교한 결과이고, 도 12의 (b)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본) 및 순수한 금속의 교환 전류 밀도(jo)를 DFT 계산을 통해 산출한 결과이다.
1 is a schematic diagram of a transition metal-dichalcogenide nanoribbon on a 1T or 1T' phase,
2A and 2B are SEM analysis results of Example 1 (intermediate product: MoS 2 nanosheets on 1T') after 5 minutes and 60 minutes of ultrasonic treatment, respectively, and FIG. 2C is a comparison This is the SEM analysis result of Example 1 (MoS 2 nanosheet on 2H),
3 is a SEM-EDS analysis result of Example 1 (MoS 2 nanoribbons on 1T'), each partially unziped,
Of Figure 4 (a) of Example 1 (1T 'on MoS 2 nanoribbons) are TEM analysis of the, (b) of Fig. 4 and Example 1 (1T' average length and width of the on MoS 2 nanoribbons) Is the result of analyzing
'As STEM analysis of the (MoS 2 nanoribbons on, (a) in Example 1 (1T 5 Example 1 1T), and the result shows an enlarged grille on MoS 2 nanoribbons), (b) Is the FFT (Fast Fourier Transform) transformed diffraction pattern, (c) is the result of showing the microstructure of the MoS 2 nanoribbon stabilized during the analysis of 1T',
And Figure 6 is exemplary Raman spectrum analysis of example 1 (1T, MoS 2 nanoribbons on), Example intermediate product (1T 1 'on the MoS 2 nanosheets) and Comparative Example 1 (MoS 2 nanosheet over 2H) results,
7 is an XPS analysis result of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T'), Comparative Example 1 (MoS 2 nanosheet on 2H) and 1T': 2H composite nanosheet,
Figure 8 (a) is a result showing the pH change according to the second ultrasonic application time of the solution in which LiMoS 2 is dispersed in the manufacturing step of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T'), Figure 8 (b) ) Is to theoretically clarify the process of unziping to the MoS 2 nanoribbons on 1T' as the S atoms of the MoS 2 nanosheets on the 1T' are contacted with O atoms and etched away in the manufacturing step of Example 1, It is the result of calculating the binding energy at the time of DFT through DFT calculation,
9 is a result of calculating the binding energy (eV) per oxygen atom according to the crystalline structure of MoS 2 and the bonding form of the oxygen (O) atom through DFT calculation,
10A and 10B show that the sulfur (S) atoms have different bonds in the atomic structures of Comparative Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 2H) and Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T′), respectively. This is the result of comparing the local electron density of state (LDOS) according to the location of different sulfur atoms calculated through the schematic diagram (inset) and DFT calculation.
11 is a result of analyzing the catalytic activity of a hydrogen evolution reaction (HER),
12A shows 1T' through DFT calculation based on a standard approach in order to theoretically investigate the catalytic activity of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') for hydrogen evolution. Gibbs free energy (hereinafter, ΔG H* ) for hydrogen adsorption and desorption was calculated at both the basal plane and the edge active site of the MoS 2 nanoribbon of the phase and compared with the conventional Pt(111), FIG. 12 (B) of Example 1 is the result of calculating the exchange current density (jo) of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') and pure metal through DFT calculation.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.Hereinafter, a transition metal-dichalcogenide nanoribbon of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, unless there are other definitions in the technical terms and scientific terms used, they have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted. In addition, the singular form used in the specification and the appended claims may be intended to include the plural form unless otherwise indicated in the context. In the present specification and the appended claims, units used without special mention are based on weight, and as an example, the unit of% or ratio means% by weight or a weight ratio.

본 발명에서 전이금속-다이칼코겐화물 벌크, 전이금속-다이칼코겐화물 시트, 또는 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본의 전이금속-다이칼코겐화물은 2차원 층상 구조를 갖는 전이금속과 칼코겐간의 화합물로, 화학식 MX2를 만족할 수 있다. 이때, 화학식 MX2에서 M은 2가의 전이금속, X는 칼코겐을 의미할 수 있다. 화학식 MX2에서 M은 Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cu, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Re 및 Hf에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속일 수 있으며, X는 S, Se 및 Te에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 칼코겐일 수 있다. 일 실시예에서 MX2의 M은 Mo, W 및 Re에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으며, X는 S, Se 및 Te에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실질적인 예로, 전이금속-다이칼코겐화물은 4 내지 6족 전이금속-다이칼코겐화물일 수 있으며, 4 내지 6족 전이금속-다이칼코겐화물로 MoS2, TiS2, TaS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoTe2등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the transition metal-dichalcogenide of the transition metal-dichalcogenide bulk, the transition metal-dichalcogenide sheet, or the transition metal-dichalcogenide nanoribbon is a transition metal and a knife having a two-dimensional layered structure. As a cogengan compound, the formula MX 2 may be satisfied. In this case, in Formula MX 2 , M may mean a divalent transition metal, and X may mean chalcogen. In Formula MX 2 , M may be a metal selected from one or two or more of Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cu, Cr, V, Ti, Mo, Nb, Zr, W, Ta, Re and Hf, and X May be a chalcogen selected from one or two or more of S, Se and Te. In one embodiment , M of MX 2 may be one or two or more selected from Mo, W and Re, and X may be one or more selected from S, Se, and Te, but is not limited thereto. As a practical example, the transition metal-dichalcogenide may be a group 4 to 6 transition metal-dichalcogenide, and as a group 4 to 6 transition metal-dichalcogenide MoS 2 , TiS 2 , TaS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , MoTe 2 and the like, but are not limited thereto.

본 발명에서 전이금속-다이칼코겐화물 벌크는 홀로 독립된 3차원 입체로, 스스로 일정한 형태를 유지하며 스스로의 무게를 지탱할 수 있는 3차원 입체를 의미할 수 있다. 일 예로, 전이금속-다이칼코겐화물 벌크는 단일층의 전이금속-다이칼코겐화물을 기준으로, 적어도 50개 이상, 구체적으로 100개 이상, 보다 구체적으로 1000개 이상의 전이금속-다이칼코겐화물 층을 포함하는 3차원 입체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 일 예로, 전이금속-다이칼코겐화물 벌크는 서로 직교하는 3축을 기준으로, 그 크기(길이, 폭, 두께, 직경등)가 3축 각각에서 μm 오더(order) 이상, 구체적으로 수십 마이크로미터 이상인 3차원 입체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the transition metal-dichalcogenide bulk is an independent three-dimensional solid, and may mean a three-dimensional three-dimensional structure capable of maintaining a constant shape and supporting its own weight. For example, the transition metal-dichalcogenide bulk is at least 50 or more, specifically 100 or more, and more specifically 1000 or more transition metal-dichalcogenides based on a single layer of transition metal-dichalcogenide. It may be a three-dimensional three-dimensional including a layer, but is not limited thereto. As another example, the transition metal-dichalcogenide bulk has a size (length, width, thickness, diameter, etc.) on the basis of three axes orthogonal to each other, in each of the three axes, on the order of μm or more, specifically tens of micrometers. It may be the above three-dimensional three-dimensional, but is not limited thereto.

본 발명에서 전이금속-다이칼코겐화물 시트는, 판(또는 시트)형의 단일층 전이금속-다이칼코겐화물, 즉, 단일층 전이금속-다이칼코겐화물 시트를 의미할 수 있다. In the present invention, the transition metal-dichalkogenide sheet may mean a plate (or sheet)-type single-layer transition metal-dichalkogenide, that is, a single-layer transition metal-dichalkogenide sheet.

본 발명에서 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본은 띠 모양의 단일층 전이금속-다이칼코겐화물을 의미할 수 있다. 일 예로, 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본은 단일층의 면 방향에서 서로 직교하는 두 축을 기준으로 일 축의 길이(ex. 폭)가 수 내지 수십 nm 수준이며 다른 일 축의 길이가 일 축의 길이(ex. 폭)보다 큰 띠 모양의 단일층 전이금속-다이칼코겐화물을 의미할 수 있다. 실질적인 예로, 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본은 100 내지 800 nm의 평균 길이 및 10 내지 70 nm의 평균 폭, 구체적으로 200 내지 400 nm의 평균 길이 및 30 내지 60 nm의 평균 폭, 보다 구체적으로 250 내지 350 nm의 평균 길이 및 35 내지 50 nm의 평균 폭을 갖는 띠 모양의 단일층 전이금속-다이칼코겐화물을 의미할 수 있다. 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본은 2-차원(2-dimensional) 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본으로도 통칭될 수 있다. In the present invention, the transition metal-dichalkogenide nanoribbon may mean a strip-shaped single-layer transition metal-dichalkogenide. For example, transition metal-dichalcogenide nanoribbons have a length (ex.width) of several to tens of nm based on two axes orthogonal to each other in the plane direction of a single layer, and the length of the other axis is the length of one axis ( ex. width) may mean a single layer transition metal-dichalcogenide having a larger strip shape. As a practical example, the transition metal-dichalcogenide nanoribbon has an average length of 100 to 800 nm and an average width of 10 to 70 nm, specifically an average length of 200 to 400 nm and an average width of 30 to 60 nm, more specifically It may mean a strip-shaped single-layer transition metal-dichalcogenide having an average length of 250 to 350 nm and an average width of 35 to 50 nm. The transition metal-dichalcogenide nanoribbon may also be referred to as a 2-dimensional transition metal-dichalcogenide nanoribbon.

본 발명에서 전이금속-다이칼코겐화물의 단일층(mono-layer, single layer)은, 3원자 층(3 atomic layer)구조, 즉, 두 칼코겐 층 사이에 전이금속 층이 개재되어 있는 적층 구조로, 칼코겐 층-전이금속 층-칼코겐 층은 반데르 발스 상호 작용을 통해 서로 결합된 상태일 수 있다. In the present invention, the transition metal-dichalcogenide mono-layer (single layer) is a three-atomic layer structure, that is, a laminated structure in which a transition metal layer is interposed between two chalcogen layers. As such, the chalcogen layer-transition metal layer-chalcogen layer may be bonded to each other through a Van der Waals interaction.

본 발명에 따른 나노리본의 제조방법은, 2차원(2-dimensional) 구조인 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본의 제조방법이며, 1T' 상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트를 반응 이온과 접촉시켜 1T' 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 제조하는 언집핑 단계;를 포함한다. The method of manufacturing a nanoribbon according to the present invention is a method of manufacturing a transition metal-dichalcogenide nanoribbon having a two-dimensional structure, and a transition metal-dichalcogenide nanosheet of 1T' with reaction ions and And an unziping step of producing a single-layer transition metal-dichalcogenide nanoribbon on 1T' by contacting.

본 발명에 따른 나노리본의 제조방법은 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트에 반응 이온을 접촉시키는 단순하고 완화된 공정을 통해 2차원 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 제조할 수 있다. 상세하게, 1T' 상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트에 반응 이온이 결합되어 칼코겐이 제거됨으로써 나노시트가 나노리본으로 언집핑(unzipping)될 수 있다.The method of manufacturing a nanoribbon according to the present invention can prepare a two-dimensional transition metal-dichalcogenide nanoribbon through a simple and relaxed process of contacting the reaction ions with the transition metal-dichalkogenide nanosheet. In detail, reaction ions are bonded to the transition metal-dichalcogenide nanosheet of 1T' to remove chalcogen, so that the nanosheet may be unzipping with the nanoribbon.

반응 이온을 이용한 언집핑시, 반응 이온과 접촉하는 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트는 1T’ 상(phase)의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트이다. 도 1에 도시한 일 모식도와 같이, 1T’ 상은 1T 상에서 칼코겐이 규칙적으로 왜곡(distort)된 구조를 가지며, 이에 1T’ 상은 왜곡된 1T 상으로도 불린다. When unziping using reactive ions, the transition metal-dichalcogenide nanosheet in contact with the reactive ions is a 1T' phase transition metal-dichalcogenide nanosheet. 1, the 1T' phase has a structure in which chalcogen is regularly distorted in the 1T phase, and thus the 1T' phase is also referred to as a distorted 1T phase.

1T‘ 상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트는 랜덤한 반응 이온 결합을 방지하며 반응 이온이 나노시트를 가로지르는 선 형태(longitudinal)로 나노시트에 결합하도록 하여, 잘 규정된(well-defined) 띠 형상으로 리본화가 이루어질 수 있으며, 투입된 1T' 상 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트의 대부분이 리본으로 전환될 수 있다.The transition metal-dichalcogenide nanosheet on 1T' prevents random reactive ion bonding and allows reactive ions to bind to the nanosheet in a longitudinal shape across the nanosheet, so that it is well-defined. Ribbon can be formed in a strip shape, and most of the input 1T' phase transition metal-dichalcogenide nanosheets can be converted into ribbons.

구체적으로, 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트가 1T’ 상인 경우, 나노시트는 도 1의 1T’로 도시한 모식도와 같이 왜곡된 구조에 의해, 나노시트의 칼코겐은 에너지 상태가 서로 상이한 2종의 칼코겐으로 나뉘어질 수 있다. 1T’ 상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트가 반응 이온과 접촉하는 경우, 반응 이온은 에너지 상태가 서로 상이한 2종의 칼코겐 중 보다 안정한 결합상태를 제공하는 일 에너지 상태의 칼코겐과 선택적으로 결합할 수 있으며, 이러한 선택적 결합에 의해 특정 에너지 상태의 칼코겐이 에칭 제거되며 나노리본화(리본화)가 수행될 수 있다.Specifically, when the transition metal-dichalcogenide nanosheet is in the 1T' phase, the nanosheet has a distorted structure as shown in the schematic diagram shown as 1T' in FIG. 1, and the chalcogen of the nanosheet has two different energy states. It can be divided into species chalcogens. When the transition metal-dichalcogenide nanosheet on 1T' comes into contact with the reactive ions, the reactive ions are selectively selected from the chalcogen of one energy state, which provides a more stable bond state among the two chalcogens having different energy states. By this selective bonding, chalcogen in a specific energy state is etched away, and nanoribbonization (ribbonization) can be performed.

즉, 1T’ 상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트는 다른 상과는 달리 랜덤한 위치에 반응 이온이 결합되지 않고, 반응 이온이 특정 에너지 상태의 칼코겐과 선택적으로 결합 하여 칼코겐을 에칭 제거함으로써 나노시트를 나노리본화할 수 있다. In other words, in the transition metal-dichalcogenide nanosheet of 1T' phase, unlike other phases, reactive ions are not bonded to random positions, and reactive ions are selectively combined with chalcogens in a specific energy state to remove chalcogens by etching. By doing so, nano-ribbons can be made into a nanosheet.

일 구체예에 있어, 나노시트가 나노리본화되는 언집핑은, 1T’상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트와 반응 이온을 함유하는 언집핑 액이 접촉되며 수행될 수 있다. 즉, 일 구체예에 따른 나노리본의 제조방법은 액(언집핑 액)상 매질 하, 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트와 액(언집핑 액)상의 반응 이온과 접촉시켜 1T' 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 제조하는 언집핑 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment, the unziping in which the nanosheets are nanoribbonized may be performed by contacting the 1T'-phase transition metal-dichalkogenide nanosheet with an unziping solution containing reactive ions. That is, the method of manufacturing a nanoribbon according to one embodiment is a single layer transition of 1T' by contacting the transition metal-dichalcogenide nanosheets with the reaction ions in the liquid (unziping liquid) under a medium in the form of a liquid (unziping liquid). It may include; an unziping step of preparing a metal-dichalcogenide nanoribbon.

언집핑 단계에서 액상인 언집핑 액을 이용하는 경우, 언집핑 액내 반응 이온 함량을 적절히 조절함으로써, 과도한 반응 이온의 공급에 의해 에너지적으로 안정한 칼코겐 이외 다른 칼코겐(산소와 결합하는 칼코겐과 다른 에너지 상태의 칼코겐)이 반응 이온과 결합하는 것을 안정적으로 방지할 수 있으며, 나노시트가 분산된 상태임에 따라 나노시트에 균일하게 반응 이온을 공급할 수 있어 좋다.In the case of using a liquid unziping liquid in the unziping step, by appropriately controlling the content of reacted ions in the unziping liquid, chalcogens other than energetically stable chalcogens (different from chalcogens that bind to oxygen) are Energy chalcogen) can be stably prevented from binding with reactive ions, and since the nanosheet is in a dispersed state, reactive ions can be uniformly supplied to the nanosheet.

일 구체예에 있어, 언집핑 액에 포함되는 반응이온의 함량은 20℃에서 5 내지 15 mg/L, 구체적으로 8 내지 12 mg/L, 보다 구체적으로 8 내지 10 mg/L일 수 있으며, 언집핑 단계에서 서로 혼합되는 언집핑액과 전이금속-다이칼코겐화물의 중량비는 예를 들면 1 : 5 내지 15, 구체적으로 1 : 8 내지 12 범위일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the content of the reaction ions contained in the unziping solution may be 5 to 15 mg/L, specifically 8 to 12 mg/L, and more specifically 8 to 10 mg/L at 20°C. The weight ratio of the unziping liquid and the transition metal-dichalcogenide mixed with each other in the ping step may be, for example, 1: 5 to 15, specifically 1: 8 to 12, but is not limited thereto.

언집핑 액의 매질(용매)은 반응 이온이 기 설정된 농도 범위에서 안정적으로 용해되는 용매이면 무방하나, The medium (solvent) of the unziping liquid may be a solvent in which the reaction ions are stably dissolved in a preset concentration range.

또한, 액상 매질 하에서 나노시트의 칼코겐이 반응 이온에서 유래하는 산소, 질소 또는 인 등과 반응 결합하는 경우, 칼코겐이 가스상인 산화칼코겐이나 산등의 형태로 빠르게 제거될 수 있으며, 또한, 액상 매질을 통해 물리적 충격을 인가할 수 있어 나노리본화를 촉진시킬 수 있어 유리하다.In addition, when the chalcogen of the nanosheet reacts with oxygen, nitrogen, or phosphorus derived from reactive ions in a liquid medium, the chalcogen can be rapidly removed in the form of gaseous chalcogen oxide or acid, and also, a liquid medium It is advantageous because it is possible to apply a physical impact through the device to promote nanoribbonization.

일 구체예에 있어, 언집핑 액이 사용되는 경우, 언집핑 단계에서 초음파가 인가될 수 있다. 즉, 일 구체예에 따른 나노리본의 제조방법은 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트와 반응 이온을 함유하는 언집핑 액과 접촉시키고, 초음파를 인가하여 1T' 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 제조하는 언집핑 단계;를 포함할 수 있다. In one embodiment, when the unziping liquid is used, ultrasonic waves may be applied in the unziping step. That is, in the method of manufacturing a nanoribbon according to an embodiment, a single layer transition metal-dichalcogenide on 1T' by contacting a transition metal-dichalcogenide nanosheet and an unziping solution containing reactive ions, and applying ultrasonic waves. It may include; unziping step of manufacturing a nanoribbon.

상술한 바와 같이, 나노시트와 혼합된 언집핑 액에 초음파가 인가될 수 있는데, 초음파는 반응 이온과 결합된 칼코겐의 에칭 제거를 촉진시킬 수 있으며, 특정 에너지 상태의 칼코겐이 제거되며 생성된 결함 선(defect line)을 따라 보다 빠르게 나노시트가 잘려지도록, 나노시트에 물리적 충격을 야기할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 언집핑(나노리본화)과 벌크에서 나노시트로의 박리가 단일 공정으로(동시에) 수행되는 경우, 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트로의 박리를 촉진시킬 수 있어 유리하다.As described above, ultrasonic waves may be applied to the unziping liquid mixed with the nanosheets, and the ultrasonic waves may promote etching removal of chalcogens bound to reactive ions, and chalcogens in a specific energy state are removed. It can cause physical impact to the nanosheets so that the nanosheets are cut faster along the defect line. In addition, as described later, when unziping (nanoribbonization) and peeling from bulk to nanosheets are performed in a single process (at the same time), peeling of single-layer transition metal-dichalcogenide nanosheets can be promoted. There is an advantage.

언집핑시 초음파는 100 내지 1000 W의 출력, 20 내지 40℃의 온도 및 10분 내지 10 시간 동안 초음파가 인가될 수 있으나, 이러한 반응 조건은 예시적인 것으로서, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 필요시 헥산 컬럼등을 이용한 세척이 초음파 인가 전이나 초음파 인가 중 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. When unziping, the ultrasonic waves may be applied at an output of 100 to 1000 W, a temperature of 20 to 40° C., and for 10 minutes to 10 hours, but such reaction conditions are exemplary, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, if necessary, cleaning using a hexane column or the like may be performed before or during ultrasonic application, but is not limited thereto.

상술한 바와 같이, 언집핑 액을 이용할 때 여러 유리한 이점을 가지나, 본 발명이 액상 이외의 반응 이온과의 접촉을 배제하는 것은 아니다. 반응 이온과의 접촉은 기상, 액상 또는 고상(겔 상태를 포함함) 매질을 통해 이루어질 수 있으며, 반응 이온은 기상, 용융상, 용해상, 또는 고상일 수도 있다.As described above, the use of the unziping liquid has several advantageous advantages, but the present invention does not exclude contact with reactive ions other than the liquid phase. Contact with the reactive ions may be made through a gaseous, liquid, or solid (including gel state) medium, and the reactive ions may be gaseous, molten, dissolved, or solid.

언집핑 단계에서, 반응 이온은 산소 이온, 질소 이온 또는 인 이온 등에서 하나이상 선택되는 이온일 수 있으며, 언집핑 액은 물에 산소, 질소 및 인 등을 포함하는 가스를 퍼지하여 수득한 용존산소, 용존무기질소 및 용존무기인 등을 포함하는 물일 수 있다. 이때, 용존무기질소는 질산질소 (NO3 --N), 아질산질소 (NO2 --N), 암모니아질소 (NH4 +-N) 및 이들의 혼합물일 수 있으며, 용존무기인은 인산인(PO4 3--P)일 수 있다.In the unziping step, the reactive ions may be one or more ions selected from oxygen ions, nitrogen ions, or phosphorus ions, and the unziping liquid is dissolved oxygen obtained by purging a gas containing oxygen, nitrogen and phosphorus in water, It may be water containing dissolved inorganic nitrogen and dissolved inorganic phosphorus. In this case, the dissolved inorganic nitrogen may be nitrogen nitrate (NO 3 -- N), nitrite nitrogen (NO 2 -- N), ammonia nitrogen (NH 4 + -N), and mixtures thereof, and the dissolved inorganic phosphorus may be phosphoric acid phosphorus ( PO 4 3- -P).

일 구체예에 있어, 나노리본의 제조방법은 언집핑 단계 전, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온이 벌크 전이금속-다이칼코겐화물 층간에 삽입된 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 제조하는 이온삽입 단계;를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the manufacturing method of the nanoribbon includes ion insertion to prepare a transition metal-dichalcogenide interlayer compound in which alkali metal or alkaline earth metal ions are intercalated between the bulk transition metal-dichalcogenide layer before the unziping step. Step; may further include.

2차원 층상구조 물질인 전이금속-다이칼코겐화물의 시트(단층 시트)를 제조하기 위해, 전이금속-다이칼코겐화물 벌크의 층간에 금속 이온을 삽입하여 층과 층 사이를 확장시킨 후, 삽입된 금속 이온을 제거함으로써 벌크를 전이금속-다이칼코겐화물 시트로 박리할 수 있다. In order to manufacture a sheet of transition metal-dichalcogenide (single-layer sheet), which is a two-dimensional layered material, metal ions are inserted between the layers of the bulk of the transition metal-dichalcogenide to expand the layer and the layer, and then insert. By removing the formed metal ions, the bulk can be peeled off into a transition metal-dichalcogenide sheet.

알칼리 금속 이온은 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 루비듐 이온 및 세슘 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으며, 또는 알칼리 토금속 이온은 베릴륨 이온, 마그네슘 이온, 칼슘 이온, 스트론튬 이온 및 바륨 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. 이때, 원활하고 균일한 이온 삽입 측면에서 벌크 전이금속-다이칼코겐화물 층간에 삽입되는 금속 이온은 알칼리 금속 이온인 것이 좋고, 리튬 이온이나 나트륨 이온이 보다 좋다.Alkali metal ions may be one or more selected from lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions and cesium ions, or alkaline earth metal ions may be one or more of beryllium ions, magnesium ions, calcium ions, strontium ions and barium ions. More than one can be selected. At this time, in terms of smooth and uniform ion insertion, the metal ions inserted between the bulk transition metal-dichalcogenide layers are preferably alkali metal ions, and lithium ions or sodium ions are more preferable.

이온삽입 단계는 전이금속-다이칼코겐화물 벌크와 인터칼레이션(intercalation) 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있으며, 인터칼레이션 용액은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온의 전구체(이하, 금속전구체)를 포함할 수 있다.The ion insertion step may include mixing a transition metal-dichalcogenide bulk and an intercalation solution, and the intercalation solution is a precursor of an alkali metal or alkaline earth metal ion (hereinafter, referred to as a metal precursor). Can include.

인터칼레이션 용액에 함유되는 금속전구체는 알칼리 금속 이온이나 알칼리 토금속 이온의 할로겐화물(염화물, 요오드화물, 브롬화물등, 불화물), 질화물, 수산화물, 황화물, 산화물, 옥시수산화물, 질산염, 아세트산염 및 황산염에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The metal precursors contained in the intercalation solution are alkali metal ions or alkaline earth metal ions halide (chloride, iodide, bromide, etc., fluoride), nitride, hydroxide, sulfide, oxide, oxyhydroxide, nitrate, acetate and sulfate. One or more than one may be selected from, but is not limited thereto.

인터칼레이션 용액에 함유되는 용매는 금속전구체가 용해되는 용매이면 무방하나, 구체적으로 헥산, 시클로헥산 및 톨루엔 등의 유기용매, 물 등의 수계 용매 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The solvent contained in the intercalation solution may be a solvent in which the metal precursor is dissolved, but specifically, may be an organic solvent such as hexane, cyclohexane, and toluene, an aqueous solvent such as water, or a mixture thereof.

이온삽입 단계에서, 전이금속-다이칼코겐화물 벌크는 인터칼레이션 용액의 몰농도, 인터칼레이션 온도 및 인터칼레이션 시간 등의 인터칼레이션 조건을 조절함으로써 제조되는 나노시트의 구조를 1T’로 조절할 수 있다. In the ion implantation step, the transition metal-dichalcogenide bulk has the structure of the nanosheet prepared by adjusting the intercalation conditions such as the molar concentration of the intercalation solution, the intercalation temperature, and the intercalation time to 1T'. Can be adjusted.

금속전구체와 전이금속-다이칼코겐화물의 몰비는 1: 0.01 내지 0.20 범위, 구체적으로 1: 0.01 내지 0.15 범위, 보다 구체적으로 1: 0.01 내지 0.09 범위일 수 있으며, 인터칼레이션 용액 내 금속전구체의 농도는, 예를 들면 약 0.01 내지 1.5 M, 구체적으로 약 0.03 내지 1.0 M, 보다 구체적으로 약 0.15 내지 0.50 M 범위일 수 있다.The molar ratio of the metal precursor and the transition metal-dichalcogenide may be in the range of 1: 0.01 to 0.20, specifically in the range of 1: 0.01 to 0.15, and more specifically in the range of 1: 0.01 to 0.09. The concentration may be, for example, in the range of about 0.01 to 1.5 M, specifically about 0.03 to 1.0 M, and more specifically about 0.15 to 0.50 M.

인터칼레이션 온도는 30 내지 120 ℃, 구체적으로 30 내지 110 ℃, 보다 구체적으로 30 내지 100 ℃일 수 있다. 인터갈레이션 시간은 3 내지 60 시간, 구체적으로 5 내지 55 시간, 보다 구체적으로 10 내지 50 시간일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The intercalation temperature may be 30 to 120°C, specifically 30 to 110°C, and more specifically 30 to 100°C. The interaction time may be 3 to 60 hours, specifically 5 to 55 hours, and more specifically 10 to 50 hours, but is not limited thereto.

상술한 금속 전구체 농도와 혼합비 및 온도 범위에서 1T‘상의 나노시트가 제조될 수 있으며, 구체 나노시트의 물질을 고려하여 상술한 범위 내에서 금속 전구체 농도와 혼합비 및 온도 범위를 조절함으로써 1T’상 나노시트가 제조되는 수율을 향상시킬 수 있다. 1T' phase nanosheets can be prepared in the above-described metal precursor concentration, mixing ratio, and temperature range, and 1T' phase nanosheets are controlled by adjusting the metal precursor concentration, mixing ratio, and temperature range within the above-described range in consideration of the material of the concrete nanosheet. The yield in which the sheet is manufactured can be improved.

실질적인 일예로, 전이금속-다이칼코겐화물 벌크가 MoS2일 경우, 1T’상의 나노시트가 90%이상의 높은 수율로 제조되는 측면에서, 이온삽입 단계시, 금속전구체와 전이금속-다이칼코겐화물의 몰비는 1: 0.03 내지 0.05 수준일 수 있고, 용액 내 금속 전구체 농도는 0.35 내지 0.50 M 수준 일 수 있으며, 인터칼레이션은 80 내지 100 ℃의 온도에서 45 내지 60 시간동안 수행될 수 있다. As a practical example, when the bulk of the transition metal-dichalcogenide is MoS 2 , in the aspect that the 1T'-phase nanosheet is manufactured with a high yield of 90% or more, during the ion insertion step, the metal precursor and the transition metal-dichalcogenide The molar ratio of 1: may be at the level of 0.03 to 0.05, the concentration of the metal precursor in the solution may be at the level of 0.35 to 0.50 M, and intercalation may be performed at a temperature of 80 to 100° C. for 45 to 60 hours.

이온삽입 단계가 수행된 후, 선택적으로 알칼리 금속 이온 또는 알칼리 토금속 이온이 삽입되어 제조된 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 세척 및/또는 건조하는 단계가 더 수행될 수 있음은 물론이다.After the ion insertion step is performed, a step of washing and/or drying the transition metal-dichalcogenide interlayer compound prepared by selectively inserting an alkali metal ion or an alkaline earth metal ion may be further performed.

언집핑 단계 전, 이온삽입 단계에 의해 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 제조한 후, 언집핑 단계와 독립적으로 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물에서 삽입된 알칼리 금속 내지 알칼리 토금속 이온을 제거하며 전이금속-다이칼코겐화물 시트를 제조하는 박리단계가 수행될 수 있다.Before the unziping step, after the transition metal-dichalcogenide interlayer compound is prepared by an ion insertion step, the intercalated alkali metal or alkaline earth metal ions are removed from the transition metal-dichalcogenide interlayer compound independently of the unziping step. And a peeling step of preparing a transition metal-dichalcogenide sheet may be performed.

이러한 박리단계는 언집핑 단계와 독립적으로 수행되거나, 언집핑 단계에서 동시 수행될 수 있다.This peeling step may be performed independently of the unziping step, or may be performed simultaneously in the unziping step.

알려진 바와 같이, 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물의 박리는 전형적으로 수계(예를 들면, 물) 매질 내에 수행될 수 있으며, 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 수계 매질에 분산시켜 수행될 수 있다. 박리단계에서 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물에 삽입되어 있는 알칼리 금속 내지 알칼리 토금속 이온은 물과 반응하여 수소 가스를 발생시키며, 생성된 수소 가스의 팽창에 의해 벌크(다층 구조) 상의 전이금속-다이칼코겐화물 내 층상 구조가 박리되어, 단층의 전이금속-다이칼코겐화물 시트가 제조될 수 있다. 박리단계에서 박리를 촉진하기 위해, 필요시 초음파 인가나 격렬한 교반이 수행될 수 있다.As is known, the exfoliation of the transition metal-dichalkogenide interlayer compound can typically be performed in an aqueous (e.g., water) medium, and the transition metal-dichalkogenide interlayer compound is dispersed in an aqueous medium. I can. Alkali metal or alkaline earth metal ions inserted in the transition metal-dichalcogenide interlayer compound in the peeling step react with water to generate hydrogen gas, and the bulk (multilayer structure) transition metal- The layered structure in the dichalcogenide is peeled off, so that a single-layer transition metal-dichalcogenide sheet can be prepared. In order to promote the peeling in the peeling step, ultrasonic application or vigorous stirring may be performed if necessary.

박리 단계가 독립적으로 수행되는 경우, 박리 단계는 종래 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 단일막으로 박리하는데 일반적으로 사용되는 조건으로 수행되면 무방하다. 일 예로, 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 수계 매질에 분산시킨 후 100 내지 1000 W의 초음파를 인가하여 박리단계가 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. When the peeling step is performed independently, the peeling step may be performed under conditions generally used for peeling the conventional transition metal-dichalcogenide interlayer compound into a single film. As an example, a peeling step may be performed by dispersing the transition metal-dichalcogenide interlayer compound in an aqueous medium and then applying an ultrasonic wave of 100 to 1000 W, but is not limited thereto.

그러나, 본 발명이 박리 단계와 언집핑 단계가 독립적으로 수행되는 것으로 한정될 수 없으며, 박리 단계와 언집핑 단계가 단일 공정으로 수행될 수도 있음은 물론이다.However, the present invention may not be limited to that the peeling step and the unziping step are independently performed, and of course, the peeling step and the unziping step may be performed in a single process.

언집핑 단계, 박리 단계 및 이온삽입 단계를 포함하는 공정은 불활성 분위기, 예를 들면 질소, 아르곤, 네온 등의 분위기 하에서 수행될 수 있다.The process including the unziping step, the peeling step, and the ion implantation step may be performed under an inert atmosphere such as nitrogen, argon, neon, or the like.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 전이금속 다이칼코겐화물 나노리본을 포함한다.The present invention includes a transition metal dichalcogenide nanoribbon prepared by the above-described manufacturing method.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 전이금속 다이칼코겐화물 나노리본을 포함하는 촉매를 포함한다.The present invention includes a catalyst comprising a transition metal dichalcogenide nanoribbon prepared by the above-described manufacturing method.

본 발명은 향상된 활성(activity)을 갖는 전이금속 다이칼코겐화물 나노리본, 구체적으로, 1T’상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물(monolayer transition metal dichalcogenide) 나노리본 및 이를 포함하는 촉매를 제공한다.The present invention provides a transition metal dichalcogenide nanoribbon having improved activity, specifically, a 1T'-phase monolayer transition metal dichalcogenide nanoribbon and a catalyst comprising the same.

일 구체예에 있어, 나노리본은 왜곡된 1T 상(distorted 1T phase, 1T’ phase)일 수 있으며, 구체적으로 2a0x2a0 (a0=Mo-Mo의 거리로서, 약 2.7Å)초격자를 갖는 1T’ 결정 구조일 수 있다. 이때, 알려진 바와 같이, 1T’ 결정구조에 의해 나노리본의 라만스펙트럼에는 J1, J2 및 J3 피크가 나타날 수 있다. 1T(octahedral)나 2H(trigonal prismatic)등의 다른 상 대비 1T’ 상은 상대적으로 높은 에너지를 갖는 구조로, 1T’ 나노리본은 다른 상의 나노리본 대비 보다 향상된 반응성을 가질 수 있다.In one embodiment, the nanoribbon may be a distorted 1T phase (1T' phase), and specifically 2a 0 x2a 0 (a 0 = Mo-Mo distance, about 2.7 Å) It may have a 1T' crystal structure. At this time, as is known, J 1 , J 2 and J 3 peaks may appear in the Raman spectrum of the nanoribbon due to the 1T' crystal structure. Compared to other phases such as 1T (octahedral) or 2H (trigonal prismatic), the 1T' phase has a structure having a relatively high energy, and the 1T' nanoribbon may have improved reactivity compared to the nanoribbon of other phases.

일 구체예에 있어, 나노리본은 그 라만 스펙트럼상 E1 2g 피크가 나타나지 않거나 A1g 피크의 강도를 기준(1)으로 0.1 이하의 강도로 E1 2g 피크가 나타날 수 있다. 이때, 나노리본의 라만 스펙트럼상 E1 2g 피크가 나타나지 않음은 노이즈 레벨수준을 의미할 수 있다. One in the embodiments, nanoribbons can receive the Raman spectrum that the peak does not appear, or E 1 2g 2g E 1 peak at an intensity of 0.1 or less, based on (1) the strength of the A 1g peak. In this case, the fact that the E 1 2g peak does not appear on the Raman spectrum of the nanoribbon may indicate a noise level level.

알려진 바와 같이, 2차원 층상 구조의 전이금속-다이칼코겐화물의 라만 스펙트럼은 E1 2g 피크와 A1g 피크의 두 주요 피크(prominent peak)를 갖는다. E1 2g는 인-플레인 모드(in-plane mode)에 의해 형성되는 피크이며, A1g 피크는 아웃-오브-플레인 모드(out-of-plane mode)에 의해 형성되는 피크이다. 인-플레인 모드는 칼코겐 원소의 일 방향 진동과 전이금속 원소의 일 방향 진동에 의한 모드이며, 아웃-오브-플레인 모드는 칼코겐 원소의 아웃-오브-플레인 진동에 의한 모드이다. E1 2g 피크와 A1g 피크의 위치는 전이금속-다이칼코겐화물의 구체 물질에 따라 달라질 수 있으며 구체 물질에 따라 기 알려진 위치(Raman shift)에 피크가 형성될 수 있다. 일 예로, 이황화몰리브데넘 나노시트의 경우 E1 2g 피크는 380 내지 388cm-1에 위치할 수 있으며, A1g 피크는 400 내지 410cm-1에 위치할 수 있다.As is known, the Raman spectrum of a transition metal-dichalcogenide having a two-dimensional layered structure has two prominent peaks, an E 1 2g peak and an A 1g peak. E 1 2g is a peak formed by in-plane mode, and A 1g peak is a peak formed by out-of-plane mode. The in-plane mode is a mode by one-way vibration of a chalcogen element and a transition metal element, and the out-of-plane mode is a mode by out-of-plane vibration of a chalcogen element. The positions of the E 1 2g peak and the A 1g peak may vary depending on the specific material of the transition metal-dichalcogenide, and peaks may be formed at a known position (Raman shift) depending on the specific material. For example, in the case of molybdenum disulfide nanosheets, the E 1 2g peak may be located at 380 to 388cm -1 , and the A 1g peak may be located at 400 to 410cm -1.

나노리본의 라만 스펙트럼에서 A1g 피크 강도와 E1 2g 피크의 강도간의 상대적 세기는 인-플레인 진동과 아웃-오브-플레인 진동 중 어떠한 모드의 진동이 상대적으로 보다 활성화(강화)되었는지 나타내는 직접적 지표이다. 나노리본의 라만 스펙트럼상 E1 2g 피크가 나타나지 않거나 A1g 피크의 강도를 기준(1)으로 0.1 이하의 강도로 E1 2g 피크가 나타나는 특성은 인-플레인 진동과 아웃-오브-플레인 진동 중 아웃-오브-플레인 진동이 월등하게 활성화(강화)된 것을 의미할 수 있으며, 아웃-오브-플레인 진동이 강화되는 요인인 에지 사이트(edge site)의 밀도가 크게 증가된 나노리본임을 나타내는 지표이다. In the Raman spectrum of nanoribbons, the relative intensity between the intensity of the A 1g peak and the E 1 2g peak is a direct indicator of whether the in-plane vibration or out-of-plane vibration is relatively more active (intensified). . In the Raman spectrum of the nanoribbon, the E 1 2g peak does not appear, or the E 1 2g peak appears with an intensity of less than 0.1 based on the intensity of the A 1g peak (1). -It may mean that of-plane vibration is remarkably activated (intensified), and it is an index indicating that the density of the edge site, which is a factor that strengthens out-of-plane vibration, is significantly increased.

일 실시예에 있어, 나노리본은 현저하게 높은 에지(edge)밀도를 가져, 우수한 활성을 나타낼 수 있다. 구체적으로 나노리본은 그 에지 밀도가 1015개/cm2 이상, 구체적으로 1015 내지 1018개/cm2 수준일 수 있다. 이때, 에지 밀도는 나노리본을 촉매로 이용한 화학 반응을 통해 산출된 활성점 밀도일 수 있다. 활성점 밀도를 산출하기 위한 화학 반응은 전기화학적 수소 발생 반응일 수 있으며, 활성점 밀도는 촉매의 단위 몰수에서 변환되는 기질의 몰수를 의미하는 전환 수(TON;turnover number)에 의해 산출된 것일 수 있다. 반드시 이러한 해석에 한정되는 것은 아니나, 현저하게 강화된 아웃-오브-플레인 진동을 나타내는 라만 스펙트럼 특성 및/또는 Pt에 상응하거나 이를 넘어서는 에지 밀도는 나노리본의 가장자리에 형성된 다량의 킹크(kink)에 의한 것일 수 있다. In one embodiment, the nanoribbon has a remarkably high edge density, and thus can exhibit excellent activity. Specifically, the nanoribbon may have an edge density of 10 15 pieces/cm 2 or more, specifically 10 15 to 10 18 pieces/cm 2 . In this case, the edge density may be an active point density calculated through a chemical reaction using a nanoribbon as a catalyst. The chemical reaction for calculating the active point density may be an electrochemical hydrogen generation reaction, and the active point density may be calculated by a turnover number (TON), which means the number of moles of the substrate converted from the number of moles of the catalyst. have. Although not necessarily limited to this interpretation, the Raman spectral properties representing markedly enhanced out-of-plane vibrations and/or edge densities corresponding to or beyond Pt are due to the large amount of kinks formed at the edges of the nanoribbons. Can be.

상술한 바와 같이, 나노리본은 금속상인 1T’ 상에 의한 우수한 전하 이동과 백금의 활성점(active site) 밀도에 상응하거나 이를 넘어서는 높은 에지 밀도를 가져, 전하가 관여하는 다양한 반응에서 극히 우수한 활성을 나타낼 수 있다. As described above, the nanoribbon has excellent charge transfer by the 1T' phase, which is a metal phase, and a high edge density that corresponds to or exceeds the density of the active site of platinum, thus exhibiting extremely excellent activity in various reactions involving charge. Can be indicated.

일 구체예에서, 나노리본은 평균 폭이 20 내지 50nm, 구체적으로 30 내지 50nm이며, 평균 길이가 100 내지 800nm, 구체적으로 200 내지 600nm, 보다 구체적으로 300 내지 500nm의 잘 규정된 띠 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서 나노리본은 20 내지 50nm, 구체적으로 30 내지 50nm이며, 평균 길이가 100 내지 800nm의 잘 규정된 띠 형상을 가짐과 동시에, 상술한 라만 스펙트럼 특성을 나타낼 수 있다.In one embodiment, the nanoribbons have an average width of 20 to 50 nm, specifically 30 to 50 nm, and an average length of 100 to 800 nm, specifically 200 to 600 nm, and more specifically 300 to 500 nm. have. In one embodiment, the nanoribbons are 20 to 50 nm, specifically 30 to 50 nm, and have a well-defined band shape of 100 to 800 nm with an average length, and may exhibit the above-described Raman spectral characteristics.

본 발명은 상술한 나노리본을 포함하는 촉매를 포함하는 전자 소자, 광전 소자, 광 소자, 메모리 소자, 자기 소자등, 종래 2차원 층상 구조의 단층 전이금속-다이칼코겐화물의 스핀-궤도 결합 특성이나 전기적 특성, 양자-스핀 홀 효과, 반응 활성등을 이용하는 다양한 소자를 포함할 수 있다. The present invention relates to a spin-orbital coupling characteristic of a single-layer transition metal-dichalcogenide having a conventional two-dimensional layered structure, such as an electronic device, a photoelectric device, an optical device, a memory device, a magnetic device, etc. including the catalyst including the nanoribbons described above. However, it may include a variety of devices using electrical properties, quantum-spinhole effect, and reactive activity.

본 발명은 상술한 나노리본을 포함하는 촉매 지지체를 포함한다.The present invention includes a catalyst support comprising the nanoribbons described above.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노리본은 매우 높은 활성을 가져 그 자체가 촉매로 활용될 수 있으나, 필요시 추가적인 이종의 촉매물질이 상술한 나노리본에 담지, 형성 또는 결합되는 촉매 지지체로도 활용될 수 있다.As described above, the nanoribbon according to the present invention has very high activity and can itself be used as a catalyst, but if necessary, an additional heterogeneous catalyst material is also supported as a catalyst support supported, formed, or bonded to the above-described nanoribbon. Can be utilized.

상술한 나노리본을 포함하는 촉매는, 종래 2차원 층상 구조의 전이금속-다이칼코겐화물을 촉매로 이용하는 것으로 알려진 다양한 반응에 사용될 수 있다. 구체적인 일 예로, 상술한 나노리본을 포함하는 촉매는 수소 발생반응(HER; hydrogen evolution reaction)용 촉매, 산화 반응용 촉매, 광분해용 촉매, 수소화(수소화 분해) 반응용 촉매 또는 산화적 탈수소화 반응용 촉매일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The catalyst including the above-described nanoribbon can be used in various reactions known to use a transition metal-dichalcogenide having a conventional two-dimensional layered structure as a catalyst. As a specific example, the catalyst including the above-described nanoribbons is a catalyst for hydrogen evolution reaction (HER), a catalyst for oxidation reaction, a catalyst for photolysis, a catalyst for hydrogenation (hydrocracking) reaction, or an oxidative dehydrogenation reaction. It may be a catalyst, but is not limited thereto.

또한, 필요시, 상술한 나노리본을 지지체로 하여, 나노리본에 Au, Pt, Ag, Pd등과 같은 활성금속이 로딩(결합, 형성, 담지)될 수 있으나, 본 발명이 나노리본에 로딩되는 구체 활성물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.In addition, if necessary, by using the above-described nanoribbon as a support, active metals such as Au, Pt, Ag, Pd, etc. may be loaded (bonded, formed, supported) on the nanoribbon, but the present invention is a sphere loaded on the nanoribbon. It goes without saying that it cannot be limited by the active substance.

본 발명은 상술한 나노리본을 함유하는 촉매를 포함하는 전극을 포함한다. 전극은 집전체 및 집전체의 일면 또는 양면에 위치하는 나노리본을 함유하는 촉매를 포함할 수 있다. 이때, 전극은 촉매를 집전체에 고정하기 위해 통상적으로 사용되는 고분자 바인더를 더 포함할 수 있음은 물론이며, 비록 촉매에 함유되는 나노리본이 금속성(도체)의 1T’ 상임에 따라 전도도 향상을 위한 별도의 도전제를 함유하지 않을 수 있으나, 필요시 도전제를 더 함유하여도 무방하며, 전극이 통상의 촉매 전극에서 사용되는 도전제를 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다. The present invention includes an electrode comprising a catalyst containing the nanoribbons described above. The electrode may include a current collector and a catalyst containing nanoribbons positioned on one or both sides of the current collector. At this time, of course, the electrode may further include a polymeric binder commonly used to fix the catalyst to the current collector, and although the nanoribbon contained in the catalyst is 1T' of metallic (conductor), It may not contain a separate conductive agent, but it may further contain a conductive agent if necessary, and the electrode should not be interpreted as excluding a conductive agent used in a conventional catalyst electrode.

상술한 나노리본은 촉매 특히 수소 발생 반응용 촉매로 매우 탁월하다. 이에, 본 발명은 상술한 나노리본을 포함하는 수소 발생 반응용 촉매를 포함한다. 수소 발생 반응시 상술한 나노리본의 우수한 활성에 의해 촉매는 동일 반응에서 가장 우수한 촉매능을 나타내는 Pt(III)보다 높은 전환 빈도(TOF;turnover frequency)를 가질 수 있으며, 실질적으로 1.50s-1 이상의 TOF, 보다 실질적으로 2.0s-1의 TOF, 보다 더 실질적으로 3.0s-1의 TOF를 가질 수 있다. 이때, TOF는 단위 시간 당의 TON 수를 의미하며, TON은 촉매의 단위 몰 수에서 변환되는 기질의 몰 수를 의미할 수 있음은 물론이다.The above-described nanoribbon is very excellent as a catalyst, especially a catalyst for hydrogen generation reaction. Accordingly, the present invention includes a catalyst for hydrogen generation reaction including the above-described nanoribbons. In the hydrogen generation reaction, due to the excellent activity of the above-described nanoribbon, the catalyst may have a higher turnover frequency (TOF) than Pt(III), which shows the best catalytic activity in the same reaction, and substantially 1.50s -1 or more. It may have a TOF, a TOF of more substantially 2.0s -1 , and a TOF of more substantially 3.0s -1 . In this case, TOF means the number of TONs per unit time, and TON can mean the number of moles of the substrate converted from the number of moles of the catalyst, of course.

또한, 상술한 나노리본의 우수한 활성에 의해 촉매는 30 내지 80mV(vs. RHE, RHE=가역적수소전극)의 낮은 전위에서 10mA/cm2이상의 전류밀도를 가질 수 있다. 또한, 상술한 나노리본의 우수한 활성에 의해 40.0mV/dec 이하, 구체적으로 37.0mV/dec 이하의 타펠 기울기를 가질 수 있다. In addition, due to the excellent activity of the above-described nanoribbons, the catalyst may have a current density of 10 mA/cm 2 or more at a low potential of 30 to 80 mV (vs. RHE, RHE = reversible hydrogen electrode). In addition, due to the excellent activity of the nanoribbons described above, it may have a Tafel slope of 40.0 mV/dec or less, specifically 37.0 mV/dec or less.

또한, 상술한 나노리본의 우수한 활성에 의해, 촉매는 지지체(집전체 포함)상 1 내지 100μg/cm2, 구체적으로 5 내지 50μg/cm2, 보다 구체적으로 5 내지 30μg/cm2 수준으로 미량 담지된 상태에서 안정적이고 우수한 촉매능을 나타낼 수 있다. Further, by the good activity of the above-described nanoribbons, the catalyst support (including the current collector), the 1 to 100μg / cm 2, particularly from 5 to 50μg / cm 2, more specifically, bearing a very small amount from 5 to 30μg / cm 2 level It is stable and can exhibit excellent catalytic performance in the state.

본 발명은 상술한 나노리본을 함유하는 촉매를 포함하는 수소 발생 반응용 전극(이하, HER 전극); 이를 포함하는 수소 발생 장치; 및 이를 이용한 수소 발생 방법을 포함한다.The present invention is an electrode for hydrogen generation reaction (hereinafter, HER electrode) comprising a catalyst containing the above-described nanoribbons; A hydrogen generating device comprising the same; And a hydrogen generation method using the same.

본 발명에 따른 수소 발생 장치는 상술한 나노리본이 촉매로 구비된 HER 전극; 상대전극; 및 전해질;을 포함할 수 있다. 전해질은 수계 전해질일 수 있으며, 구체적으로 산성화된 수계전해질일 수 있다. 산성화된 수계 전해질은 2 이하의 pH, 구체예로 0 내지 1의 pH, 다른 구체예로 0.1 내지 0.5의 pH를 가질 수 있으며, 산성화는 황산, 염산등의 무기산등에 의해 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The hydrogen generating device according to the present invention includes a HER electrode provided with the above-described nanoribbon as a catalyst; Counter electrode; And an electrolyte; may include. The electrolyte may be an aqueous electrolyte, and specifically, may be an acidified aqueous electrolyte. The acidified aqueous electrolyte may have a pH of 2 or less, a pH of 0 to 1 in a specific example, and a pH of 0.1 to 0.5 in another specific example, and the acidification may be made by inorganic acids such as sulfuric acid or hydrochloric acid, but is limited thereto. no.

상대전극은 전기화학적 수소 발생시 HER 전극의 대전극으로 사용되는 것으로 알려진 어떠한 전극이든 무방하다. 일 예로, 상대전극은 전이금속(Mn, Fe, Co, Ni, Cu등)의 산화물 또는 수산화물, Pt등과 같은 귀금속, 산화이리듐이나 산화루테늄등과 같은 귀금속 산화물등이 활성 물질로 구비된 전극일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적으로 수소를 생성하는데 사용되는 것으로 알려진 통상의 전해질 및 상대전극이면 족하다. 또한, 필요시 수소 발생 장치는 HER 전극과 상대전극 사이에 위치하는 분리막(멤브레인)을 더 포함할 수 있으며, 분리막에 의해 각 전극의 공간이 구획될 수 있다. 이때, 분리막은 수소 이온 전도성 분리막일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The counter electrode may be any electrode known to be used as a counter electrode of the HER electrode when electrochemical hydrogen is generated. For example, the counter electrode may be an electrode provided with an oxide of a transition metal (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, etc.) or a noble metal such as hydroxide, Pt, or a noble metal oxide such as iridium oxide or ruthenium oxide as an active material. However, it is not necessarily limited thereto, and a conventional electrolyte and a counter electrode known to be used to generate hydrogen electrochemically are sufficient. In addition, if necessary, the hydrogen generating device may further include a separator (membrane) positioned between the HER electrode and the counter electrode, and the space of each electrode may be partitioned by the separator. In this case, the separator may be a hydrogen ion conductive separator, but is not limited thereto.

본 발명은 상술한 수소 발생 장치를 이용한 수소 발생 방법을 포함한다.The present invention includes a hydrogen generating method using the above-described hydrogen generating device.

본 발명은 상술한 나노리본을 함유하는 촉매를 포함하는 수소 발생 반응용 전극(HER 전극)을 이용한 수소 발생 방법을 포함한다. 상세하게, 분리막이 그 사이에 위치하는 HER 전극과 상대전극이 전해질과 접촉한 상태에서 HER 전극 및 상대전극간 전압을 인가하여 수소를 생성할 수 있다. 이때, 상대전극, 전해질은 수소 발생 장치에서 상술한 내용과 동일 내지 유사하다.The present invention includes a method for generating hydrogen using an electrode for hydrogen generation reaction (HER electrode) including a catalyst containing the nanoribbons described above. In detail, hydrogen may be generated by applying a voltage between the HER electrode and the counter electrode in a state in which the HER electrode and the counter electrode disposed between the separator and the counter electrode are in contact with the electrolyte. At this time, the counter electrode and the electrolyte are the same or similar to those described above in the hydrogen generating device.

나아가, 본 발명은 상술한 나노리본을 함유하는 촉매는 산소발생반응(OER), 슈퍼캐패시터, 및 배터리의 응용에도 더 적용될 수 있다.Further, in the present invention, the catalyst containing the nanoribbons described above can be further applied to applications of oxygen generation reaction (OER), supercapacitors, and batteries.

(실시예 1) 1T’ 상의 MoS2 나노리본의 제조(Example 1) Preparation of MoS 2 nanoribbons on 1T'

이하의 모든 절차는 N2 분위기하 글러브 박스에서 수행되었다.All of the following procedures were performed in a glove box under an N 2 atmosphere.

1) 2H상의 벌크 MoS2 파우더(순도 99.8%)를 진공분위기하 60℃에서 48시간 동안 방치하여, 벌크 MoS2 파우더 내의 가스를 제거(탈기)하였다.1) 2H-phase bulk MoS 2 powder (purity 99.8%) was left at 60° C. for 48 hours in a vacuum atmosphere to remove (degas) gas in the bulk MoS 2 powder.

2) 탈기된 2H상의 벌크 MoS2 파우더 100mg을 0.48 M의 n-부틸리튬/헥산 용액(이하, n-BuLi, stock 농도=16 M) 10 mL에 첨가하고 90℃에서 48시간동안 교반하여 제1현탁액을 형성하였다. 이때, n-BuLi에 투입된 탈기된 벌크 MoS2 파우더의 고정용량은 10mg/mL이다.2) Degassed 2H bulk MoS 2 powder 100 mg was added to 10 mL of a 0.48 M n-butyllithium/hexane solution (hereinafter, n-BuLi, stock concentration = 16 M), and stirred at 90° C. for 48 hours to A suspension was formed. At this time, the fixed volume of degassed bulk MoS 2 powder added to n-BuLi is 10 mg/mL.

3) 제조된 제1현탁액을 밀리포어 막(Millipore membrane)을 통해 여과하고 헥산으로 수회 세척하여 잔여의 n-BuLi로부터 리튬 이온이 삽입된 MoS2 벌크를 분리하였다.3) The prepared first suspension was filtered through a Millipore membrane and washed several times with hexane to separate the MoS 2 bulk containing lithium ions from the remaining n-BuLi.

4) 상기 리튬 이온이 삽입된 MoS2 벌크를 산소수(Oxygenated water)에 분산시키고 상온에서 500 W로 약 30분 동안시간 동안 초음파 처리하여 박리하였다. 이때, 산소수(Oxygenated water)는 밀폐된 용기에 담긴 물에 산소가스를 1시간동안 주입하여 수득한 포화 산소를 갖는 물이다.4) The lithium ion-inserted MoS 2 bulk was dispersed in oxygenated water, and then separated by ultrasonic treatment at 500 W for about 30 minutes at room temperature. At this time, oxygenated water is water having saturated oxygen obtained by injecting oxygen gas into water contained in a sealed container for 1 hour.

5) 헥산으로 채워진 칼럼(3000 mL)에 상기 4) 단계의 용액을 0.1 mL/min의 속도로 천천히 떨어 뜨려 Li+ 및 탄소를 침전시키고, 헥산 칼럼으로부터 회수된 용액을 고순도의 탈이온수에서 수회 원심분리하여 불순물 및 박리되지 않은 MoS2를 제거한 후 분취량(aliquot)을 회수하여 박리된 1T‘ 상의 MoS2 나노시트를 수득하였다.5) Slowly drop the solution of step 4) into a column (3000 mL) filled with hexane at a rate of 0.1 mL/min to precipitate Li + and carbon, and centrifuge the solution recovered from the hexane column several times in high-purity deionized water. After separating and removing impurities and non-exfoliated MoS 2 , an aliquot was recovered to obtain exfoliated 1T'-phase MoS 2 nanosheets.

6) 상기 회수된 1T‘ 상의 MoS2 나노시트를 200mL의 산소수로 채워진 용기에 담아 제2현탁액을 제조한 후, 상기 제2현탁액을 상온에서 500 W로 2시간 동안 초음파 처리하여 언집핑하였다.6) After preparing a second suspension by placing the recovered MoS 2 nanosheets on 1T' in a container filled with 200 mL of oxygen water, the second suspension was ultrasonicated at room temperature at 500 W for 2 hours to unzip.

7) 6) 단계의 용액을 충분히 숙성(aged)시키고 20000 rpm에서 2시간 동안 원심분리 한 후 Li 및 불순물이 포함된 상층액을 제거하여, 6) 단계의 용액으로부터 1T‘ 상의 MoS2 나노리본을 회수하였다.7) 6) sufficiently aging (aged), the solution of step and then centrifuged for 2 hours at 20000 rpm to remove the supernatant containing the Li and impurities, 6) from the solution of step a MoS 2 nanoribbons on 1T ' Recovered.

9) 회수된 1T‘ 상의 MoS2 나노리본을 에탄올 또는 물에 재분산시키고, 3000 rpm부터 8000 rpm까지 수회 원심분리 하여, 비박리 및 부분적으로 언집핑되지 않은 MoS2를 제거한 후 Ar 분위기하 40℃에서 진공 건조하여 MoS2 나노리본을 수득하였다.9) Recovered 1T'-phase MoS 2 nanoribbons were redispersed in ethanol or water, centrifuged several times from 3000 rpm to 8000 rpm to remove non-peelable and partially unziped MoS 2 at 40° C. under Ar atmosphere. Drying in vacuum to obtain a MoS 2 nanoribbon.

(실시예 2 내지 4) 1T’ 상의 MoSe2/MoTe2/WSe2 나노리본의 제조(Examples 2 to 4) Preparation of MoSe 2 /MoTe 2 /WSe 2 nanoribbons on 1T'

실시예 1의 1) 단계 및 2) 단계의 구체 물질 및 구체 실험 조건을 아래 표 1을 만족하도록 한 것만 배체하면 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 1T’ 상의 MoSe2/MoTe2/WSe2 나노리본의 제조을 제조하였다. MoSe 2 /MoTe 2 /WSe 2 nano on 1T' using the same method as in Example 1, if only the concrete materials and specific experimental conditions of the steps 1) and 2) of Example 1 were reconstituted to satisfy Table 1 below. The manufacture of the ribbon was prepared.

Figure pat00001
Figure pat00001

(비교예 1) 2H 상의 MoS2 나노시트의 제조(Comparative Example 1) Preparation of 2H-phase MoS 2 nanosheet

실시예 1의 4) 단계에서 리튬 이온이 삽입된 MoS2 벌크를 탈이온수(deionized water)에 분산시키고 500W에서 2시간 동안 초음파 처리하는 것 대신에 리튬 이온이 삽입된 MoS2 벌크를 에탄올-물 혼합액(부피비=1:1)에 분산시키고 500W에서 1시간 동안 초음파 처리하는 것만 배제하면 실시예 1의 1) 내지 5) 단계를 순차적으로 수행하여 2H 상의 MoS2 나노시트를 수득하였다.In step 4) of Example 1, instead of dispersing the lithium ion-inserted MoS 2 bulk in deionized water and sonicating at 500 W for 2 hours, the lithium ions intercalated MoS 2 bulk was added to an ethanol-water mixture. (Volume ratio = 1:1) and except for sonication at 500W for 1 hour, steps 1) to 5) of Example 1 were sequentially performed to obtain 2H-phase MoS 2 nanosheets.

(물성 분석)(Material property analysis)

미세구조를 분석하기 위하여, 투과전자현미경(transmission electron microscopy, 이하 TEM) 분석, 주사형 터널 현미경(scanning tunneling microscopy, 이하 STM) 및 분광법 (scanning tunneling spectroscopy, 이하 STS) 분석을 수행하였다. TEM 분석은 80 kV에서 운전되는 구면수차 보정 투과전자현미경(FEI spherical aberration-corrected 80-300 Titan environmental (scanning), FEI Titan E-(S)TEM)을 이용하여 수행되었으며, STM 및 STS 분석은 초고진공(ultrahigh vacuum)의 77 K에서 수행되었다. In order to analyze the microstructure, transmission electron microscopy (TEM) analysis, scanning tunneling microscopy (STM), and scanning tunneling spectroscopy (STS) analysis were performed. TEM analysis was performed using a spherical aberration-corrected transmission electron microscope (FEI spherical aberration-corrected 80-300 Titan environmental (scanning), FEI Titan E-(S)TEM) operated at 80 kV. It was carried out at 77 K in an ultrahigh vacuum.

결정 구조를 분석하기 위하여, 광 발광/라만(photoluminescence/Raman, 이하 PL/Raman) 분석 및 X-ray 광전자분광분석(X-ray photoelectron Spectroscopy, 이하 XPS)을 수행하였다. PL/Raman 분석은 대기 환경에서 분광광도계(WITEC alpha500 Confocal Raman system, 532nm, ~1mW)을 이용하여 수행되었다. 라만 산란은 대물렌즈 (Olympus ×100, 0.9 N.A.)에 의해 수집되고 각각 라만 및 PL 측정을 위해 1,800 및 600 line mm-1 격자로 분산되었다. XPS 분석은 광전자 분광기(K-Alpha, Thermo VG scientific)를 이용하여 수행되었다. 또한, pH 분석은 pH meter를 이용하여 pH를 측정함으로써 수행되었다.In order to analyze the crystal structure, photoluminescence/Raman (PL/Raman) analysis and X-ray photoelectron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy, hereinafter XPS) were performed. PL/Raman analysis was performed using a spectrophotometer (WITEC alpha500 Confocal Raman system, 532nm, ~1mW) in an atmospheric environment. Raman scattering was collected by an objective lens (Olympus × 100, 0.9 NA) and dispersed in 1,800 and 600 line mm -1 grids for Raman and PL measurements, respectively. XPS analysis was performed using a photoelectron spectroscopy (K-Alpha, Thermo VG scientific). In addition, the pH analysis was performed by measuring the pH using a pH meter.

(열역학적 분석)(Thermodynamic analysis)

열역학적 분석시 구조체의 산소 원자 결합 형태에 따른 산소 원자 결합에너지를 산출하기 위하여 밀도범함수(Density functional theory, DFT) 계산을 이용하였다. 상세하게, DFT 계산은 표 2와 같은 결합길이를 가정하여 수행되었다. 이때, 표 2의 TM-D는 전이금속 원자와 칼코겐 원자 사이의 결합 길이이며, D-H는 칼코겐 원자와 칼코겐 원자에 흡착된 수소 원자 사이의 결합 길이이다.In thermodynamic analysis, density functional theory (DFT) calculation was used to calculate the oxygen atom bonding energy according to the oxygen atom bonding type of the structure. In detail, the DFT calculation was performed assuming the coupling length shown in Table 2. In this case, TM-D in Table 2 is the bond length between the transition metal atom and the chalcogen atom, and D-H is the bond length between the chalcogen atom and the hydrogen atom adsorbed on the chalcogen atom.

Figure pat00002
Figure pat00002

(전기화학적 특성 분석)(Analysis of electrochemical properties)

전기화학적 특성 분석을 분석하기 위하여 3전극 셀을 구성하여 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, 이하 LSV)을 수행하여, Pt/C와 비교하였다. 15 μg의 실시예 1의 1T’ 상의 MoS2 나노리본(이하, uz-1T'), 1T’ 상의 MoS2 나노시트(이하, ef-1T'), 비교예 1의 2H 상의 MoS2 나노시트(이하, ef-2H/O2), 수화된(hydrated) LixMoS2(이하, uef-1T'/O2), 및 Pt/C(20% Pt on Vulcan XC72, Premetek, P10A200)를 각각 0.1mL의 에탄올에 분산하여 촉매 잉크를 제조하였다. 기준전극은 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode)을 사용하였고, 상대전극은 Pt를 사용하였으며, 작업 전극(working electrode)은 유리 탄소 전극 위에 단위 면적 당 15 μg/cm2단의 단위 면적 당 15 μg/cm2의 촉매가 로딩되도록 촉매 잉크를 도포하고 60 ℃에서 건조한 후 작업 전극의 표면상을 보호하기 위한 15 μg/cm2의 5% 나피온을 증착하여 사용하였으며, 0.5M H2SO4 전해액(pH 2, 수용액)에서 5 mV/s의 주사속도(Scan rate)로 수행하였다. 이때, 분석된 전위는 가역 수소 전극(reversible hydrogen electrode, RHE)에 대한 전위로 표시하였다.In order to analyze the electrochemical properties, a three-electrode cell was constructed and linear sweep voltammetry (LSV) was performed, and compared with Pt/C. Embodiment of the 15 μg Example 1 of 1T 'on MoS 2 nanoribbons (hereinafter, uz-1T'), MoS on the 2H of "MoS 2 nanosheets (hereinafter, ef-1T on ') Comparative Example 1, 1T 2 nanosheets ( Hereinafter, ef-2H/O 2 ) , hydrated LixMoS 2 (hereinafter, uef-1T'/O 2 ) , and Pt/C (20% Pt on Vulcan XC72, Premetek, P10A200) were each 0.1 mL of The catalyst ink was prepared by dispersing in ethanol. Saturated calomel electrode was used as the reference electrode, Pt was used as the counter electrode, and the working electrode was 15 μg/cm per unit area on a glass carbon electrode, and 15 μg/cm per unit area in two stages. After applying catalyst ink so that cm 2 of catalyst is loaded and drying at 60° C., 15 μg/cm 2 of 5% Nafion was deposited and used to protect the surface of the working electrode, and 0.5MH 2 SO 4 electrolyte (pH 2, aqueous solution) at a scan rate of 5 mV/s. At this time, the analyzed potential was expressed as a potential for a reversible hydrogen electrode (RHE).

도 2의 (a) 및 (b)는 각각 5분 및 60분의 초음파 처리 후 실시예 1(중간 제조물: 1T‘상의 MoS2 나노시트)의 SEM 분석 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이, 5분의 초음파 처리 후 1T‘상의 MoS2 나노시트의 에지(edge)가 언집핑되어 풀어지기 시작하는 것을 확인할 수 있으며, 60분의 초음파 처리 후 1T‘상의 MoS2 나노시트가 잘 규정된 띠 형태의 1T‘상 MoS2 나노리본으로 완전하게 언집핑되어 풀어진 것을 확인할 수 있다. 도 2의 (c)는 비교예 1(2H상의 MoS2 나노시트)의 SEM 분석 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이, 2H상의 MoS2 나노시트는 불규칙한 기공들이 생성되며 다공화될 뿐, 언집핑에 의해 리본화가 이루어지지 않음을 확인할 수 있다.2A and 2B are SEM analysis results of Example 1 (intermediate product: MoS 2 nanosheets on 1T') after 5 minutes and 60 minutes of ultrasonic treatment, respectively. As can be seen from the results, it can be seen that the edges of the MoS 2 nanosheets on 1T' are unziped and begin to be released after 5 minutes of ultrasonic treatment.After 60 minutes of ultrasonic treatment, the MoS 2 nanosheets on 1T' It can be seen that the 1T' phase MoS 2 nanoribbons in the form of a well-defined band were completely unziped and released. Figure 2 (c) is a SEM analysis result of Comparative Example 1 (2H-phase MoS 2 nanosheets). As can be seen from the results, it can be seen that the 2H-phase MoS 2 nanosheets generate irregular pores and become porous only, and it can be confirmed that ribbon formation is not achieved by unziping.

도 3은 각각 부분적으로 언집핑된 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본) SEM-EDS 분석 결과이다. 도시된 바와 같이, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)은 몰리브덴(Mo), 산소(O) 및 황(S) 원자가 전반적으로 균일하게 분포된 형태로 제조된 것을 확인 할 수 있다.3 is a SEM-EDS analysis result of Example 1 (MoS 2 nanoribbons on 1T') partially unziped, respectively. As shown, it can be seen that Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') was prepared in a form in which molybdenum (Mo), oxygen (O), and sulfur (S) atoms were uniformly distributed throughout.

도 4의 (a)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 TEM 분석 결과이며, 도 4의 (b)는 및 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 평균 길이 및 너비를 분석한 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 평균 길이(length)는 300 nm이며, 너비(width)는 40 nm임을 확인 할 수 있다. 도면으로 도시하지 않았으나, 실시예 2(1T' 상의 MoSe2 나노리본), 실시예 3(1T' 상의 MoTe2 나노리본) 및 실시예 4(1T' 상의 uz-1T' WSe2 나노리본) 역시 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)과 유사한 형태의 나노리본이 제조된 것을 확인하였다.Of Figure 4 (a) of Example 1 (1T 'on MoS 2 nanoribbons) are TEM analysis of the, (b) of Fig. 4 and Example 1 (1T' average length and width of the on MoS 2 nanoribbons) Is the result of analysis. As can be seen from the results, it can be seen that the average length of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') is 300 nm and the width is 40 nm. Although not shown in the drawings, Example 2 (MoSe 2 nanoribbon on 1T'), Example 3 (MoTe 2 nanoribbon on 1T') and Example 4 (uz-1T' WSe 2 nanoribbon on 1T') were also carried out. It was confirmed that a nanoribbon of a shape similar to Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') was prepared.

도 5는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 STEM 분석 결과로서, (a)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 확대된 격자를 도시한 결과이며, (b)는 FFT(Fast Fourier Transform) 변환한 회절 패턴이고, (c)는 분석 중에 안정화된 1T' 상의 MoS2 나노리본의 미세구조를 도시한 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 결정구조는 화학적으로 박리된 종래의 전이금속-다이칼코겐화물(MX2)과 유사하며, 왜곡된 1T 상(1T')의 결정격자 구조인 2a0x2a0 초격자 구조를 가짐을 알 수 있다. 'As STEM analysis of the (MoS 2 nanoribbons on, (a) in Example 1 (1T 5 Example 1 1T), and the result shows an enlarged grille on MoS 2 nanoribbons), (b) Is the FFT (Fast Fourier Transform) transformed diffraction pattern, and (c) is the result showing the microstructure of the MoS 2 nanoribbon stabilized during the analysis. As can be seen from the results, the crystal structure of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') is similar to a conventional transition metal-dichalcogenide (MX 2 ) chemically exfoliated, and a distorted 1T phase (1T' ), which is the crystal lattice structure of 2a 0 x2a 0 super lattice structure.

도 6은 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본, 1T‘ 상의 MoS2 나노시트) 및 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노시트)의 라만 스펙트럼 분석 결과이다. 도면에서, J1, J2 및 J3 피크는 1T' 상의 라만 피크이며, E1 2g 및 A1g는 각각 인-플레인 진동 모드 및 아웃-오브-플레인 진동모드와 관계된 피크이다. 도시된 바와 같이, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 라만 스펙트럼은 156 cm-1(J1), 228 cm-1(J2), 330 cm-1(J3) 및 401 cm-1(A1g)에서 강한 에너지 밴드가 관찰되며, 1T‘ 상의 MoS2 나노시트 및 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노시트)의 라만 스펙트럼은 383 cm-1(E1 2g) 및 404 cm-1(A1g)에서 강한 에너지 밴드가 관찰되는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 라만 스펙트럼에서는 MoS2의 인-플레인 진동 모드(E1 2g)를 나타내는 피크가 존재하지 않음을 확인할 수 있는데, 이는 1T‘ 상의 MoS2 나노시트가 언집핑되어 1T' 상의 MoS2 나노리본으로 변형됨에 따라 에지 사이트의 밀도(활성점 밀도)가 크게 증가되어 아웃-오브-플레인 진동 모드가 우선적으로 활성화되었기 때문이다. Figure 6 Example 1 is the result of the Raman spectrum analysis (1T 'on MoS 2 nanoribbons, 1T' MoS 2 nanosheets on) and Comparative Example 1 (MoS 2 on the nanosheet 2H). In the figure, J1, J2 and J3 peaks are Raman peaks on 1T', and E 1 2g and A 1g are peaks related to the in-plane vibration mode and the out-of-plane vibration mode, respectively. As shown, the Raman spectrum of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') is 156 cm -1 (J1), 228 cm -1 (J2), 330 cm -1 (J3) and 401 cm -1 ( A strong energy band is observed in 1g ), and Raman spectra of MoS 2 nanosheets on 1T' and Comparative Example 1 (MoS 2 nanosheets on 2H) are 383 cm -1 (E 1 2g ) and 404 cm -1 (A It can be seen that a strong energy band is observed at 1g ). In particular, Example 1 (1T 'MoS 2 nanoribbons on) in the Raman spectrum of the MoS 2 - may determine that the peak representing the plane vibration mode (E 1 2g) does not exist, which 1T' MoS 2 nm on the This is because the out-of-plane vibration mode was preferentially activated because the density of the edge site (active point density) was greatly increased as the sheet was unziped and transformed into a MoS 2 nanoribbon on 1T'.

도 7은 실시예 1(1T‘ 상의 MoS2 나노리본), 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노시트) 및 1T’:2H 복합 상의 나노시트의 XPS 분석 결과이다. 이때, 1T’:2H 복합 상의 나노시트는 낮은 농도의 n-부틸리튬/산소수 용액을 이용하여 MoS2 벌크에 리튬 이온을 인터칼레이션시킨 후 실시예와 유사하게 나노시트화 하여 제조하였다. 도시된 바와 같이, 초음파 처리를 통해 언집핑된 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 Mo 3d 궤도는 초음파 처리를 수행하지 않고 과산화수소 상에서 액상 박리되어 제조된 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노시트) 보다 결합에너지는 더 낮고, 강도는 더 높은 것을 알 수 있다. 이는, 실시예 1(1T‘ 상의 MoS2 나노리본)은 제조단계에서 산소(O) 원자와 황(S) 원자가 접촉되어 형성된 SO2가 산소 라인 결함(oxygenated line faults)을 따라 세로 방향(longitudinal)으로 에칭 제거됨으로써, 실시예 1(1T‘ 상의 MoS2 나노리본) 내의 산소 및 황의 전체 함량이 낮아져 몰리브덴의 강도는 증가되며, 산소 원자의 결합 에너지는 낮아지는 것으로 사료된다. 7 is an XPS analysis result of Example 1 (MoS 2 nanoribbons on 1T'), Comparative Example 1 (MoS 2 nanosheets on 2H) and 1T': 2H composite nanosheets. At this time, the nanosheets of the 1T':2H composite phase were prepared by intercalating lithium ions in the MoS 2 bulk using a low concentration n-butyllithium/oxygen solution, and then forming a nanosheet similar to the Example. As shown, the Mo 3d orbital of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') unziped through ultrasonic treatment was prepared by liquid separation on hydrogen peroxide without performing ultrasonic treatment, Comparative Example 1 (MoS 2 on 2H) It can be seen that the binding energy is lower and the strength is higher than that of the nanosheet). This is, in Example 1 (MoS 2 nanoribbons on 1T'), SO 2 formed by contacting oxygen (O) atoms and sulfur (S) atoms in the manufacturing step is longitudinal along oxygenated line faults. By etching and removing, the total content of oxygen and sulfur in Example 1 (MoS 2 nanoribbons on 1T') was lowered, thereby increasing the strength of molybdenum and lowering the binding energy of oxygen atoms.

도 8의 (a)는 실시예 1(1T‘ 상의 MoS2 나노리본)의 제조단계에서 리튬이 삽입된 MoS2(LixMoS2)의 박리 및 언집핑시 초음파 인가 시간에 따른 pH 변화를 도시한 결과이다. 결과에서 알 수 있듯이, pH는 초기 14.2 pH(알칼리)에서 3.4 pH(산성)으로 급격히 감소되며, 초음파 인가 시간이 길어질수록 산도가 점진적으로 감소되는 것을 알 수 있다. 이러한 초기의 높은 알칼리성 pH는 리튬 삽입된 MoS2가 수화되며 생성된 LiOH에서 기인된 것이며, 또한 초기 5분 동안의 급격한 pH 변화(알칼리→산성)는 초음파가 인가되는 동안 산소와 황간의 결합에 의해 생성된 SO2의 용해(SO2 + H2O = H2SO3)에 의한 것이다. 이를 통해, 산소가 전이금속 다이칼코겐화물의 칼코겐과 결합하여 칼코겐을 에칭 제거하되, 전이금속 다이칼코겐화물 시트를 가로지르는 특정 위치들에 선택적으로 결합함으로써 리본화가 이루어짐을 알 수 있다. Figure 8 (a) is a result showing the pH change according to the ultrasonic application time during peeling and unziping of lithium-inserted MoS 2 (LixMoS 2 ) in the manufacturing step of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') to be. As can be seen from the results, it can be seen that the pH rapidly decreases from the initial 14.2 pH (alkali) to 3.4 pH (acidic), and the acidity gradually decreases as the ultrasonic application time increases. This initial high alkaline pH is caused by LiOH generated by the hydration of lithium-intercalated MoS 2 , and the rapid pH change (alkali→acidity) during the initial 5 minutes is caused by the combination of oxygen and sulfur during the application of ultrasonic waves. This is due to the dissolution of the produced SO 2 (SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 ). Through this, it can be seen that the oxygen is combined with the chalcogen of the transition metal dichalcogenide to remove the chalcogen by etching, but it can be seen that ribbon formation is achieved by selectively bonding to specific positions across the transition metal dichalcogenide sheet.

이와 같이, 실시예 1의 제조단계에서 1T’ 상의 MoS2 나노시트의 S 원자가 O 원자와 접촉되어 에칭 제거됨에 따라 1T’ 상의 MoS2 나노리본으로 언집핑되는 과정을 이론적으로 확인하기 위하여, S 원자가 에칭될 때의 결합에너지를 DFT 계산을 통해 산출하였으며, 이를 도 8의 (b)에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 1T’ 상의 MoS2 나노시트의 기저면에 O 원자가 S 원자와 접촉하면, S 원자의 공공(vacancy)이 생성되며 SO2 종으로 전환됨에 따라, 1T’ 상의 MoS2 나노시트의 결합 에너지는 음의 값으로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.As described above, in order to theoretically confirm the process of unziping into the MoS 2 nanoribbons on 1T' as the S atoms of the MoS 2 nanosheets on 1T' are contacted with O atoms and etched away in the manufacturing step of Example 1, S valence The binding energy at the time of etching was calculated through DFT calculation, which is shown in (b) of FIG. 8. , 1T combination of MoS 2 nano-sheet on the "Contact with O atoms are S atoms in the basal plane of MoS 2 nanosheets on the public (vacancy) of the S atoms is created and, 1T depending on converted into SO 2 species' as illustrated It can be seen that the energy decreases to a negative value.

이에 더하여, MoS2의 결정상 구조 및 산소(O) 원자의 결합 형태에 따른 산소 원자 당 결합 에너지(eV)를 DFT 계산을 통해 산출하여 도 9에 도시하였으며, 도 9의 (a) 및 (b)는 각각 1T’ 상의 MoS2 나노시트 및 2H 상의 MoS2 나노시트이다. 도면에서, eV는 각각의 나노시트에서 상이한 산소 원자 결합 형태(불규칙(random) 또는 직선(linear)에 따른 산소 원자 당 결합 에너지로서, DFT 계산을 통해 산출되었으며, DFT 계산 시 MoS2 표면에 결합되는 산소 원자의 양이 동일하도록 가정하였다. 결과에서 알 수 있듯이, 1T' 상의 MoS2 나노시트의 산소 원자 결합 에너지는 불규칙 또는 직선 형태일 경우에 각각 -0.75 eV 또는 -0.95 eV로, 산소 원자가 직선 형태로 결합되었을 때의 결합 에너지가 더 낮아, 에칭 시 직선 형태로 자발적 언집핑(unzipping)됨을 알 수 있다. 반면, 2H 상의 MoS2 나노시트의 산소 원자 결합 에너지는 불규칙 또는 직선 형태일 경우에 각각 -0.67 eV 또는 -0.63 eV로, 산소 원자가 불규칙하게 결합되었을 때의 결합 에너지가 더 낮아, 불규칙한 위치에서 산소에 의한 칼코겐 에칭이 발생하여 리본화가 아닌 다공화됨을 알 수 있다.In addition, the binding energy (eV) per oxygen atom according to the crystalline structure of MoS 2 and the bond form of the oxygen (O) atom was calculated through DFT calculation and shown in FIG. 9, and FIGS. 9A and 9B MoS 2 is a nanosheet and MoS 2 on the nanosheet on each 2H 1T '. In the drawing, eV is a binding energy per oxygen atom according to a different oxygen atom to form (irregular (random), or straight (linear) in each of the nano-sheet, which was calculated by the DFT calculation, coupled to the MoS 2 surface in DFT calculation As can be seen from the results, the oxygen atom binding energy of the MoS 2 nanosheet on 1T' is -0.75 eV or -0.95 eV, respectively, in the case of irregular or linear form, and the oxygen atom is in a linear form. It can be seen that the binding energy when bonded to is lower, and it is spontaneously unzipping in a straight line during etching, whereas the binding energy of oxygen atoms of the MoS 2 nanosheets on 2H is irregular or linear, respectively- As 0.67 eV or -0.63 eV, the binding energy when oxygen atoms are irregularly bonded is lower, and it can be seen that chalcogen etching occurs by oxygen at irregular locations, resulting in porosity rather than ribbon formation.

보다 자세하게, 상이한 칼코겐 원소를 가지는 전이금속-다이칼코겐화합물의 결정상 구조 및 산소(O) 원자의 결합 형태에 따른 산소 원자 당 결합 에너지(eV)를 DFT 계산을 통해 산출하여 표 3에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 칼코겐의 종류(S, Se 및 Te)에 상관없이 2H 상 보다 1T’ 상, 불규칙 결합 보다 직선 결합일 경우에 결합에너지가 보다 낮음을 알 수 있다. In more detail, the binding energy (eV) per oxygen atom according to the crystal phase structure of the transition metal-dichalcogen compound having different chalcogen elements and the bond form of the oxygen (O) atom was calculated through DFT calculation and is shown in Table 3. . As shown, it can be seen that, regardless of the type of chalcogen (S, Se, and Te), the binding energy is lower in the case of a 1T' phase than a 2H phase and a linear bond than an irregular bond.

Figure pat00003
Figure pat00003

도 10의 (a) 및 (b)는 각각 비교예 1(2H 상의 MoS2 나노리본) 및 실시예 1(1T’ 상의 MoS2 나노리본)의 원자 구조에서 황(S) 원자가 상이한 결합을 가지는 것을 보여주는 모식도(삽도)와 DFT 계산을 통해 산출된 상이한 황 원자의 위치에 따른 국소 전자상태밀도함수(local electron density of state, LDOS)를 비교한 결과이다. 도시된 바와 같이, 실시예 1의 경우(1T’상)에는 S1이 S2 보다 높은 상태 밀도를 가지는 것을 알 수 있는데, 이는 S1의 페르미 레벨이 S2 보다 높기 때문이다. 따라서, 1T’ 상의 경우 S1이 S2 보다 높은 페르미 레벨을 가짐에 따라 더 높은 상태 밀도를 가져 S 원자와 산소의 p 궤도 사이에서 더 강한 혼성화(hybridization) 경향을 가지는 것을 예측할 수 있다. 또한, 비교예 1(2H상)의 경우에는 S1 및 S2 사이의 전자 상태 밀도의 차이가 거의 없기 때문에 불규칙적인 산소 결합이 발생됨을 확인할 수 있다.10A and 10B show that the sulfur (S) atoms have different bonds in the atomic structures of Comparative Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 2H) and Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T′), respectively. This is the result of comparing the local electron density of state (LDOS) according to the location of different sulfur atoms calculated through the schematic diagram (inset) and DFT calculation. As shown, in the case of Example 1 (1T' phase), it can be seen that S1 has a higher density of states than S2, because the Fermi level of S1 is higher than S2. Therefore, in the case of the 1T' phase, as S1 has a higher Fermi level than S2, it can be predicted that it has a higher density of states and a stronger hybridization tendency between the S atom and the p orbital of oxygen. In addition, in the case of Comparative Example 1 (2H phase), it can be confirmed that irregular oxygen bonding occurs because there is almost no difference in the density of electrons between S1 and S2.

도 11은 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, 이하 HER)에 대한 촉매활성을 분석한 결과이다. 도 11의 (a) 및 (b)는 각각 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, 이하 LSV) 그래프 및 LSV로부터 도출된 Tafel 기울기를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, uz-1T'는 매우 적은 담지량(10-15 μg/cm2)에도 불구하고 매우 낮은 전위(~70 mV, RHE 대비)에서 10 mA/cm2의 전류 밀도(j), 36.2 mV/dec의 tafel 기울기 및 8.8x10-6 A/cm2의 교류 전류 밀도를 가져, 가장 우수한 HER 촉매 활성을 보이며, 또한 종래의 Pt/C 촉매와 유사한 HER 촉매 특성을 가져, 귀금속의 Pt/C를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, ef-1T'는 uef-1T'/O2 보다 더 우수한 HER 성능을 보이는 것을 알 수 있는데, 이를 통해 금속의 결정상과 무관하게 보다 얇은 층의 MoS2가 수소발생반응에 대한 촉매 활성이 우수함을 알 수 있다. 또한 고다공성 및 박리 된 ef-2H/O2는 박리되어 유사한 두께를 가지는 나노시트들 중 가장 낮은 HER 촉매 활성을 보였는데, 이는 고밀도의 에지 사이트(활성점)가 결정 평면 내의 공극 주위에 생성되었을지라도, 2H 상으로부터의 기인되는 낮은 전기전도도에 의하여 전하 이동이 방지되어 HER 촉매 활성은 저하되는 것으로 해석된다. 11 is a result of analyzing the catalytic activity of a hydrogen evolution reaction (HER). 11A and 11B are graphs of Linear Sweep Voltammetry (LSV) graphs and Tafel slopes derived from LSVs, respectively. As shown, uz-1T' has a current density (j) of 10 mA/cm 2 at a very low potential (~70 mV, compared to RHE), 36.2 despite a very small loading amount (10-15 μg/cm 2 ). It has a tafel slope of mV/dec and an alternating current density of 8.8x10-6 A/cm 2 , showing the best HER catalytic activity, and also has HER catalytic properties similar to the conventional Pt/C catalyst, and Pt/C of noble metal It is expected to be able to replace. On the other hand, it can be seen that ef-1T' exhibits better HER performance than uef-1T'/O 2 .Through this, a thinner layer of MoS 2 has excellent catalytic activity for hydrogen evolution regardless of the crystal phase of the metal. Can be seen. In addition, high porosity and exfoliated ef-2H/O 2 exhibited the lowest HER catalytic activity among nanosheets having a similar thickness due to exfoliation, which indicates that high-density edge sites (active points) were generated around pores in the crystal plane. However, it is interpreted that charge transfer is prevented by the low electrical conductivity resulting from the 2H phase and thus the HER catalytic activity is lowered.

도 11의 (c)는 전기화학 임피던스 분석(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 이하 EIS) 결과이다. 도시된 바와 같이, uz-1T'는 ef-1T'와 비교하여 더 높은 저항을 가지는 것을 알 수 있는데, 이는, 언집핑 및 산소 결합(S 원자에 O 원자가 결합되는 과정) 시 결정면의 파괴로 인하여 전기 전도 특성이 저하되었기 때문이다. 도 11의 (d)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 1000 사이클 전후 HER 촉매 특성을 비교한 결과 및 -0.3 V에서 10시간동안 작동된 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 전류 밀도를 분석한 결과(삽도)이다. 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1은 1000 사이클 전후 HER 촉매 특성은 거의 변함없이 유지되었으며, 또한 -0.3 V에서 10시간의 작동하는 동안에도 초기의 미소 감소량을 제외하면 일정한 전류밀도 값으로 안정적이게 유지되는 것을 알 수 있다. 도면으로 도시하지 않았으나, 실시예 2(1T' 상의 MoSe2 나노리본), 실시예 3(1T' 상의 MoTe2 나노리본) 및 실시예 4(1T' 상의 WSe2 나노리본) 역시 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본: 도면에서 uz-1T' MoS2)과 유사한 HER 촉매 활성을 보이는 것을 확인 할 수 있었다.(C) of FIG. 11 is a result of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). As shown, it can be seen that uz-1T' has a higher resistance compared to ef-1T', which is due to the destruction of the crystal plane during unziping and oxygen bonding (the process of bonding O atoms to S atoms). This is because the electrical conduction characteristics have deteriorated. Figure 11 (d) is a result of comparing the HER catalyst properties before and after 1000 cycles of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') and Example 1 (MoS 2 nano on 1T' operated for 10 hours at -0.3 V) Ribbon) is the result of analyzing the current density (inset). As can be seen from the results, in Example 1, the HER catalyst characteristics were almost unchanged before and after 1000 cycles, and even during operation at -0.3 V for 10 hours, except for the initial small reduction amount, it was stably maintained at a constant current density value. I can see that it is. Although not shown in the drawings, Example 2 (MoSe 2 nanoribbons on 1T'), Example 3 (MoTe 2 nanoribbons on 1T') and Example 4 (WSe 2 nanoribbons on 1T') are also Example 1 (1T MoS 2 nanoribbons on': uz-1T' MoS 2 in the figure showed similar HER catalytic activity.

도 12의 (a)는 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 수소발생반응에 대한 촉매 활성을 이론적으로 조사하기 위하여, 표준 접근법(standard approach)을 기반으로 한 DFT 계산을 통해 1T' 상의 MoS2 나노리본의 기저면(basal plane) 및 에지 활성 사이트 모두에서 수소 흡착탈착을 위한 Gibbs 자유 에너지(이하, △GH*)를 계산하여 종래의 Pt(111)와 비교한 결과이다. 이때, △GH*)는 평형전위(equilibrium potential)에서 계산되었으며, 도면에서, *는 흡착 사이트(활성 점)이며, H*는 표면에 흡착된 수소 원자이다. 도시된 바와 같이, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 부동태화된 에지(passivated edges)는 기저면 대비 높은 활성 점을 가지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 △GH*가 다른 Mx2(MoSe2, MoTe2 및 WSe2)나 Pt(111) 대비 0에 가까운 것을 확인 할 수 있는데, 이를 통해 실시예 1이 다른 Mx2나 Pt(111) 대비 현저하게 우수한 HER 활성을 가짐을 예측할 수 있다.12(a) is 1T' through DFT calculation based on a standard approach in order to theoretically investigate the catalytic activity for hydrogen evolution of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T'). Gibbs free energy (hereinafter, ΔG H* ) for hydrogen adsorption and desorption was calculated at both the basal plane and the edge active site of the MoS 2 nanoribbon of the phase and compared with the conventional Pt(111). At this time, ΔG H* ) was calculated from the equilibrium potential, and in the figure, * is an adsorption site (active point), and H * is a hydrogen atom adsorbed on the surface. As shown, it can be seen that the passivated edges of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') have a higher active point compared to the base surface. In particular, it can be confirmed that △G H* of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') is close to 0 compared to other Mx 2 (MoSe 2 , MoTe 2 and WSe 2 ) or Pt (111), through which It can be predicted that Example 1 has remarkably superior HER activity compared to other Mx 2 or Pt (111).

이에 더하여, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본) 및 순수한 금속의 교환 전류 밀도(jo)를 DFT 계산을 통해 산출하고, 이를 도 12의 (b)에 도시하였다. 이때, 교환 전류 밀도는 흡착된 원자 수소의 Gibbs 자유 에너지의 함수(DGH*)로서 계산되었으며, 비교를 위해 Pt의 활성점 밀도(1.5x1015 sites/cm2)로 표준화되었다. 도시된 바와 같이, 양성자(proton) 및 가스 상태의 수소와 비슷한 흡착 자유에너지를 갖는 촉매(Pt 및 Pd와 같은 대표적인 귀금속 촉매)가 HER 활성이 가장 높은, 일종의 화산 도표(volcano plot)가 그려짐을 알 수 있다. 이는 촉매 반응 개념에서 널리 알려진 사바티에 원리(Sabatier principle)의 좋은 예이다. 한편, 실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)은 이러한 Pt 및 Pd 촉매 그룹과 필적하는 우수한 HER 촉매 특성을 가지는 것을 알 수 있다.In addition, the exchange current density (jo) of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T') and pure metal was calculated through DFT calculation, and this is shown in FIG. 12B. At this time, the exchange current density was calculated as a function of the Gibbs free energy of the adsorbed atomic hydrogen (DG H* ), and for comparison, it was normalized to the active point density of Pt (1.5x10 15 sites/cm 2 ). As shown, it can be seen that a catalyst with adsorption free energy similar to that of proton and gaseous hydrogen (typical noble metal catalysts such as Pt and Pd) has the highest HER activity, and a kind of volcano plot is drawn. I can. This is a good example of the well-known Sabatier principle in the concept of catalytic reaction. On the other hand, it can be seen that Example 1 (MoS 2 nanoribbons on 1T') has excellent HER catalyst properties comparable to these Pt and Pd catalyst groups.

실시예 1(1T' 상의 MoS2 나노리본)의 수소발생반응에 대한 촉매 특성을 더 알아보기 위하여, 수소전환효율(turnover frequency, 이하 TOF)을 계산하였으며, 이를 종래의 귀금속 촉매인 Pt와 비교하여 표 4에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 실시예 1은 Pt와 현저하게 우수한 HER 촉매 활성을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해, 귀금속의 HER 촉매를 대체할 수 있음을 알 수 있다. 여기에서, 종래의 귀금속 촉매인 Pt의 물성은 Science 317, 100 (2007)을 참조하였다.In order to further investigate the catalytic properties of the hydrogen generation reaction of Example 1 (MoS 2 nanoribbon on 1T'), the hydrogen conversion efficiency (turnover frequency, hereinafter TOF) was calculated, and compared with Pt, a conventional noble metal catalyst. It is shown in Table 4. As shown, it can be seen that Example 1 has remarkably excellent HER catalytic activity with Pt. Through this, it can be seen that it can replace the HER catalyst of noble metals. Here, the physical properties of Pt, a conventional noble metal catalyst, were referred to Science 317, 100 (2007).

Figure pat00004
Figure pat00004

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, in the present invention, specific matters and limited embodiments and drawings have been described, but this is provided only to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is Those of ordinary skill in the relevant field can make various modifications and variations from these descriptions.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and all things that are equivalent or equivalent to the claims as well as the claims to be described later fall within the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (15)

왜곡된 1T 상(distorted 1T, 1T’)의 단층 전이금속-다이칼코겐화물(monolayer transition metal dichalcogenide) 나노리본을 포함하는 촉매.A catalyst comprising a distorted 1T (1T') monolayer transition metal dichalcogenide nanoribbon. 제 1항에 있어서,
상기 나노리본은 라만 스펙트럼상 E1 2g 피크가 나타나지 않거나 A1g 피크의 강도를 기준(1)으로 0.1 이하의 강도를 갖는 촉매.
The method of claim 1,
The nanoribbon is a catalyst having no E 1 2g peak in the Raman spectrum, or having an intensity of 0.1 or less based on the intensity of the A 1g peak (1).
제 1항에 있어서,
상기 나노리본의 에지(edge) 밀도는 1015 개/cm2 이상인 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst has an edge density of 10 15 pieces/cm 2 or more of the nanoribbons.
제 1항에 있어서,
상기 나노리본은 평균 길이가 100 내지 800nm이며, 평균 폭이 10 내지 70nm인 띠 형상인 촉매.
The method of claim 1,
The nanoribbons have an average length of 100 to 800 nm, and an average width of 10 to 70 nm of a band-shaped catalyst.
제 1항에 있어서,
상기 전이금속-다이칼코겐화물의 전이금속은 VIB족 전이금속인 촉매.
The method of claim 1,
The transition metal of the transition metal-dichalcogenide is a group VIB transition metal catalyst.
제 1항에 있어서,
상기 전이금속-다이칼코겐화물의 칼코겐은 S, Se 및 Te에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 촉매.
The method of claim 1,
The transition metal-dichalkogenide chalcogen is one or two or more selected from S, Se and Te catalyst.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 수소발생반응(HER; Hydrogen Evolution Reaction)용인 촉매.A catalyst for hydrogen evolution (HER; Hydrogen Evolution Reaction) comprising the catalyst according to any one of claims 1 to 6. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 포함하는 촉매 지지체.A catalyst support comprising the catalyst according to any one of claims 1 to 6. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 이용한 전기화학적 수소 발생방법.A method for generating electrochemical hydrogen using the catalyst according to any one of claims 1 to 6. 왜곡된 1T 상(distorted 1T, 1T’)의 단층 전이금속-다이칼코겐화물(monolayer transition metal dichalcogenide) 나노리본.Distorted 1T (1T') monolayer transition metal dichalcogenide nanoribbons. 1T’상의 전이금속-다이칼코겐화물 나노시트를 반응 이온과 접촉시켜 1T' 상의 단층 전이금속-다이칼코겐화물 나노리본을 제조하는 언집핑 단계;를 포함하는 나노리본의 제조방법.An unziping step of preparing a single-layer transition metal-dichalcogenide nanoribbon by contacting the 1T'-phase transition metal-dichalkogenide nanosheet with reactive ions. 제 11항에 있어서,
상기 접촉은 반응 이온을 함유하는 언집핑 액과의 혼합에 의해 수행되는 나노리본의 제조방법.
The method of claim 11,
The contact is a method of manufacturing a nanoribbon performed by mixing with an unziping liquid containing reactive ions.
제 12항에 있어서,
상기 반응 이온은 산소 이온, 질소 이온 또는 인 이온 등에서 하나이상 선택되는 이온인 나노리본의 제조방법.
The method of claim 12,
The reaction ions are oxygen ions, nitrogen ions, phosphorus ions, and the like.
제 12항에 있어서,
상기 나노시트와 혼합된 언집핑 액에 초음파가 인가되는 나노리본의 제조방법.
The method of claim 12,
A method of manufacturing a nanoribbon in which ultrasonic waves are applied to the unziping liquid mixed with the nanosheets.
제 11항에 있어서,
상기 접촉 전, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온이 벌크 전이금속-다이칼코겐화물 층간에 삽입된 전이금속-다이칼코겐화물 층간 화합물을 제조하는 이온삽입 단계;를 더 포함하는 나노리본의 제조방법.
The method of claim 11,
Before the contact, an ion insertion step of preparing a transition metal-dichalcogenide interlayer compound in which an alkali metal or alkaline earth metal ions are intercalated between the bulk transition metal-dichalcogenide layers.
KR1020190118089A 2019-09-25 2019-09-25 The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same KR102309121B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190118089A KR102309121B1 (en) 2019-09-25 2019-09-25 The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190118089A KR102309121B1 (en) 2019-09-25 2019-09-25 The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210036087A true KR20210036087A (en) 2021-04-02
KR102309121B1 KR102309121B1 (en) 2021-10-08

Family

ID=75466641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190118089A KR102309121B1 (en) 2019-09-25 2019-09-25 The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102309121B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115261818A (en) * 2021-04-30 2022-11-01 香港中文大学 Method for preparing gold nanoparticles on surface of two-dimensional 1T' phase transition metal telluride

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240079667A (en) 2022-11-29 2024-06-05 숙명여자대학교산학협력단 Transition metal phosphide and transition metal chalcogen compound-based hydrogen evolution catalyst and manufacturing method thereof
KR20240079666A (en) 2022-11-29 2024-06-05 숙명여자대학교산학협력단 Platinum group metal phosphide and transition metal phosphide-based hydrogen evolution catalyst and manufacturing method thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101866865B1 (en) 2017-01-25 2018-06-14 이화여자대학교 산학협력단 Nanosheet hybrid composite, method for preparing the same, and catalyst including the same for hydrogen evolution reaction
KR20190029345A (en) * 2017-09-12 2019-03-20 성균관대학교산학협력단 Catalyst for formation of hydrogen and hydrogen energy generator comprising thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101866865B1 (en) 2017-01-25 2018-06-14 이화여자대학교 산학협력단 Nanosheet hybrid composite, method for preparing the same, and catalyst including the same for hydrogen evolution reaction
KR20190029345A (en) * 2017-09-12 2019-03-20 성균관대학교산학협력단 Catalyst for formation of hydrogen and hydrogen energy generator comprising thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ACS APPL. MATER. INTERFACES(2017.12.13)* *
PHYSICAL REVIEW B(2015.02.05)* *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115261818A (en) * 2021-04-30 2022-11-01 香港中文大学 Method for preparing gold nanoparticles on surface of two-dimensional 1T' phase transition metal telluride
CN115261818B (en) * 2021-04-30 2024-05-03 香港中文大学 Method for preparing gold nano particles on surface of two-dimensional 1T' phase transition metal telluride

Also Published As

Publication number Publication date
KR102309121B1 (en) 2021-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Transition metal nitrides for electrochemical energy applications
Tavakkoli et al. Mesoporous single-atom-doped graphene–carbon nanotube hybrid: Synthesis and tunable electrocatalytic activity for oxygen evolution and reduction reactions
Nguyen et al. Hierarchical Co and Nb dual-doped MoS2 nanosheets shelled micro-TiO2 hollow spheres as effective multifunctional electrocatalysts for HER, OER, and ORR
Liu et al. Sulfurizing-induced hollowing of Co9S8 microplates with nanosheet units for highly efficient water oxidation
Tran et al. Ruthenium single atoms implanted continuous MoS2-Mo2C heterostructure for high-performance and stable water splitting
Zhang et al. Defect-rich 2D material networks for advanced oxygen evolution catalysts
Cui et al. 2 D materials for electrochemical energy storage: design, preparation, and application
Zeng et al. Bifunctional N-CoSe2/3D-MXene as highly efficient and durable cathode for rechargeable Zn–air battery
Zeng et al. One-step, room temperature generation of porous and amorphous cobalt hydroxysulfides from layered double hydroxides for superior oxygen evolution reactions
Ding et al. MoS2 nanosheet assembling superstructure with a three-dimensional ion accessible site: a new class of bifunctional materials for batteries and electrocatalysis
Zhang et al. Constructing highly oriented configuration by few-layer MoS2: toward high-performance lithium-ion batteries and hydrogen evolution reactions
Liu et al. Synthesis of few-layer 1T′-MoTe 2 ultrathin nanosheets for high-performance pseudocapacitors
Liu et al. Interior and exterior decoration of transition metal oxide through Cu 0/Cu+ Co-doping strategy for high-performance supercapacitor
Tao et al. Spinel-type FeNi 2 S 4 with rich sulfur vacancies grown on reduced graphene oxide toward enhanced supercapacitive performance
Venkateshwaran et al. Template-driven phase selective formation of metallic 1T-MoS2 nanoflowers for hydrogen evolution reaction
Pomerantseva et al. Emerging nanostructured electrode materials for water electrolysis and rechargeable beyond Li-ion batteries
KR102309121B1 (en) The catalysis including transition metal dichalcogenides nanoribbons and methode for the same
Ulusoy Ghobadi et al. Catalytic properties of vanadium diselenide: a comprehensive study on its electrocatalytic performance in alkaline, neutral, and acidic media
US20210170384A1 (en) Molybdenum sulfide nanosheets decorated with iron phosphide for hydrogen gas evolution
Zhou et al. Colloidal WSe 2 nanocrystals as anodes for lithium-ion batteries
Zheng et al. Accessible active sites activated by cobalt-doping into MoS2/NiS2 nanosheet array electrocatalyst for enhanced hydrogen evolution reaction
Ding et al. Co0. 85Se@ C/Ti3C2Tx MXene hybrids as anode materials for lithium-ion batteries
Zhao et al. Amorphous MoS2 nanosheets on MoO2 films/Mo foil as free-standing electrode for synergetic electrocatalytic hydrogen evolution reaction
Jing et al. Constructing tunable core-shell Co5Ge3@ Co nanoparticles on reduced graphene oxide by an interfacial bonding promoted Kirkendall effect for high lithium storage performances
Zhang et al. Multimetallic transition metal phosphide nanostructures for supercapacitors and electrochemical water splitting

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right