The unique properties of carbon nano-onions (CNOs), including their nanometer-scale surface curvature and the ability to be functionally modified, have attracted significant attention in energy and environmental applications. However, conventional methods for synthesizing CNOs and subsequent functionalization treatments are associated with drawbacks such as prolonged processing times and high energy consumption. In order to overcome these challenges, we propose an innovative approach called intense pulsed light (IPL)-based photothermal annealing that enables the rapid synthesis of CNOs while simultaneously functionalizing their surfaces with single-atom catalysts (SACs). Our IPL process enables the attainment of temperatures up to 3030 K within a remarkably short duration of 1.4 ms (equivalent to a heating rate of 2.2 × 10⁶ K s⁻¹). Additionally, we demonstrate the broad applicability of SACs functionalization on the outer surface of CNOs by employing eight different transition metal elements (Pt, Ir, Ru, Cr, Cu, Co, Ni, and Fe). Among them, Pt SACs-functionalized CNOs exhibit outstanding catalytic performance in the hydrogen evolution reaction. These catalysts demonstrate an overpotential of only 13.9 mV at 10 mA cm⁻² and a Tafel slope of 52 mV dec⁻¹, thereby highlighting their remarkable efficiency and effectiveness.
나노미터 규모의 표면 곡률과 다양한 기능화 기능을 갖춘 탄소 나노어니언은 에너지 및 환경 응용 분야에서 주목을 받고 있다. 그러나 탄소 나노어니언을 합성하는 기존 방법과 기능화를 위한 합성 후처리는 시간이 많이 걸리고 높은 에너지가 소비되는 단점이 있다. 본 학위 논문에서는 이러한 문제를 극복하고, 탄소 나노어니언의 빠른 합성을 가능하게 하는 동시에 단원자 촉매를 기능화 하기 위해 초고속 광열처리를 이용하였다. 초고속 광열처리는 1.4 ms (2.2 × 10⁶ K s-⁻¹) 이내에 최대 3030 K에 도달하여 20 ms 이내에 나노다이아몬드에서 탄소 나노어니언으로의 성공적인 변환이 가능하고 에너지 소비 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소 나노어니언에 대한 단원자 촉매 기능화의 보편적인 적용 가능성을 입증하기 위해, 탄소 나노어니언에 8개의 다른 전이 금속 원소 (Pt, Ir, Ru, Cr, Cu, Co, Ni, 및 Fe)에 대해서도 성공적으로 기능화 하였다. 그 중 Pt 단원자가 기능화된 탄소 나노어니언은 수소발생반응에서 10 mA cm⁻² 전류밀도에서 13.9 mV의 과전압과 52 mV dec⁻¹의 Tafel 기울기로 뛰어난 촉매 성능을 나타낸다.
