Two-dimensional (2D) nanosheets are anisotropic materials with an ultrathin thickness of sub-nanometer. Since the graphene discovery, the potential unique properties of various 2D nanosheets have been studied based on the synthesis and exfoliation processes. The 2D nanosheet through bottom-up methods has the advantage of the unique characteristics by uniform synthesis, but the production rate is very lower than top-down processes. The 2D nanosheets through top-down methods has a advantage of the high production rate, but the yield is low and it is difficult to produce and maintain the single-sheet. Although 2D single-sheets of unique characteristics have been studied and applied to various applications, it is essential to develop a production system of a 2D single-sheet having high yield and high production rate in order to be used in industry. In this study, we have studied the production systems of 2D nanosheets, the analysis of fluids and materials, and the application of nanosheets produced using a Taylor-Couette flow reactor.
First, we have developed a very fast, scalable, high yield 2D nanosheet production process through high shear and effective mass transfer using controlled wavy Taylor-Vortex flow in Taylor-Couette flow generator. A high yield (76.9%), a high concentration (20 mg/mL) and a high production rate (8.6 g/h) were obtained by selecting graphene, molybdenum disulfide ($MoS_2$) and boron nitride (BN). The origin of such a high exfoliation system was found by analyzing the flow characteristics in the reactor through computational fluid dynamics (CFD) and analyzing the correlation between material and fluid molecules through calculation of density functional theory (DFT). In addition, the 2D nanosheets produced through the high shear mixing process were dispersed very stably in water and used very efficiently in post-treatment processes for applications such as vacuum filtration and inkjet printing. Through this process, it could be showed as a film electrode and a circuit with high capacitive performances and high electric conductivity.
Secondly, the 2D nanosheets produced in the Taylor-Couette flow generator are exfoliated with very low physical damage, resulting in very few defects and very large sheet sizes. Ionic liquid functionalized nanosheets are also suitable for films of volumetric energy storage electrode materials. Graphene nanosheets with few defects show very high electrical conductivity and metallic phase $MoS_2$ has a high theoretical capacity of 1,000 F/g. In addition, even if the two nanosheets are filmed at high packing density, the functionalization of the ionic liquid allows high ions mobility due to the ionic liquid present between the inter-sheets. The hybrid 2D-2D film had a high density of 2.02 g/$cm^3$, a very high volumetric capacitance of 1,430.5 F/$cm^3$ at 1 A/g, and a high charge/discharge capacity retention of 80% at 1,000 A/g. We have fabricated a flexible supercapacitor device with a high energy density of 1.14 Wh/$cm^3$ as a hybrid film with excellent characteristics.
Finally, we have developed uniformly deposited metal/metal oxides on 2D nanosheets using a Taylor-Couette flow reactor in a high shear and mixing flow. Because of the various properties of each substance, applications and researches on composite materials that can be used in various industrial fields are being actively carried out. 2D nanosheets with large surface area have been functionalized with ionic liquids and can be applied to substrates with various metal/metal oxide deposition characteristics. In addition, the excellent mixing properties of the Taylor-Couette flow reactor have resulted in the uniform formation of various metal/metal oxides such as manganese dioxide ($MnO_2$), palladium (Pd), platinum (Pt), ruthenium (Ru) on graphene and BN in 5 min. The deposition time of metal/metal oxide was at least 6 times faster than the previously reported large scale reactors such as hydrothermal reactor, ball mill reactor, and continuous stirred tank reactor. These very high mixing characteristics can be identified through a study of the residence time distribution of the device. The synthesized $MnO_2$/graphene composite was applied as an electrode to a supercapacitor storage device, resulting in a high energy density of 744 F/g at 1 A/g, a fast charge/discharge capacity retention of 94.7% at 1,000 A/g. In addition, the Pd/BN composte was applied as a catalyst to the 4-nitrophenol reduction reaction and showed a conversion efficiency close to 99% in 16 minutes.
In conclusion, Taylor-Couette flow system offered opportunities for the mass production of 2D nanosheets. Produced 2D nanosheets can be easily applied to fabricate nanocomposites, for electronics, biosensors, catalyst, and energy-storage/conversion systems. Our approach would be useful to overcome the limitation of the conventional material synthesis processes.
2차원 나노시트는 서브나노의 매우 얇은 두께를 갖는 이방성의 물질을 말한다. 그래핀이 발견 된 이후 수 많은 2차원 물질들의 나노시트가 갖고 있을 잠재적 특성들에 대한 기대로 나노시트의 합성과 박리를 통하여 연구되고 있다. 또한, 이렇게 발견 된 독특한 특성들을 다양한 응용분야에 적용하고자 2차원 나노시트의 대량생산에도 많은 연구자들이 관심을 기울이고 있다. 합성을 통한 2차원 나노시트의 상향식 방법은 물질의 독특한 특성이 매우 잘 나타나는 장점을 갖지만, 생산량이 매우 적고 비효율적인 단점이 한계로 나타나고 있다. 박리를 통한 2차원 나노시트의 하향식 방법은 생산량이 상대적으로 높지만 여전히 비효율 적이고, 나노시트의 독특한 특성이 가장 우수한 단일시트로의 생산과 유지가 쉽지 않은 단점이 있다. 독특한 특성의 2차원 단일시트들이 매우 우수한 물질로 다양한 응용분야에 적용되어야 하지만, 실제 공정에 사용되기 위해서는 2차원 단일시트로의 효율적인 생산 방법의 개발이 필수적이다. 이 연구에서는 이를 위해 테일러-쿠에트 흐름 발생장치를 이용하여 하향식 방식의 2차원 나노시트의 생산과, 유체와 물질의 해석, 생산 된 나노시트의 응용에 관해 연구하였다.
첫 번째로, 테일러-쿠에트 흐름 발생장치를 이용하여 제어 된 웨이비 테일러-볼텍스 흐름을 이용하여 높은 전단력과 효과적인 물질전달을 통하여 매우 빠르고, 확장가능하며, 높은 수율의 2D 나노시트 생산 프로세스를 개발하였다. 대표적인 2D 물질인 그래핀, 이황화 몰리브덴 ($MoS_2$), 질화붕소 (BN)을 선택하여 매우 높은 수율 (76.9%)과 높은 농도 (20 mg/mL), 그리고 매우 높은 생산량 (8.6 g/h)으로 물에 분산 된 나노시트들을 생산하였다. 이렇게 높은 박리 시스템의 근원을 계산유체역학 (Computational fluid dynamics)을 통한 유체의 흐름 특성 분석과, 밀도함수이론 (Density functional theory) 계산을 통한 물질과 유체의 상관관계 분석을 이용하여 밝혀내었다. 또한, 높은 전단 혼합 프로세스를 통해 생산 된 2D 나노시트는 물에 매우 안정적으로 분산 되어 진공여과 (vacuum filtration), 잉크젯 프린팅 같은 응용분야에 적용 가능한 후처리 공정에 매우 효율적으로 사용되었다. 이러한 공정을 통하여 높은 전기전도성을 보이는 회로와 높은 성능을 보이는 에너지 저장장치의 필름전극으로 적용될 수 있었다.
두 번째로, 테일러-쿠에트 흐름 발생장치에서 생산 된 2D 나노시트들은 손상이 매우 적은 물리적 힘으로 박리되어 결함이 매우 적고 시트의 사이즈도 매우 크게 박리된다. 또한, 이온성 액체의 기능화가 박리와 동시에 이루어져 최근에 매우 높은 관심을 받고 있는 부피비 에너지 저장장치의 전극물질로 적용이 가능하였다. 결함이 거의 없는 그래핀 나노시트는 매우 높은 전기전도도를 보이고, 금속 상의 이황화 몰리브덴 ($MoS_2$)은 1,000 F/g의 높은 이론용량을 갖고 있다. 또한, 이온성 액체의 기능화로 인하여 두 나노시트가 높은 밀도로 필름화 되어도, 시트 사이의 존재하는 이온성 액체로 인하여 이온이 자유롭게 움직일 수 있는 이상적인 필름전극을 만들 수 있었다. 하이브리드 2D-2D 필름은 2.02 g/cm3의 높은 밀도를 가지고, 1 A/g에서 1,430.5 F/cm3의 매우 높은 부피비 캐패시턴스를 보였고, 1,000 A/g에서 80%의 높은 충방전 용량비를 보였다. 우수한 특성의 하이브리드 필름으로 1.14 Wh/cm3의 높은 에너지 밀도를 보이는 유연한 슈퍼캐패시터 소자를 만들었다.
마지막으로, 높은 전단 혼합 공정의 테일러-쿠에트 흐름 발생장치를 이용하여 금속/금속산화물을 2D 나노시트 위에 균일하게 용착시키는 연구를 진행하였다. 물질마다 다양한 특성을 갖고 있기 때문에, 산업에서는 다양한 특성을 하나로 만들어 사용가능한 복합체 물질에 대한 응용과 연구가 활발히 진행되고 있다. 넓은 비표면적을 갖고 있는 2D 나노시트들은 이온성 액체로 기능화 되어 있어 다양한 특성의 금속/금속산화물이 용착 가능한 기판으로 적용이 가능하였다. 또한, 테일러-쿠에트 흐름 발생장치의 뛰어난 혼합특성으로 이산화망간 ($MnO_2$), 팔라듐 (Pd), 백금 (Pt), 루테늄 (Ru)과 같은 다양한 금속/금속산화물이 그래핀과 질화붕소 (BN) 위에 5분만에 매우 균일하게 융착되었다. 이는 수열반응기, 볼 밀, 연속교반탱크 반응기와 같이 이전에 보고 된 큰 규모의 반응기들에 비해 최소 6배이상 빠른 수치였다. 이러한 매우 높은 혼합특성은 장치의 잔류시간분포 (residence time distribution) 연구를 통하여 규명할 수 있었다. 합성 된 이산화망간/그래핀 복합체는 슈퍼캐패시터 저장장치에 전극으로 응용되어 1 A/g에서 744 F/g의 높은 에너지 밀도와 1,000 A/g에서 94.7%의 매우빠른 충방전용량, 그리고 20,000회의 싸이클에서 94.7%의 높은 안정성을 보였다. 또한, 팔라듐/질화붕소 복합체는 4-나이트로페톨 환원반응에 촉매로 적용되어 16분만에 99%에 가까운 전환효율을 보였다.
이러한 연구를 통해 산업에 적용 가능한 2D 나노시트와 복합체의 효율적인 대량생산 시스템을 개발하였고, 전자기술산업, 바이오센서, 촉매, 에너지 저장/전환 시스템에까지 쉽게 적용 가능하도록 하였다. 이러한 결과를 기반으로 기존의 나노물질공정의 산업화를 위한 생산적 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
