Hybridizing catalysts with supporting materials have been a general strategy to prevent the aggregation of catalysts during catalytic operation. Two-dimensional materials, which meet the requirements for the catalyst supports such as high surface area, abundant functional groups and excellent electrical and mechanical properties, are one of the most promising candidates for the next-generation catalyst supports. In particular, graphene oxide and MXene, which show high conductive behavior, have shown potential for electrochemical applications. However, restacking behavior of two-dimensional materials as a catalyst supports hinders its applications for catalysis. Due to the restacking of the supports during hybridization, non-uniform formation of catalysts can be occurred. In addition, restacking of two-dimensional materials can occur difficulties in infiltration of electrolyte. To overcome the restacking issue of two-dimensional materials catalyst supports, various methods have been introduced. Simple freeze drying method leads to highly dispersed cobalt based nanoparticles on rGO surfaces. rGO structure with high coverage of cobalt based nanoparticles decorated rGO hybrid composites demonstrates excellent catalytic activity and stability toward hydrogen evolution reaction. Also, I have fabricated cobalt phosphide nanoparticle embedded porous MXene film via hybridization with ZIF-67 as a sacrificial spacer. Size controllable ZIF-67 as a cobalt precursor enables hybrid porous film structures with additional functionalities. Freestanding cobalt phosphide / MXene porous hybrid film demonstrates excellent catalytic activity and stability toward hydrogen evolution reaction. My straightforward hybridization method shows compatibility to various applications that requires ideally structured hybrids of metal based nanoparticles supported on two-dimensional catalyst supports.
촉매물질의 촉매 지지대와의 복합화는 촉매의 응집 현상을 억제하는 전략 중 가장 일반적이면서도 효과적인 방법 중 하나이다. 이차원 나노소재는 넓은 표면적, 풍부한 기능기, 우수한 전기적, 기계적 물성으로 인해 새로운 촉매 지지대 물질로서 많은 각광을 받고 있다. 특히, 그래핀 산화물과 맥신은 높은 전기전도도로 인하여 전기화학 분야에서 높은 응용 가능성을 가지고 있다. 하지만, 이차원 나노소재의 재적층 현상은 촉매 분야에서 이차원 나노소재의 응용을 어렵게 하는 주요한 요인 중 하나이다. 재적층 현상으로 인하여 이차원 나노소재와 촉매 활물질의 복합화 과정 중 균일하지 못한 촉매 입자가 형성될 수 있으며, 실제 구동 중에 전해질 등이 촉매 구조 내부로 침투하기 어려워 성능 저하 등이 발생할 수 있다. 이러한 이차원 나노소재의 재적층 현상을 극복하기 위하여 여러 가지 구조 제어 방법을 본 논문에서 적용해보고자 하였다. 먼저, 간단한 동결 건조 공정을 활용하여 그래핀 산화물의 재적층 현상을 억제, 코발트 기반 나노입자가 균일하게 형성된 환원 산화그래핀 복합체를 제작하였다. 제작된 코발트 기반 나노입자 / 환원 산화그래핀 복합체는 수소발생반응 촉매로서 높은 활성도와 구동 안정성을 보임을 확인하였다. 또한, 금속-유기 골격체를 도입하여 다공성 복합 맥신 필름을 제작하였다. 코발트 기반 금속 유기 골격체는 사이즈 조절이 가능하여 맥신 필름에 다공성과 추가적인 기능성을 부여할 수 있었다. 별도의 바인더 없이 제작된 인화 코발트 / 맥신 다공성 복합 필름은 수소발생반응 촉매로서 높은 활성도와 구동 안정성을 보임을 확인하였다. 본 논문에서 제시된 복합화 및 구조 제어 전략은 이상적 구조를 가지는 금속 기반 입자 / 이차원 나노소재 복합체가 요구되는 다양한 분야에 폭넓게 적용이 가능할 것이다.
