Two-dimensional materials designate crystalline materials consisting of layers of atoms and various methods to prepare them have been developed. Among them, the liquid-phase based method has attracted attentions because of low cost and scalability. For the preparation of two-dimensional materials, Taylor-Couette (TC) flow with high shear force and enhanced heat and mass transfer was utilized in this study.
As TC flow has various flow regimes according to geometric parameters and operating conditions, flow in the TC device was analyzed numerically using ANSYS Fluent by solving for velocity and pressure in the system. In addition, non-spherical particles injected numerically into the cells were tracked to determine whether TC flow could provide enough force for the exfoliation. Graphite flakes were experimentally exfoliated into graphene using the TC device. Furthermore, a TC device with double inner cylinders was fabricated based on the simulation results of transport phenomena in the two-inner-cylinder TC apparatus and the exfoliation efficiency of graphite was improved by 40%.
Layered double hydroxide (LDH) was also prepared in the TC device. Enhanced heat and mass transfer in the TC reduced synthesis time of LDHs (ZnCo, NiFe) to 10 min, which is 1/15 of batch process time in a beaker. Numerical analysis showed that TC device provided uniform temperature field and high global mixing necessary for fast synthesis of LDH less than 5 layers. Moreover, a continuous process of preparing LDH in the TC reactor was developed with high production rate (46 g/h). In the continuous system, small and uniform Taylor vortices were crucial to synthesize LDH with high crystallinity and as-prepared LDH showed an overpotential of 0.26 V in oxygen evolution reaction, which showed higher performance than noble metal catalyst RuO$_2$ (0.33 V).
Based on these results, the TC device can be utilized to prepare various two-dimensional materials in many applications.
이차원물질은 층상구조의 결정물질을 일컫는 말로 이를 제조하기 위한 다양한 방법들이 개발되어 왔다. 그 중 액상에서 기계적인 힘을 통해 제조하는 방식이 낮은 가격과 규모확장성으로 인하여 관심을 끌어왔다. 본 연구에서는 높은 전단응력과 열 및 물질 전달 특성을 가진 테일러-쿠에트 흐름을 사용하여 이차원물질을 제조하고 공정에 대한 해석을 진행하였다. 테일러-쿠에트 흐름은 형상 변수와 운전조건에 따라 다양한 흐름영역을 보여 유동 전산모사 프로그램을 사용하여 흐름발생장치 내 유동을 분석하였고, 수치적으로 비구형 입자를 추적하여 입자가 받는 전단응력을 계산하여 테일러-쿠에트 흐름이 흑연 박리에 필요한 힘을 제공하는 것을 파악하였다. 기계적 박리를 통해 실험적으로 흑연에서 그래핀을 얻을 수 있었고, 효율 증대를 위해 내부 실린더가 두 개인 경우에 대한 연구도 진행하였다.
층상이중수산화물 합성 또한 테일러-쿠에트 흐름을 사용하여 합성시간을 10분까지 줄여 기존 공정보다 크게 감소시켰고 전산모사를 통해 높은 열 및 물질전달 특성으로 인한 것임을 확인하였다. 또한 연속식 공정을 수립하여 생산성을 증대시키며 산소발생반응 촉매로도 활용될 수 있음을 확인하였다.
이 연구를 바탕으로 테일러-쿠에트 흐름이 다양한 이차원물질 제조와 응용에 활용될 것으로 기대된다.
