Nanomaterials have been actively studied in energy storage, catalysts, and gas sensors due to superior surface electrical and chemical reaction properties resulting from considerable surface-to-volume ratio to overcome limit of existing materials’ properties. Along with massive researches on nanomaterials towards commercialization, a furnace annealing system has been widely used for synthesis and properties modulation of nanomaterials. The furnace annealing method normally provides heating condition by inductor coils surrounding the system, which is not a productive method to solely treat nanomaterials itself. In the furnace system, the temperature of materials is reached to the specified value through thermal equilibrium on thermal radiation and heat conduction, leading to waste of thermodynamic energy. As a result, furnace annealing causes redundant thermal budget. Accordingly, study on an effective and productive annealing approach is required.
Photothermal effects can be achieved by heat generated from nonradioactive recombination of photo-excited electrons. In surface-reaction-dominant applications, two main materials are broadly utilized: host materials to lead main reactions and guest materials such as catalysts to accelerate and improve the reaction rates by reducing activation energies. In this thesis, accordingly, a host-materials-heating (HMH) approach using heat from interaction with light was firstly introduced to achieve photo-pyrolysis of guest materials and properties modulation of host materials. Along the way, new ambient-air processes were proposed on synthesis and tuning of nanomaterials for the potential replacement of convention vacuum furnace system. Besides, the feasibility of promising applications in gas sensing and electrocatalysts was cautiously examined with the obtained samples.
First, a method based on phothermal effects for doping and reduction of graphene oxide (GO) as host materials, which features high photothermal efficiency, was studied in terms of nanomaterials property modulation. To do so, flash light irradiation was implemented to a coated mixture of graphene oxide and doping source (DS) on a glass substrate, allowing for increase in temperature higher than 1600 °C within 10 ms. It was confirmed that the momentary high temperature annealing could be responsible for the subsequent reduction and doping in ambient air. In addition, detail mechanism of optical doping on temperature was elucidated. Next, it was further verified that the identical process using flash light irradiation facilitated uniform formation of single atom catalysts at the doping sites of reduced GO even in ambient air by adding metal ion precursors to GO with DS. Lastly, apart from carbon-based materials with high photothermal efficiency, nano-structuring of oxides led to significant enhancement in photothermal efficiency. In turn, oxides with wide band gaps (> 3.0 eV) such as SnO$_2$ could be exploited as host materials for direct synthesis of catalytic alloy nanoparticles on the surface on the host oxides.
Through the empirical knowledge and possibility from the preceded studies, it was concluded that the combination of the HMH concept and photothermal effects can be applied as a novel approach for high-throughput and ambient-air synthesis and tuning of nanomaterials. After the thesis, the scope of the research will be extending to researches on a light-to-heat conversion thin film layer for heating platform for improvement in performance of electronic devices and 2D materials synthesis.
나노물질은 높은 비표면적으로 인한 우수한 표면 전기·화학적 반응특성으로 인해 기존물질들의 한계를 극복할 수 있는 후보군으로서 에너지 저장분야뿐만 아니라 촉매 및 가스센서 분야에서도 눈에 띄는 성능들이 보고 되고 있다. 이러한 나노소재 상용화 시도에 따라 합성 및 응용분야에 적합한 물성 조절을 위해 퍼니스(furnace) 기반의 열처리가 활용되고 있다. 이러한 기존 열처리방식은 합성소재에 집중된 형태가 아닌 퍼니스 시스템을 둘러싼 인덕터 코일(inductor coil)에 의해 열환경을 조성해주는 방식이다. 이때, 열복사, 전도 및 대류에 의해 열평형과정을 거쳐 기판상 물질이 원하는 제어 온도에 도달하게 된다. 때문에, 필요 이상의 열역학적 에너지를 소비하게 된다. 결과적으로 퍼니스 방식은 불필요한 열비용(thermal budget)을 발생시킨다. 이에 따라, 보다 효율적이며 생산성 있는 열처리 방식에 대한 연구가 필요하다.
광열효과는 입사된 빛과 전자의 반응에 의해 발생된 여기전자들이 비방사 재겹합시 물질내에 열이 발생되는 현상을 의미한다. 표면반응이 지배적인 응용분야에서는 일반적으로 반응을 주도하는 호스트물질(host materials)과 촉매와 같이 반응의 활성에너지를 낮춰 반응성를 가속시키거나 향상시키는 게스트물질(guest materials)이 활용되게 된다. 이에 본 논문에서는 빛과의 상호작용으로 호스트물질 자체에서 발생되는 열을 활용(host materials heating, HMH)하여, 게스트물질 광열분해 합성법 및 호스트물질의 물성 변화를 탐구한다. 이를 통해 기존 진공 퍼니스 시스템 대체를 위한 나노물질의 합성 및 물성 조절에 대한 대기중 공정법을 새롭게 제안하였다. 나아가 제작된 나노물질을 기반으로 가스센서와 촉매반응에서의 응용가능성을 확인하였다.
먼저, 나노물질의 물성 조절 측면에서 광열효율이 높은 그래핀 산화물(graphene oxide)의 도핑 방법에 대해 연구를 진행하였다. 호스트물질인 그래핀 산화물에 도핑 소스를 섞은 후, 플래쉬 램프 조사시 짧은 시간 안(< 10 ms)에 1600 °C 이상의 고온 환경이 형성되는 것을 알 수 있었다. 이러한 급속한 열상승에 의해 그래핀 산화물의 대기중 환원과 도핑이 성공적으로 수행되는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 보다 상세한 도핑 메커니즘에 대해 연구를 진행하였다. 이후, 금속전구체를 추가함으로써 플래쉬 램프 조사 중 단일원자촉매들이 환원된 그래핀 산화물에 도핑된 원자들과 보다 쉽게 결합하여 대기중 공정에도 단일원자들이 균일하게 형성되는 것을 관찰하였다. 마지막으로, 광열효율이 높은 탄소 기반 물질 이외에 나노구조 엔지니어링을 통한 광열효율 강화로 주석산화물과 같이 높은 밴드갭(> 3.0 eV)을 가진 산화물까지도 호스트물질로 확장시켜 활용하여 산화물 표면상에 촉매 나노입자합금을 합성시킬 수 있었다.
학위 과정동안 진행된 일련의 연구를 통해 광열효과와 HMH 방식은 나노물질의 효율적 합성 및 물성변화에 대한 새로운 접근법으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 본 심사 이후에는 박사과정 동안 얻어진 경험과 지식을 활용하여 금속 박막 빛-열 전환층기반 전자소자의 성능 향상 및 2차원 물질 합성에 대한 연구를 진행하고자 한다.
