고압 균질화를 이용한 비화학적 공정 기반 Ti3C2Tx MXene의 대량 박리 및 카테콜 기반 고분자 리간드 표면 기능화 연구 = Chemical-Free, Scalable Delamination of Ti3C2Tx MXene via High-Pressure Homogenization and Subsequent Surface Functionalization with Catechol-Based Polymeric Ligands.

국문 초록 (Abstract)

MXene의 실용적 응용을 극대화하기 위해서는 대량 생산에 적합한 박리 공정 이 필수적이며, 공정은 확장성, 재현성, 그리고 비용 및 시간 효율성을 동시에 만족해야 한다. 더불어, 박리된 MXene이 다양한 용매에서의 분산성 조절, 산화 안정성 향상, 물리·화학적 특성 제어가 가능한 표면 기능화 전략과의 높은 호환 성을 갖추는 것 또한 매우 중요하다. 본 연구에서는 고압 호모게나이저(HPH)를 활용하여 다층 구조의 Ti3C2Tx (Tₓ = –OH, –O, –F 등) MXene을 수층 수준으로 효과적이고, 빠르며, 확장 가능한 방식으로 박리하는 방법을 제시한다. HPH 공 정은 전단, 공동화(cavitation), 충돌력의 복합 효과를 기반으로 하며, 이를 통 해 화학적 삽입제나 세척 과정 없이 박리 효율을 HPH 패스 횟수에 따라 조절 할 수 있고, 재료 손실 또한 최소화할 수 있다. 박리된 MXene은 두 종류의 카테콜 기반 리간드 Polycatechol 및 catechol- grafted polyvinylpyrrolidone로 기능화 하였으며, 구조적 안정성을 유지한 상 태에서 박리와 기능화가 성공적으로 이루어졌음을 체계적인 특성 분석을 통해 확인하였다. 특히, 향상된 박리는 표면 접근성을 증가시켜 기능화 효율을 높였 다. 주목할 만하게도, HPH로 박리된 MXene은 공정 직후 산화가 전혀 발생하 지 않았으나, 기능화 과정 중 약간의 산화가 관찰되었다. 반면, 기존 방식으로 박리된 MXene은 전체 과정에서 구조적 변화 없이 안정적인 상태를 유지했다. 본 연구는 산화 안정성 향상과 분산 특성 조절이 가능하며, 대량 생산에 최적 화된 MXene 박리 및 기능화 공정 확립을 위한 기반을 제시한다. 이는 향후 MXene의 다양한 응용 분야로의 확장 가능성을 위한 중요한 기술적 진전을 의 미할 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 실험 및 분석 4
• 1. Materials 4
• 2. Synthesis of multi-layered Ti3C2Tx MXene 4
• 3. Delamination of multi-layered MXene via high-pressure homogenization(HPH) 5
• 4. Surface functionalization of few-layered MXene with catechol-based ligands 5
• 5. Characterization 6
• III. 실험결과 및 논의 8
• 1. High-pressure homogenization-driven delamination of multilayer MXene 8
• 2. Surface functionalization of HPH-delaminated MXene using catechol-based ligands 13
• 3. Chemical and structural characterization of PCA- and PVP-CA-functionalized MXene 16
• 4. Thermal analysis and solvent dispersibility of PCA- and PVP-CA-functionalized MXene 20
• IV. 결론 24