Material characterization and electrochemical catalytic application of two dimensional molybdenum ditelluride|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, Two-dimensional TMD materials are being studied in various applications because of their unique material properties. Among them, electrochemical catalyst for hydrogen evolution reaction has been also being actively studied for producing clean and renewable hydrogen energy source to replace fossil fuel energy like coal and oil.
In this study, we report an effective and stable HER at atomically defined reaction sites in 2D layered semimetallic MoTe2 with intrinsic turnover frequency (TOF) of 0.14 s−1 at 0 mV overpotential, which cannot be explained by the traditional volcano plot analysis. Hydrogen adsorption, the rate-determining step of the HER on the semimetallic MoTe2, enhances the HER, unexpectedly. Which is caused by Peierls-type lattice distortion that, together with a surface charge density wave. It is different with former electrochemical catalysts.
And more, we report a hybrid catalyst with monoclinic MoTe2 and platinum (Pt) for the HER. Pt atoms were chemically bound to the surface of monoclinic MoTe2 that has an atomically distorted lattice structure, which produces a distinct Pt-Te alloy layer. The Pt/MoTe2 hybrid catalyst exhibits an active HER with a Tafel slope of 22 mV per decade and an exchange current density of 1.0 mA/cm2, which are the best values among those reported for TMD-based catalysts.
Last, in order to make a more economical and mass-produced catalyst, MoTe2 and carbon nano tube (CNT) nanocomposite was synthesized using a hydrothermal process. This catalyst shows 30% more increased electrochemical catalytic behavior than pristine MoTe¬2. This works will help to make a more efficient catalyst for hydrogen evolution reaction for hydrogen energy in the future.

번역하기

국문 초록 (Abstract)

2차원 TMD(Transition metal dichalcogenide) 물질은 그가 가진 특별한 물성 때문에, 다양한 방면에서 연구가 이뤄지고 있다. 그 중, 전기화학적인 물분해반응을 이용한 수소 발생반응(Hydrogen evolution reaction)의 촉매로의 응용연구 또한 활발히 진행되고 있는 중이다. 2차원 TMD 물질 중, MoTe2는 구조가 변함에 따라 상(phase)이 바뀌고, 전자 구조가 달라지며, 이에 따라 전기적 특성이 반도체와 메탈로 변화하는 성질을 가지고있다. 이러한 성질을 이용하여, 우리는 이 논문에서 불문해 수소발생반응의 촉매로써 MoTe2를 사용하여 물질의 기본적 특성을 분석하고, 반응 메커니즘을 이해한 뒤, 이를 더 실용적으로 발전시키는 방법에 대해 연구하였다.

첫번째로, 단결정 MoTe2의 물질적 특성을 평가하여 그 상에 따른 촉매 발생 효율을 비교하였고, STM과 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 이용하여 촉매 발생 반응 점 및 메커니즘을 연구하였다. 그 결과 1T’-MoTe2 는 intrinsic turnover frequency (TOF)가 0mV에서 0.14 s−1 의 높은 값을 가지는 것을 밝혔고, 가장자리(edge)가 아닌 표면(basal plane)에서의 반응이 더욱 활발하다는 것을 알게 되었다. 그것은 1T’-MoTe2 의 Lattice distortion으로 인한 물질 표면에 charge density wave를 가지는 특별한 구조 때문에 전자의 응집이 표면에 더욱 이루어져 생겨났다는 사실을 밝혀냈다.

두번째로, 해당 물질의 촉매 효율을 높이기위하여, 표면에 백금을 전기화학적으로 증착하는 방법을 통해, 백금 촉매를 이용한 촉매 활성도를 조절하는 연구를 진행하였다. 그렇게 합성된 Pt/1T-MoTe2의 경우, 최대 22 mV per decade 의 Tafel slope 값과 1.0 mA/cm2 의 교환전류밀도(exchange current density) 값을 가짐을 보고하였다. 이는 기존 TMD based 촉매 물질 중 가장 높은 수치이다. 그리고 DFT 계산을 이용하여, 백금 합성 촉매가 가장 효율이 높은 합성 비율을 계산할 수 있었고, 이는 비싼 백금의 사용을 효율적으로 조절 할 수 있는 단서를 제공하였다.

세번째로, 좀 더 경제적이고 대량생산이 가능한 촉매를 만들기 위해, 수열합성법(hydrothermal process)를 이용하여 MoTe2 와 탄소나노튜브(CNT)를 합성한 나노 복합체를 개발하고, 그 촉매 효율을 높이는 방법을 연구하였다. 이를 통해 기존 MoTe2에 비해 CNT를 합성한 나노 복합체 촉매는 약 30% 더 높은 촉매 효율을 얻을 수 있었다. 이는 앞으로 주목받고 있는 소수 에너지 활용을 위한 수소생산반응을 이해하고 좀 더 효율적이고 경제적인 촉매를 만드는데 도움이 될 것이다.

번역하기

2차원 TMD(Transition metal dichalcogenide) 물질은 그가 가진 특별한 물성 때문에, 다양한 방면에서 연구가 이뤄지고 있다. 그 중, 전기화학적인 물분해반응을 이용한 수소 발생반응(Hydrogen evolution reac...

목차 (Table of Contents)

Abstract 1
Chapter I Introduction 3
1.1 Motivation of research 3
1.2 Introduction of low dimensional material 6
1.3 Basic principle of molybdenum ditelluride 9

Abstract 1
Chapter I Introduction 3
1.1 Motivation of research 3
1.2 Introduction of low dimensional material 6
1.3 Basic principle of molybdenum ditelluride 9
1.4 Basic principle of hydrogen evolution reaction 11
1.5 TMD catalyst for hydrogen evolution reaction 15
Chapter II Defining atomic scale active site of MoTe2 for HER 18
2.1 Introduction 18
2.2 Experimental methods 20
2.2.1 Synthesis of 1T′- and 2H-MoTe2 20
2.2.2 Sample preparation for HER measurement 21
2.2.3 Electrochemical measurement 23
2.3 Result and discussion 25
2.3.1 Material characterization of MoTe2 25
2.3.2 Electrochemical measurements of 2H- and 1T′-MoTe2 31
2.3.3 First-principles calculations 34
2.3.4 STM experiments 37
2.3.5 Peierls-type lattice distortion 39
2.3.6 HER with surface charge waves and lattice distortion 42
2.4 Conclusion 43
Chapter III Controlling of HER efficiency by hybridizing Pt on 1T’-MoTe2 44
3.1 Introduction 44
3.2 Experimental methods 47
3.2.1 Sample preparation for pristine MoTe2, Pt thin film and Pt/MoTe2 hybrid catalyst 47
3.2.2 Electrochemical measurement 49
3.2.3 Raman spectroscopy 50
3.2.4 X-ray photoemission spectroscopy 51
3.2.5 Calculation schemes 52
3.3 Result and discussion 53
3.3.1 Electrochemical measurement and characterization 53
3.3.2 XPS measurement 58
3.3.3 DFT calculation 61
3.4 Conclusion 64
Chapter IV Synthesis of MoTe2-Carbon nanocomposite for HER catalyst 65
4.1 Introduction 65
4.2 Experimental methods 67
4.2.1 Synthesis of MoTe2 and MoTe2-CNT nanocomposite· 67
4.2.2 Electrochemical measurement 69
4.3 Result and discussion 71
4.3.1 XRD and Raman measurement 71
4.3.2 SEM and EDS measurement 73
4.3.3 Electrochemical measurement of MoTe2 CNT nanocomposite 75
4.4 Conclusion 78
References 79
국문초록 88

참고문헌 (Reference)

1. Bandgap opening in few-layered monoclinic MoTe2, D. H. Keum et al., 11 , 482, , 2015

2. Phase patterning for ohmic homojunction contact in MoTe2, S. Cho et al., 349 , 625 (, , 2015

3. All the catalytic active sites of MoS2 for hydrogen evolution, G. Li et al., 138 , 16632, , 2016

4. Applications of 2D MXenes in energy conversion and storage systems, J. Pang et al., 48 , 72, , 2019

5. Large organic molecule chemisorption on the SiC ( 0 0 0 1 ) surface, Boudrioua O et al, 85 035423, , 2012

6. Active hydrogen evolution through lattice distortion in metallic MoTe2, J. Seok et al., 4 , 025061, , 2017

7. Conducting MoS2 nanosheets as catalysts for hydrogen evolution reaction, D. Voiry et al., 13 , 6222 (, , 2013

8. Novel mechanism of a charge density wave in a transition metal dichalcogenide, Shen D W , et al. ,, 99 216404, , 2007

9. Phase patterning for ohmic homojunction contact in MoTe2 ” Science 349 625 ?, Cho S et al, 8 (, , 2015

10. Synthesis and properties of molybdenum disulphide : From bulk to atomic layers., Intek Song et al., 5 , 7495-7514, , 2015