Synthesis, Characterization, and Application of Exfoliated Nanosheet of Layered Transition Metal Oxides

Abstract

본 연구에서는 유기암모늄 이온의 층간 삽입을 통한 박리화 반응을 이용하여 층상 전이금속 산화물 나노 혼성체를 합성하였다. 층상 전이금속 산화물의 효과적인 박리화는 TMA^(+)/H^(+)의 다양한 비율에서 나타났고, 반면 너무 높거나 너무 낮은 비율에서는 콜로이드 현탁액의 농도가 매우 희박하게 나타났다. 박리화된 나노층 입자에 대한 원자힘 전자 현미경 (AFM)과 투과전자현미경 (TEM)을 통해 1nm 이하의 나노층 입자임을 확인하였으며 이때 박리화 된 다성분계 산화물의 육방정계 원자 배열의 주장은 선택된 지역 전자 회절 (SAED) 분석으로 확인하였다. UV-vis 분광법에 따르면, 박리화된 다성분계 산화물이 팔면체 금속이온의 d-d 전이로 일치하는 ~354 nm와 ~480 nm에서 특정한 흡수 피크를 보였으며, 특징없는 원시료의 금속 산화물 스펙트럼과 비교된다. 본 연구결과는 박리화-재조합법을 이용한 나노 혼성체가 효과적으로 일어날 수 있음을 보여준다. 본 연구에서 얻어진 혼성체 화합물에 대해 결정구조, 화학조성, 다공구조, 화학결합 특성 등을 분석함으로써 박리화-재조합을 통한 다공성 혼성체 를 합성 할 수 있었다. 또한 본 연구에서 얻어진 결과는 박리화된 무기고체 나노 콜로이드 입자와 다른 화학종간의 혼성체의 합성 연구에 활용하고자 한다.;The exfoliation of layered transition metal oxides into individual monolayers could be achieved through the intercalation of quaternary ammonium ions into protonated metal oxide. An effective exfoliation of the layered transition metal oxides occurred for the various ratios of tetramethylammonium ion to proton, whereas reactions with a higher or lower ratio led to the formation of a very dilute colloidal suspension. Atomic force microscopy and transmission electron microscopy clearly demonstrated that exfoliated transition metal oxide nanosheets have subnanometer-level thickness, underscoring the formation of unilamellar nanosheets. The maintenance of the hexagonal atomic arrangement of the transition metal oxide layer upon the exfoliation was confirmed by selected area electron diffraction analysis. According to diffuse reflectance ultraviolet-visible spectroscopy, the exfoliated transition metal oxides displayed distinct absorption peaks corresponding to the d-d transitions of octahedral metal ions, which contrasted with the featureless spectrum of the pristine metal oxide. From the viewpoint of material design, preparation of manganese cobalt nickel oxide nanosheets can provide an effective way not only to develop new porous nanohybrids with promising electrochemical activities but also to fabricate manganese cobalt nickel oxide films or nanostructures. With zeta potential data showing the negative surface charge of manganese cobalt nickel oxide nanosheets, heterolayered films of manganese cobalt nickel oxide and conductive polymers could be prepared through the successive coating process with colloidal suspension and polycations. The cyclovoltametry and X-ray diffraction studies verified the electrochemical activity and layer-by-layer ordered structure of the obtained heterolayered film, respectively.