Synthesis and Characterization of Transition Metal Dichalcogenide-Metal Hydroxide Cluster Nanohybrids with Improved Electode Performance

Abstract

In chapter I, Mesoporous heterolayered nanohybrids of chromium hydroxidemolybdenum disulfide with improved electrode functionality are synthesized by self-assembly of negatively-charged exfoliated MoS2 nanosheet with cationic chromium hydroxide nanocluster. The intercalative hybridization of MoS2 with chromium hydroxide nanocluster leads to an increase of basal spacing and an expansion of the surface area. Compared to the pristine MoS2 material suffering from marked capacity fading, the obtained nanohybrids show remarkably improved discharge capacity with excellent cyclability for lithium ion batteries (LIBs), indicating the efficiency of nanocluster pillaring in enhancing the electrode performance of transition metal dichalcogenide (TMD). The beneficial effect of intercalative hybridization on electrode functionality is attributable to the accommodation of drastic volume difference during electrochemical cycling caused by the creation of porous pillared structure and to the improvement of charge transfer kinetics. The present study clearly demonstrates that an electrostatically-driven self-assembly between exfoliated TMD nanosheet and cationic nanocluster can provide an effective way of synthesizing mesoporous hybrid materials with enhanced electrode performance. In chapter II, an enhancement of the electrode performance for lithium ion batteries is observed by using MoS2 nanosheet and iron oxide nanoclusters. Both materials have different electrostatic charges, which leads to the self-assembly of hybrid materials. Through this method, the interlayer space of restacked MoS2 can be controlled giving the better route to lithium intercalation and the increase of the surface area. The increased capacity as a LIB anode shows the potential of the presented method which can be applied as other TMDs. ;1장에서는 리튬 이온의 층간 삽입을 통해 박리한 음전하를 띄는 이황화몰리브데넘 나노시트의 사이에, 수소이온농도를 조절함으로써 생성되는 양전하의 수산화 크로뮴 클러스터를 넣어줌으로써 두 물질이 서로 간의 정전기적 인력을 통해 자동으로 적층되도록 하였다. 그로 인하여 원래 이황화몰리브데넘이 가지는 층간 간격보다 더 넓은 층간 간격과, 더 큰 표면적을 가지게 되고 이를 통하여 더 좋은 전극 활성을 기대할 수 있게 되었다. 엑스선회절분광법을 통하여 층간 거리가 더 벌어지는 것을 확인할 수 있었고, 주사전자현미경을 통한 에너지분산엑스선분광법으로 크로뮴과 몰리브데넘이 시료 전반에 걸쳐 골고루 섞여있음을 확인할 수 있다. 또한, 젠스와 엑스선광전자분광법을 통해 이황화몰리브데넘의 상이 1T와 2H가 공존한다는 것을 밝혀냈으며, 크로뮴의 경우도 수산화크로뮴의 상으로 존재한다는 것을 확인하였다. 이후 배터리 측정을 통하여 해당 물질의 전극 활성을 확인하였는데, 원래 출발물질에 비하여 배터리 성능이 좋아진 것을 확인할 수 있다. 임피던스 분광법을 통해 전하전이 저항을 측정하였고, 그 값이 감소한다는 사실을 관측하여 배터리 성능이 증진되는 이유를 설명하였다. 2장에서는 비슷한 방식으로 음전하를 띄는 이황화몰리브데넘 나노시트 사이에 수산화철 클러스터 나노입자를 통해 적층시키는 실험을 진행하였다. 엑스선회절분광법을 통하여 기존 이황화몰리브데넘 나노시트 간의 층간 거리보다 적층시킨 물질의 층간 거리가 증가한다는 사실을 확인하였으며, 주사전자현미경을 통한 에너지분산엑스선분광법을 통하여 넣어준 수산화철 클러스터의 양이 증가함에 따라서 물질에서 철이 차지하는 비율이 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 이후 배터리 실험을 통하여 수산화철이 들어간 물질의 경우 초기용량이 매우 증가하는 것을 확인할 수 있었는데, 반면 너무 많은 양의 수산화철이 들어간 경우에는 상대적으로 활물질인 이황화몰리브데넘의 감소와 수산화기의 전해질 분해로 인한 전극데미지로 인해 사이클 특성은 좋지 못한 사실을 확인하였다. 임피던스 분광법을 통해서 넣어준 양이 증가할수록 전하전이 저항이 증가하는 사실을 관측하여 배터리 경향성을 추가로 설명하였다.