2D Nanostructured Hybrids with Electrode and Algaecide Functionalities

Abstract

In chapter I, an effective way to explore high performance electrode for supercapacitor is developed by employing exfoliated inorganic nanosheet as an immobilization matrix for Prussian blue (PB) nanocrystals. The intimatelycoupled nanocomposites of PB-layered MnO2 are synthesized by crystal growth of PB nanocrystals on the exfoliated MnO2 nanosheets. There occur significant interfacial chemical interaction and charge transfer between PB nanocrystal and MnO2 nanosheet, resulting in the increase of the metal oxidation state of PB upon the hybridization. The obtained PB-layered MnO2 nanocomposites possess expanded surface area than does the pristine PB material, indicating the enhancement of porosity by the hybridization. Of prime importance is that the PB-MnO2 nanocomposites show larger specific capacitances with better cyclability and better stability than does the MnO2 free-PB material, underscoring the beneficial effect of hybridization on the electrode performance and stability of PB. The present study clearly demonstrates that the hybridization of PB with exfoliated metal oxide nanosheet is quite effective in exploring novel efficient electrode materials. In chapter II, an effective way to enhance the algae-killing activity of graphene film in nature water without secondary pollution is developed by using exfoliated laponite nanosheets as an additive material. The close similarities in two-dimensional (2D) morphologies and negative surface charges between reduced graphene-oxide (rG-O) and laponite nanosheets make them possible to exist as very stable and homogeneous colloidal mixture. Using the mixed colloidal mixtures, the freestanding hybrid film of rG-O-laponite (G-L) is obtained by vacuum-assisted filtration. The obtained G-L hybrid film exhibits porous crystal structure, expanded surface area, and high photocatalytic activity for the generation of reactive oxygen species (ROS). The G-L hybrid film shows excellent algae-killing activity compared to the pure rG-O film, indicating the synergetic effect of hybrid film. The present study clearly demonstrates that G-L hybrid film can be used as powerful pollution-free recoverable algaecide in nature water. ;제 1장에서는 다공성의 프러시안 블루 아날로그에 망간산화물 나노시트를 혼성화하여 슈퍼커패시터 전극으로써의 성능 향상시키는 실험을 진행하였다. 망간산화물 나노시트 위에 철, 망간, 니켈 등의 금속이 도입된 프러시안 블루 입자를 성장시켜 밀접하게 결합하는 혼성체를 합성하였다. 혼성체는 망간산화물 나노시트의 도입을 통하여 다공도가 증가하여 훨씬 큰 비표면적 값을 가졌다. 또한 프러시안 블루와 망간산화물 사이 표면에서의 강한 화학적 상호작용과 전하 이동을 통하여 프러시안 블루를 구성하는 금속의 산화상태를 증가시켰다. 이후 슈퍼커패시터 전극으로 활용한 결과, 혼성체가 기존 프러시안 블루에 비하여 훨씬 증가한 용량을 나타내었으며 순환성과 안정성이 향상되었다. 이는 망간산화물 나노시트의 혼성화가 프러시안 블루 물질의 전극 성능 향상과 안정성을 개선하는 데에 큰 효과가 있음을 시사한다. 본 연구에서는 프러시안 블루와 박리화된 금속 산화물 나노시트의 혼성화가 좋은 전극 소재로 활용될 수 있음을 강조하고 있다. 제 2장에서는 그래핀에 라포나이트 물질을 혼성화한 뒤 감압여과를 통해 혼성 필름을 합성하여 Microcystis aeruginosa 라는 해로운 녹조 종의 성장을 억제할 수 있으며 2차 오염이 방지되는 친환경 소재를 개발하는 실험을 진행하였다. 라포나이트가 도입됨에 따라 새로운 쌓임 구조를 형성했으며, 라포나이트가 그래핀의 산소 작용기를 환원시킴으로써 강하게 결합하였다. 또한 다공성의 라포나이트의 영향으로 매우 다공성인 혼성화 필름이 형성되었다. 이후 녹조 성장 실험을 통해 기존 그래핀 필름에 비하여 크게 향상된 억제 효과를 확인할 수 있었다. 녹조 성장 억제에 영향을 미치는 요인을 분석해 본 결과, 라포나이트 필름이 활성 산소 종의 생성 능력을 보였으며 이에 따라 혼성 필름 또한 좋은 활성 산소 종 생성 능력을 보여 녹조 억제 효과를 나타낸 것으로 확인되었다. 또한 표면적 측정 결과, 그래핀 필름에 비하여 혼성 필름의 경우 크게 증가하였는데, 이를 통하여 표면 반응인 녹조 성장 억제 반응에 표면적의 증가가 큰 기여를 한 것으로 분석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 경제적이고 라포나이트 소재를 그래핀 필름에 도입해 효과적인 환경 소재로 응용할 수 있음을 강조하고 있다.