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타타 기초 연구소(Tata Institute of Fundamental Research)와 인도 공과 대학(Indian Institute of Technology Guwahati)의 연구진은 새로운 층상 전달 기술(layer-by-layer transfer technique)을 이용해서 반데르발스 적층 시퀀스(van der Waals stacking sequence)의 중요성을 증명했다. 서로 다른 2차원 결정들을 적층해서 반데르발스 고체(van der Waals solid)를 형성시킬 때, 계면 유도 효과가 매우 중요하다. 이번 연구진은 화학 기상 증착법을 이용해서 단일층 그래핀과 MoS2 층을 기반으로 하는 광-전기 촉매 전지를 만들었다. 이번 연구진은 층상(layer-by-layer) 적층을 사용해서 그래핀과 MoS2의 반데르발스 헤테로구조를 만들었다. 그 후에, 적층 시퀀스를 변화시킴으로써 반데르발스 고체의 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction, HER)의 효율을 변화시켰고 그래핀, MoS2, 그래핀-MoS2, MoS2-그래핀와 같은 4 개의 서로 다른 작동 전극의 HER 효율을 조사했다. 4 개 중에서 MoS2-그래핀이 가장 낮은 전하 이동 저항(charge transfer resistance)과 가장 높은 교환 전류 밀도(exchange current density, j0 ~ 245 ± 1 μA cm−2)를 가졌다. 밝고 어두운 조명 하에서 장치의 PEC 반응이 어떻게 다른지를 조사하기 위해서 HER을 확인하였다. MoS2-그래핀의 HER 성능은 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하는 전하 이동 저항 측정으로 확인되었다. MoS2와 그래핀 플라즈모닉스의 역할이 조사되었고, 이 연구를 통해서 반데르발스 층의 적층 순서가 중요하다는 것을 알게 되었다. 이것은 적층된 고체로 새로운 장치를 디자인하는데 매우 유용하다. 1차 근사법(first-order approximation)에서, 전하 재분배는 적층 속의 이웃한 적층 결정 간에 일어난다. 또한 이웃한 결정들은 인접한 층 속의 구조적 변화들을 유도할 수 있다. 이러한 변화는 각각의 원소들 간의 상대적인 방향을 조절함으로써 제어될 수 있다. 이 연구는 반데르발스 적층 시퀀스라고 불리는 새로운 요소의 중요성을 보여주고, 전기 촉매와 전하 이동 시스템을 개발하는데 큰 영향을 끼칠 수 있다. 또한 이것은 비용 효율적인 경량 에너지 장치의 설계 및 개발에 새로운 길을 열어 줄 수 있을 것이고 작동 전극의 효능, 유연성, 투명성의 측면에서 원자층 기반의 촉매 전지를 디자인할 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Stacking sequence dependent photo-electrocatalytic performance of CVD grown MoS2/graphene van der Waals solids” 라는 제목으로 게재되었다. |
