Structural reordering of carbon-based nanomaterials via laser induced confined thermal treatment and its electrochemical properties
- 주제(키워드) Carbon-based nanomaterials , Laser , thermal treatment , Structure reordering
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 Jae-Hyun Lee
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034770
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Carbon-based nanomaterials exhibit exceptional physical, chemical, and mechanical properties, enabling a wide range of applications in energy storage, catalysis, electronics, and environmental technologies. However, precise structural control over these materials remains a significant challenge, particularly in achieving optimized morphology, defect engineering, and crystallinity for specific functionalities. In this dissertation, I will study an innovative approach to overcoming these challenges by investigating laser- induced confined thermal treatment, enabling tailored structural reordering of carbon-based nanomaterials with enhanced electrochemical properties. The laser-induced thermal treatment technique allows precise control of laser- material interactions through the fine tuning of key parameters such as wavelength, fluence, pulse period, and pulse duration. This approach facilitates localized and precise thermal processing of nanomaterials such as Mo2C, porous graphene, and ZnO, achieving highly controlled structural reordering and significantly improved material properties. First, the grain boundary density, which is a crystal defect of the Mo₂C catalyst, was controlled by controlling the heat accumulation effect of the material dependent on the pulse period of the pulse laser. This method enabled grain size control and the formation of high- density grain boundaries (130 μm⁻¹), significantly enhancing the hydrogen evolution reaction (HER) activity. The engineered Mo₂C exhibited a reduced overpotential of 148 mV at 10 mA cm⁻² and improved Tafel slopes of 67.6 mV dec⁻¹, attributed to increased electrochemically active sites and efficient electron transfer. Secondly, we controlled the porous structure of laser-induced graphene (LIG) through a photothermal reaction of laser, one of the laser-material interactions, and incorporated bamboo-like carbon nanotubes (BCNTs) to fabricate a compact hybrid electrode. The BCNT:LIG composite achieved a tenfold improvement in areal energy density (1.87 μWh cm⁻²) over conventional LIG electrodes and demonstrated superior electrochemical stability under mechanical deformation, highlighting its potential as a compact and flexible power source for portable devices. Finally, Low-Level Laser Treatment (LLLT) was employed to remove oxygen impurities from sol-gel ZnO, achieving defect- free ZnO films with enhanced electrical and optical properties. This laser-based technique enables low-temperature processing, addressing critical challenges in solar cell fabrication. The high-quality ZnO films significantly improved device performance and long-term stability, paving the way for advanced photovoltaic and optoelectronic applications. This dissertation establishes laser-induced confined thermal treatment as a transformative methodology for tailoring the structure and properties of carbon-based nanomaterials. The findings offer new insights into material engineering strategies and their potential applications in next-generation energy and electronic devices. KEY WORDS: Carbon-based nanomaterials, Laser, thermal treatment, Structure reordering
more초록/요약
탄소 기반 나노소재는 뛰어난 물리적, 화학적, 기계적 특성으로 인해 에너지 저장, 촉매, 전자 및 환경 기술을 비롯한 다양한 분야에서 광범위한 응용 가능성을 보인다. 그러나 이러한 나노소재에 대한 정밀한 구조적 제어는 여전히 중요한 도전 과제로 남아 있으며, 특히 특정 기능에 최적화된 형태 및 구조를 구현하는 데 있어 기존의 전통적인 열처리 합성 방법들은 여러 제한점을 지닌다. 본 연구에서는 레이저 유도 국소 열처리를 활용하여 이러한 문제를 해결하는 혁신적인 접근법을 제시하고, 이를 통해 전기화학적 특성이 향상된 탄소 기반 나노소재의 맞춤형 구조 제작을 가능하게 한다. 레이저 유도 열처리 기술은 파장, 플루언스, 펄스 주기 및 펄스 지속 시간 등 주요 매개변수를 정밀하게 조정하여 레이저-소재 상호작용을 세밀하게 제어할 수 있다. 이 방법론은 Mo2C, 다공성 그래핀, ZnO와 같은 나노소재의 국소적이고 정밀한 열 처리를 용이하게 하여, 고도로 제어된 구조적 재정렬과 이로 인해 향상된 소재 특성을 달성할 수 있는 새로운 접근법을 제시한다. 첫째, Mo₂C 촉매의 결정 결함인 결정립계 밀도는 펄스 레이저의 펄스 주기에 따른 열 축적 현상을 제어하여 조절되었다. 이 방법은 입자 크기 제어와 고밀도 입자 경계(130 μm⁻¹) 형성을 가능하게 하여 수소 발생 반응(HER) 활성을 크게 향상시켰다. 엔지니어링된 Mo2C는 10 mA cm⁻²에서 148 mV의 감소된 과전압과 67.6 mV dec⁻¹의 향상된 타펠 경사를 보였으며, 이는 전기화학적 활성 부위의 증가와 효율적인 전자 전달에 기인한다. 둘째, 레이저-물질 상호작용 중 하나인 광열 반응을 통해 레이저 유도 그래핀(LIG)의 다공성 구조를 제어하고, 대나무와 같은 탄소 나노튜브(BCNT)를 통합하여 컴팩트한 하이브리드 전극을 제조하였다. BCNT:LIG 복합재는 기존 LIG 전극에 비해 면 에너지 밀도(1.87 μWh cm⁻²)가 10배 향상되었고, 기계적 변형 하에서도 우수한 전기화학적 안정성을 보였다. 이로 인해 휴대용 기기의 컴팩트하고 유연한 전원으로서의 잠재력을 제시하였다. 마지막으로, 저레벨 레이저 처리(LLLT)를 사용하여 졸-겔 ZnO에서 산소 불순물을 제거하고 결함 없는 ZnO 필름을 얻어 전기적 및 광학적 특성을 향상시켰다. 이 레이저 기반 기술은 저온 처리를 가능하게 하여, 고온 열처리에 의해 발생하는 문제를 해결하고, 태양 전지 제조에서의 중요 문제를 극복하였다. 고품질 ZnO 필름은 장치 성능과 장기 안정성을 크게 향상시켜, 고급 광전지 및 광전자 응용 분야에서의 발전 가능성을 열었다. 본 논문은 레이저 유도 국소 열처리를 탄소 기반 나노소재의 구조와 특성을 정밀하게 조정하는 혁신적인 방법론으로 확립하며, 연구 결과는 차세대 에너지 및 전자 장치에서의 재료 공학 전략과 잠재적 응용 분야에 대한 새로운 통찰을 제공한다. KEY WORDS: Carbon-based nanomaterials, Laser, thermal treatment, Structure reordering
more목차
Chapter 1. Introduction 1
1.1 General introduction 1
1.1.1 Brief overview of carbon-based nanomaterials 1
1.1.2 Carbon-based inorganic compounds for nanomaterial 6
1.1.3 Synthesis methods for carbon-based nanomaterial 9
1.2 Brief overview of laser processing technologies 12
1.2.1 Fundamental principle 12
1.2.2 Laser-materials interaction 17
1.2.3 Laser processing in materials science 21
1.3 Research objective and approaches 23
Chapter 2. Literature Survey 24
2.1 Laser processing in carbon-based nanomaterials 24
2.1.1 General introduction 24
2.1.2 Laser-induced carbon nanomaterials 26
2.1.3 Laser-induced transition metal carbide 29
2.2 Laser processing for structure reordering 31
2.2.1 General introduction 31
2.2.2 Morphology control of nanomaterials via laser processing 32
2.2.3 Defect and phase reordering of nanomaterials via laser processing 35
Chapter 3. Laser-Induced Grain Boundary Engineering of Mo2C 38
3.1 Introduction 39
3.2 Experimental 42
3.3 Results and discussion 45
3.3.1 Laser-based confined thermal treatment for high density grain boundary of Mo2C 45
3.3.2 Local atomic structure and strain field evaluation in Mo2C 53
3.3.3 Spectroscopy analysis of GB-rich Mo2C 56
3.3.4 Computational analysis of GB-rich Mo2C 60
3.3.5 Electrochemical performance of GB-rich Mo2C 65
3.4 Conclusions 71
Chapter 4. Laser-Induced Graphene with Bamboo-like CNT 72
4.1 Introduction 73
4.2 Experimental 76
4.3 Results and discussion 81
4.3.1 Compacted electrode with LIG and BCNT 81
4.3.2 Characterization of BCNT:LIG/Cu 85
4.3.3 Electrochemical evaluation of compacted electrode. 93
4.3.4 Performance evaluation of quasi-solid-state supercapacitor 98
4.4 Conclusions 102
Chapter 5. Low-Level Laser Treatment of sol-gel based ZnO 103
5.1 Introduction 104
5.2 Experimetnal 106
5.3 Results and discussion 108
5.3.1 Low-level laser treatment (LLLT) of sol-gel based ZnO 108
5.3.2 Characterization of ZnO 114
5.3.3 Optoelectronic characteristics of solar cell using ZnO as ELT 122
5. 4 Conclusion 126
Chapter 6. General Conclusion 127
References 129
List of Publications 142
국문요약 147
