Fabrication of polypyrrole-based two-dimensional hybrid nanomaterials and their supercapacitor applications

Abstract

Among the numerous studies about fabrication and in-depth research of nanomaterials, which has attracted the attention of many researchers for decades, the manufacture of organic/inorganic hybrid nanomaterials is of great interest at the same time. This trend follows the demand of the Internet of Things (IoT) era for light-weight energy storage devices using hybrid nanomaterials with both high performance and improved stability. The focus of this dissertation is on developing the functional hybrid materials by combining the advantages of both organic and inorganic materials and applying them to energy-storing electronic devices. Two-dimensional (2D) nanomaterials have drawn a lot of attention since the groundbreaking discovery of single-layer graphene sheets over a decade ago. Thereafter, many 2D inorganic materials have been discovered and studied, and the carbonaceous materials such as organic molecules, carbon nanotubes, and polyolefins have been utilized to develop hybrid materials. There is a drawback in that the electrochemical behaviors of the resultant hybrid nanomaterials are mostly suppressed. Conducting polymer (CP), accordingly, is a splendid candidate to retain the electrochemical properties, while enhancing mechanical and thermal stability when assembled as hybrid nanomaterials. As one of the most studied CPs, polypyrrole (PPY) has been scrutinized in view of high electrical conductivity, redox-active properties, and environmental stability. Nevertheless, a construction of PPY-based hybrid nanomaterials with 2D nano-bricks still remains a challenge. This dissertation elucidates three different ways for fabricating PPY-based hybrids based on integrative chemistry, a method for material design where initial blocks are assembled via structuring reactions. MoS2 nanosheet, phosphorene, and dopamine-coated CVD-grown graphene are used as building units, assembled with pyrrole monomers during the polymerization. In this research, three kinds of PPY-based hybrid nanomaterials fabricated by integrative chemistry were utilized as supercapacitor electrode materials, exhibiting improved performance as well as superior stability

수십 년 동안 많은 연구자들의 관심을 끌었던 나노 물질의 제조 및 심층 연구에 관한 수많은 연구가 진행되면서, 이와 더불어 유·무기 하이브리드 나노 물질의 제조에 대한 관심이 커지고 있다. 이러한 추세는 고성능과 안정성이 향상된 하이브리드 나노 재료를 사용하는 경량 에너지 저장 장치에 대한 IoT (Internet of Things) 시대의 수요를 따른다. 본 논문은 유기 및 무기 재료의 장점을 결합하여 에너지 저장 전자 장치에 적용함으로써 기능성 하이브리드 재료를 개발하는 데 중점을 두고 있다. 2차원 나노 물질은 십여 년 전의 획기적이었던 단층 그래핀 시트의 발견 이후 많은 관심을 끌고 있다. 그 후, 많은 2차원 무기 재료가 발견되고 연구되었으며, 이와 함께 유기 분자, 탄소 나노 튜브 및 폴리올레핀과 같은 다양한 탄소 재료가 유·무기 하이브리드 재료를 개발하기 위해 사용되어왔다. 하지만, 제조된 하이브리드 나노 물질 대부분은 2차원 재료의 전기화학적 거동이 억제된다는 단점이 있다. 따라서, 전도성 고분자는 전기화학적 특성을 유지하면서도 하이브리드 나노 재료로 조립될 때 기계적 및 열적 안정성을 향상시키는 훌륭한 후보이다. 가장 많이 연구된 전도성 고분자 중 하나인 폴리피롤(PPY)은 높은 전기 전도성, 전기화학적 활성 특성 및 환경 안정성을 고려하여 면밀히 조사되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 2차원 나노 재료를 기판으로 이용하는 폴리피롤 기반 하이브리드 나노 물질의 구성은 여전히 도전 과제이다. 이 논문은 재료 설계 방법인 "통합 화학"을 기반으로, 구조화 반응을 통해 2차원 나노 기판을 조립하는 PPY 기반 하이브리드 나노 물질을 제작하는 세 가지 방법을 설명한다. MoS2 나노 시트, 포스포린 및 도파민 코팅된 CVD-성장 그래핀은 빌딩 유닛으로서 사용되며, 구조화 반응동안 피롤 단량체와 조립된다. 본 연구에서는 통합 화학을 통해 3가지 종류의 PPY 기반 하이브리드 나노 재료를 슈퍼 커패시터 전극 재료로 활용하여 에너지 저장 성능은 물론 안정성이 우수한 것을 증명했다.