KR-20260061198-A - 플래시 내 플래시 줄 가열 방법 및 그 시스템

Abstract

플래시 내 플래시(FWF) 줄 가열 방법 및 그 시스템. FWF 줄 가열 공정은 외부 용기 내의 외부 공급원료를 플래시 줄 가열 공정을 거치게 하며, 이에 따라 외부 공급원료에서 발생하는 플래시 줄 가열 공정의 결과로 내부 용기(이 내부 용기는 외부 용기 내에 위치함) 내의 내부 공급원료가 전환된 재료로 전환된다.

Inventors

• 투어 제임스 미첼
• 최 치훈
• 에디 루카스
• 키트렐 윌버 카터

Assignees

• 윌리엄 마쉬 라이스 유니버시티

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20240816

Priority Date

20230818

Claims (20)

1. 방법으로서, (a) 내부 용기 내에 내부 공급원료를 제공하는 단계; (b) 외부 용기 내에 외부 공급원료를 제공하되, 상기 내부 용기가 플래시 줄 가열 장치의 외부 용기 내에 위치하도록 하는 단계; 및 (c) 하나 이상의 전압 펄스, 교류(AC), 직류(DC), 또는 이의 조합을 상기 외부 공급원료에 인가하여 외부 공급원료가 플래시 줄 가열 공정을 거치게 하고, 이에 의해 상기 외부 공급원료에 대한 플래시 줄 가열 공정의 결과로 상기 내부 공급원료가 전환된 재료로 전환되는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 공급원료에 대한 플래시 줄 가열 공정이 상기 내부 공급원료에 전도 가열 및/또는 복사 가열을 제공하여, 그 결과로 상기 내부 공급원료를 상기 전환된 재료로 전환시키는 것인 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전환된 재료가 2차원 재료인 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 전환된 재료가 FeS 2, CoS 2, CoS x Se y , CoSe, NiS 2, NiSe 2 , Cu 9 S 5, NbSe 2, MoSe 2 , TiSe 2 , In 2 Se 3 , SnS 2 , SnS x Se y , SnSe 2 , WSe 2 , WS 2 , Bi 2 S 3 , Bi x S y Se z , Bi 2 Se 3 , TiN, LaBO 3 , Cu 2 Se, Cu 0.87 Se 및 이들의 조합 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 전환된 재료가 칼코게나이드, 금속 및/또는 합금을 포함하는 것인 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 외부 공급원료가 그래핀, 플래시 그래핀, 터보스트래틱 그래핀, 무연탄, 코코넛 껍질 유래 탄소, 고온 처리 바이오차, 활성탄, 소성 석유 코크스, 야금용 코크스, 코크스, 순지트, 탄소 나노튜브, 아스팔텐, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 재(ash), 탄소 섬유, 흑연 및 이들의 조합 및 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 외부 공급원료는 상기 외부 공급원료에 전압 펄스를 인가하여 상기 외부 공급원료를 플래시 줄 가열 공정을 거치게 한 후 플래시 그래핀으로 전환되는 것인 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 플래시 그래핀이 제1항의 방법에서 외부 공급원료로서 여러 번 재사용되는 것인 방법.
9. 제7항에 있어서, (a) 상기 내부 용기로부터 상기 전환된 재료를 제거하는 단계; (b) 상기 내부 용기 내에 제2 내부 공급원료를 제공하는 단계; 및 (c) 상기 외부 용기 내의 상기 플래시 그래핀에 하나 이상의 전압 펄스, AC, DC 또는 이들의 조합을 인가하여 상기 플래시 그래핀이 플래시 줄 가열 공정을 거치게 하고, 이에 의해 상기 플래시 그래핀에 대한 플래시 줄 가열 공정의 결과로 상기 제2 내부 공급원료가 제2 전환된 재료로 전환되는 단계를 추가로 포함하는 방법.
10. 제9항에 있어서, (a) 상기 제2 내부 공급원료가 상기 전환된 재료로 전환된 상기 내부 공급원료와 동일한 유형의 공급원료이고; (b) 상기 제2 전환된 재료가 상기 전환된 재료와 동일한 유형인 방법.
11. 제9항에 있어서, (a) 상기 제2 내부 공급원료가 상기 전환된 재료로 전환된 상기 내부 공급원료와 상이한 유형의 공급원료이고; (b) 상기 제2 전환된 재료가 상기 전환된 재료와 상이한 유형인 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계가 DC 전압을 이용하는 것인 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계가 펄스형 DC를 이용하는 것인 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계가 AC 전압을 이용하는 것인 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전압 펄스를 인가하는 단계가 DC 전압 및 AC 전압의 조합을 이용하는 것인 방법.
16. 제1항에 있어서, (a) 상기 하나 이상의 전압 펄스, AC, DC 또는 이들의 조합을 인가하는 단계가 제어된 전자 변조를 통해 플래시 줄 가열 공정을 제어하는 것을 포함하고, (b) 상기 제어된 전자 변조는 가변 주파수 드라이브(VFD), 펄스 폭 변조(PWM), 비례-적분-미분(PID) 제어, 3항 제어 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 제어에 의해 수행되는 것인 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 제어된 전자 변조가 (i) DC 전류, (ii) 균일한 비-진행성 AC 전류, 또는 (iii) 이들의 조합을 이용하는 것인 방법.
18. 제1항에 있어서, 상기 외부 공급원료에 하나 이상의 전압 펄스, AC, DC 또는 이들의 조합을 인가할 때, 상기 내부 공급원료를 통해 내부 용기 전류를 인가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
19. 장치로서, (a) 내부 공급원료를 수용하도록 작동 가능한 내부 용기; (b) 외부 공급원료를 수용하도록 작동 가능한 외부 용기로서, 상기 외부 용기는 (i) 상기 외부 공급원료를 구속하도록 작동 가능한 비전도성 용기 또는 (ii) 직접적으로 플래시 줄 가열이 가능하도록 작동 가능한 전도성 용기인 외부 용기; 및 (c) 상기 외부 용기 내에 구속된 상기 외부 공급원료에 전압 펄스, 교류(AC), 직류(DC), 또는 이들의 조합을 인가하여 상기 외부 공급원료가 플래시 줄 가열 공정을 거치도록 작동 가능한 전극으로서, 상기 외부 공급원료에 대한 플래시 줄 가열 공정의 결과로 상기 내부 공급원료가 전환된 재료로 전환되는 것인 전극을 포함하는 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 전환된 재료가 2차원 재료인 장치.

Description

플래시 내 플래시 줄 가열 방법 및 그 시스템 관련 특허 출원에 대한 상호 참조 본 출원은 2023년 8월 18일에 출원된 James Mitchell Tour 등의 "Methods Of Flash-Within-Flash Joule Heating And Compositions Thereof"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제63/520,553호에 대한 우선권을 주장하며, 해당 특허 출원은 본 발명의 소유자에 의해 공동 소유되며 그 전체가 본원에 포함된다. 기술 분야 본 발명은 플래시 줄 가열(FJH) 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 특히 플래시 내 플래시 줄 가열 방법 및 그 시스템을 포함한다. 정부 이익 본 발명은 미국 공군 과학연구국(United States Air Force Office of Scientific Research)으로부터 부여받은 과제 번호 FA9550-22-1-0526, 및 미국 육군 공병단 산하 공병 연구개발센터(United States Engineer Research and Development Center for the United States Army Corp of Engineers)로부터 부여받은 과제 번호 ERDC W912HZ-21-2-0050 및 W912HZ-24-2-0027의 정부 지원을 받아 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다. 배경 차세대 합성 프로토콜은 환경 영향을 최소화하기 위해 용매 및 물 사용량 감소, 에너지 효율 개선, 및 규모 확장성이라는 3가지 주요 기준을 충족해야 한다 [Raabe 2023; Aykol 2021]. 많은 합성 공정이 고온(>600 ℃) 또는 수 시간에서 수일에 이르는 장시간의 반응 시간을 필요로 하기 때문에, 열역학적 평형 상태를 이용하여 이러한 요건을 달성하는 것은 쉽지 않다. 최근 초고속 저항 줄 가열을 통한 급속 열 충격을 이용하는 비평형 합성법이 세라믹[Wang C 2022; Deng II 2022], 준안정 재료[Zheng 2023; Chen II 2021], 및 고부가가치 화학물질 및 재료[Luong 2020; Deng I 2022; Wyss 2022; Wyss 2023; Yao 2018; Chen 2016]를 포함한 특정 제품을 생산하는 더욱 유망한 방법으로 부상하였다. 이러한 기존 방법들은 수 밀리초에서 수 분 내에 수행되므로 에너지 소비를 실질적으로 감소시킨다. 그러나 이러한 프로토콜은 종종 특정 전기 전도도 조건을 충족해야 하므로 사용 가능한 시약이 제한된다는 단점이 있다. 이러한 제한을 우회하기 위해 전도성 첨가제 또는 기판을 도입해야 하는데, 이는 불순물을 유발하고 독립형 생성물(standalone product)을 얻는 데 어려움이 있다. 또한, 저항 가열에 인한 강렬한 열 발생으로 인해 칼코겐(예를 들어, S 및 Se)과 같은 휘발성 시약을 혼입시키기 어려우며, 이는 결과적으로 이러한 원소들의 결합을 제한하게 된다. FJH의 한계는 도시 고형 폐기물을 포함한 다양한 탄소 기반 공급원료로부터 비정질 탄소를 주 생성물(<90%)로 제조하기가 어렵다는 점이다. 터보스트래틱 그래핀과 달리 비정질 탄소는 결정성을 나타내지 않으며, 공기 및 수처리 필터, 화장품, 잉크, 및 복합재에서 광범위하게 사용된다. 비정질 탄소의 범주는 (활성)탄, 활성탄, 바이오차(biochar), 및 이들의 조합 및 혼합물과 같은 재료를 포함한다. FJH는 반응 중에 이러한 탄소 공급원료를 터보스트래틱 그래핀으로 전환시키기 때문에, 비정질 탄소 재료 및 그 유도체(예를 들어, 헤테로원자 도핑된 비정질 탄소)를 얻는 것은 쉽지 않다. 도면에 대한 간략한 설명도 1a-1d는 본 발명의 실시양태에서 열전도 모드로 작동되는 플래시 내 플래시(FWF) 줄 시스템 프로토콜을 나타낸다. 도 1a는 FWF(유형 1)의 개략도를 나타낸다. 도 1b는 340 V FWF 반응의 전류 및 온도 프로파일을 나타낸다. 도 1c는 미반응 전구체의 추가적인(그리고 가능한 한 완전한) 전환을 허용하는 다중 FWF 반응(유형 2)의 개략도를 나타낸다. 도 1d는 예상치 못한(및/또는 원하지 않는) 부반응을 회피하기 위한 음이온 교환 FWF 반응(유형 3)의 개략도를 나타낸다. 도 2는 FWF 공정에 사용될 수 있는 커패시터 뱅크 방전 시스템의 회로도를 나타낸다. 도 3a 내지 3f는 복사 가열 모드에서 작동되는 FWF 시스템 프로토콜을 나타낸다. 도 3a는 복사 FWF 가열을 허용하는 소자의 흑연 튜브 가열기, 종단면, 튜브 지지대를 기술하는 개략도를 나타낸다. 도 3b는 도 3a의 흑연 튜브 가열기, 종단면, 튜브 지지대의 단면도의 개략도를 나타낸다. 도 3c는 복사 FWF 가열을 허용하는 추가의 소자의 흑연 튜브 가열기, 종단면, 튜브 지지대를 기술하는 개략도를 나타낸다. 도 3d는 도 3d의 흑연 튜브 가열기, 종단면, 튜브 지지대의 단면도의 개략도를 나타낸다. 도 3e는 독립적인 전기장/전류를 갖는 도 3c의 흑연 튜브 가열기를 기술하는 개략도를 나타낸다. 도 3f는 실시양태에 사용될 수 있는 강직성 흑연 튜브의 개략도를 나타낸다. 도 4는 FWF의 실시양태의 개략도를 나타내고, FWF 반응이 내부 튜브와 외부 튜브 간에 개념적으로 나뉠 수 있다는 것을 나타낸다. 도 5a 내지 5f는 FWF의 내부 튜브 온도 측정을 나타낸다. 도 5a는 정상적인 FWF 반응의 온도 측정에 대한 개략적 설명이다. 도 5b는 반응 동안에 내부 온도를 파악하기 위해 비스듬한 내부 튜브의 온도 측정에 대한 개략적 설명이다. 도 5c는 정렬 레이저가 장착된 적외선 온도계를 샘플 영역에 초점을 맞춰 FWF 반응 동안의 시간 의존적 온도 변화를 읽는 것을 나타낸다. 도 5d 내지 5f는 FWF 반응 동안의 반응 동역학을 나타낸다. 도 6a 내지 6d는 FWF의 그램 규모 확장성을 나타낸다. 도 6a는 그램 규모 반응으로부터 얻은 분석 저울 내의 1.11g의 WSe2 분말의 사진이다. 스케일 바, 10 cm. 도 6b는 그램 규모 반응을 통해 얻은 WSe2의 XRD 스펙트럼이다. 참조 스펙트럼도 또한 도 6b(아래)에 제공된다. 도 6c는 그램 규모 반응을 통해 제조한 WSe2 분말의 Se 3d XPS 스펙트럼이다. 도 6d는 그램 규모 반응을 통해 제조한 WSe2 분말의 W 4f XPS 스펙트럼이다. 도 7a 내지 7h는 FWF로부터의 다양한 반응 및 생성물을 나타낸다. 도 7a는 FWF 반응에 사용된 대표 원소들의 목록이다. 작은 서브셋(subset)은 무기 화합물을 제조하는 데 사용된 상응하는 음이온 구성성분을 나타낸다. 도 7b는 초기 플래싱 전압 및 상응하는 에너지 입력과 관련해서 모든 최종 생성물의 목록이다. 달리 명시되지 않는 한, 모든 합성은 FWF에 대해 유형 1 반응을 사용하였다. 도 7c 내지 7e는 (C) SnS2, (D) SnSe2, 및 (E) Se 도핑된 SnS2(SnSxSey로 표기)의 ADF-STEM 이미지 및 EDX 맵핑이고, 시약 의존적 조절가능성 및 도핑(치환) 능력을 나타낸다. 도 7f 내지 7h는 반전도성 재료 (F) MoSe2(n형), (G) WSe2(p형), 및 (H) α-In2Se3(n형, 강유전체)의 ADF-STEM 이미지 및 EDX 맵핑이다. 도 8a 내지 8d는 SnS2, α-In2Se3, MoSe2, 및 WSe2 플레이크의 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴을 나타낸다. 도 8a는 SnS2의 SAED를 나타낸다. 도 8b는 α-In2Se3의 SAED를 나타낸다. 도 8c는 MoSe2의 SAED를 나타낸다. 도 8d는 WSe2의 SAED를 나타낸다. 모든 재료는 각 플레이크에서 단결정 성질을 나타냈다. 도 9a 내지 도 9b는 Sn 기반 TMD의 도핑 능력에 대한 XRD 및 라만 스펙트럼을 나타낸다. 도 9a는 SnS2, Se 도핑된 SnS2(SnSxSey로 표기), 및 SnSe2의 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 도 9b는 SnS2, Se 도핑된 SnS2(SnSxSey로 표기), 및 SnSe2의 라만 스펙트럼을 나타내며, 상응하는 분말의 사진을 서브셋으로서 나타낸다. 도 10a 내지 도 10h는 FWF 생성물의 전기적 특성 특성화를 나타낸다. 도 10a는 실험 FET 소자 기하학적 구조를 나타내는 소자 개략도를 나타낸다. MoSe2, WSe2 및 α-In2Se3의 결정 구조의 개략도를 점선 상자 안에 나타낸다. 도 10b는 각각의 FET 소자에서 MoSe2, WSe2 및 α-In2Se3의 단면 ADF-STEM 이미지를 나타낸다. 도 10c 내지 10e는 상이한 VD (VD = 각각 0.1 V 및 1 V)하에서 n형 MoSe2, p형 WSe2 및 강유전체 α-In2Se3의 대표 전달 곡선(일정한 드레인 전압(VD)하에서 게이트-전압(VG)-드레인 전류(ID) 특성)을 나타낸다. 삽입도는 FET 소자의 광학 이미지를 나타낸다. 스케일 바, 10 μm. 도 10f 내지 10g는 VG = -40 V 내지 VG = 40 V 각각에서 n형 MoSe2 및 p형 WSe2 FET 소자 각각의 대표 출력 곡선(일정한 VG 하에서의 VD-ID 특성)을 나타낸다. 도 10h는 1,000 사이클 동안 강유전체 In2Se3 FET 소자의 내구성 특성을 나타낸다. 작동 전압은 VG = -40 V(SET의 경우) 및 VG = 40V(RESET의 경우)이고, 판독 전압은 VD = 1 V이다. 도 11a 내지 11b는 마찰학적 성능에 대한 비교 분석을 나타낸다. 도 11a는 참조 알루미나, 상업적 MoSe2 및 FWF MoSe2의 120,000회 측정 동안의 시간 의존적 마찰계수(COF) 변화를 나타낸다. 1 N하에서 참조 알루미나, 상업적 MoSe2 및 FWF MoSe2의 이동 평균 추세선을 동시에 나타낸다. 도 11b는 참조 알루미나, 상업적 MoSe2 및 FWF MoSe2의 힘 의존적 COF 변화를 나타낸다. 도 12a 내지 12f는 상업적(A 내지 C) MoSe2 및 (D 내지 F) FWF MoSe2의 S/TEM 이미지 및 SAED 패턴이다. 도 12a는 플레이크 가장자리에 ~20 nm의 비정질 층이 있는 상업적 MoSe2의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 12b는 플레이크 가장자리에 ~10 nm 비정질 층이 있는 상업적