Synthesis and Charaterization for Graphene-Based Nanocomposites Applicable for Electrocatalyst and Electrosensor

Abstract

제 1장에서는, 간단한 혼합법을 이용하여 합성한 그래핀과 층상 티타네이트 나노시트의 혼성 콜로이드에 콜로이드에 백금 나노파티클을 성장을 통하여 다공성 나노혼성체로 제조하였다. 티타네이트산화물/그래핀의 비율이 0.5 %, 1 %, 2%인 이 혼성 콜로이드는 층 분리 없이 안정한 콜로이드 상태를 유지함을 확인하였다. 혼성 콜로이드에 백금 나노파티클을 성장시켜 합성한 백금-그래핀-층상 티타네이트 나노혼성체는 메조기공 형성으로 인한 ~155-264 m²g^(-1)의 확장된 비표면적과 높은 전기화학적 활성을 보였다. 대조물질인 commercial Pt/C 보다 더 높은 개시전압을 보이는 것을 확인하였으며 1000 cycle 후에도 안정적인 용량유지를 보였다. 이것은 백금-그래핀에 층상 티타네이트 나노시트를 첨가함으로서 전극성능에 긍정적인 영향을 주었음을 의미한다. 이 연구는 다양한 층상 전이금속 나노시트을 그래핀과 혼성화를 통하여 백금 나노파티클의 유용한 지지체로서 사용될 수 있음을 제시하였다. 제 2장에서는, 콜로이드 상으로 합성한 박리화된 그래핀 옥사이드 나노시트를 시간을 늘려가며 반응시켜 다양한 환원정도를 가진 다공성의 나노구조체를 합성하였다. 투과전자 현미경과 주사전자현미경분석을 통해 합성된 나노구조체가 ~수십 마이크로미터 크기의 카드집 형태의 다공성 구조를 가짐을 확인하였다. 마이크로 라만 분석을 통하여 그래핀의 환원 반응 시간이 증가할수록 그래핀 표면의 결함이 회복되는 것을 보였다. 또한 X선 광전자 분광법을 통해, 더 환원된 그래핀의 경우 나노구조체 내의 산소를 포함한 관능기의 양이 감소함을 확인할 수 있었다. 전기화학 특성평가 결과, 30 분동안 환원반응 시킨 그래핀이 다른 그래핀보다 향상된 NADH 센싱 능력을 보임을 확인하였다. 이 연구는 최적하된 상태에서 환원된 그래핀 나노 구조체가 NADH를 센싱하는 전극물질로 활용될 수 있음을 제시하였다.;In chater I, mesoporous nanocomposites of Pt-reduced graphene oxide (RGO)-layered titanate are synthesized by the reaction of the mixture of exfoliated layered titanate nanosheets, graphene oxide nanosheets, and H₂PtCl_(6) with NaBH₄ to investigate the effect of layered titanate nanosheets on the electrocatalyst performance of Pt-RGO nanocomposite. The obtained ternary nanocomposites are composed of the porous stacking assembly of layered titanate/RGO nanosheets with well-dispersed Pt nanocrystals whose particle size becomes smaller with the increase of titanate content. The incorporation of layered titanate nanosheets induces a marked increase of the surface area of the resulting nanocomposites. Upon the reaction with NaBH₄, the layered titanate nanosheet experiences only a slight lowering of tetravalent Ti oxidation state without a significant change of lepidocrocite-type structure. The incorporation of titanate nanosheets gives rise to a remarkable improvement of electrocatalytic activity for oxygen reduction reaction (ORR). Of prime importance is that the present nanocomposites show a higher on-set potential for ORR than commercial Pt/carbon catalyst, underscoring a powerful role of titanate nanosheets in optimizing the electrocatalyst performance of Pt-RGO nanocomposite. This is the first report showing the usefulness of metal oxide nanosheets as an effective additive for enhancing the electrocatalyst performance of metal nanoparticle. The observed enhancement of electrocatalytic activity upon the titanate addition is attributable to the decrease of Pt crystal size, the increase of surface area, and the increase of surface hydrophilicity. The present findings clearly demonstrate that the incorporation of layered titanate nanosheets is quite effective in improving the electrocatalytic functionality of Pt-RGO nanocomposite. In chapter II, Mesoporous reduced graphene oxide (RGO) is synthesized by the reduction of the exfoliated graphene oxide with various reduction time to investigate the effect of degree of reduction on the performance as an electrosensor of RGO. The obtained RGO is composed of the porously stacked RGO nanosheets. The chemical synthesis of RGO with various reduction time makes it possible to control the portion of oxygen-containing groups and defects in RGO. The results of micro-Raman and XPS analyses demonstrate that the reduction of RGO is strongly induced upon increasing of the reduction time. RGO with reduction time of 30 min possess the 75.4 % C-C and 24.6 % oxygen-containing groups. It shows the oxidative peak potential at ~0.0 V with high peak current (~ 13.0 μA), indicating the promising nature of the obtained RGO as a catalyst for NADH sensor. The enhanced electrosensor performance is attributable to the optimized reduction condition, which includes high adsorption ability of NADH and increased electrical conductivity resulted from oxygen-containing groups and effective recover of defects in RGO, respectively.