전기적 및 화학적으로 개질된 금 나노입자의 전극 촉매 활성 연구

Abstract

본 연구에서는 특유의 전기화학적 활성으로 여러 분야에 집중적으로 연구되고 있는 금 나노 입자를 nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) 센서와 연료전지 환원전극 소재로 적용하였다. Ⅰ장에서는 전기화학적 방법으로 금 나노입자의 표면 활성을 증가시켜 NADH 센서로 응용에 대하여, Ⅱ장에서는 제 2의 금속인 팔라듐을 도입하여 금/팔라듐(AuPd) 이중금속 촉매를 합성하였고 이를 연료전지에서 산소환원반응이 일어나는 환원전극 소재로서 응용을 기술하고 있다. Ⅰ장에서는 0.05 M 인산 완충용액 (phosphate buffer solution: PBS, pH 7.4)에서 순환전압전류법 (cyclic voltammetry: CV)을 이용하여 -0.2 V와 1.0 V 사이 전압에서 반복적인 전압 순환으로 전처리 된 금 나노입자의 NADH 센서로서 활성을 분석하였다. NADH는 생체 내에서 중요한 에너지 대사에 관여하는 중요한 인자로 NADH의 감지는 많은 관심을 받고 있다. 하지만 일반적인 전극에서 NADH의 직접적 산화는 높은 과전압을 필요로 할 뿐만 아니라 NADH의 산화로 인한 생성물이 전극 표면에 강하게 흡착하여 전극활성을 저하시키는 문제점을 가지고 있다. 그러나 전기화학적으로 표면을 활성화시킨 금 나노입자를 지지체인 탄소에 부착시켜 만든 전극에서 직접적인 NADH 전기화학적 산화를 측정한 선형 훑음 전압-전류법 (linear sweep voltammerty: LSV)실험을 통해 매우 낮은 전압에서 NADH의 산화가 시작되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 X-ray 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)실험에서 확인 된 금 나노입자 표면의 산화층이 NADH의 산화 감지에 중요한 역할을 한 것을 알 수 있었다. Ⅱ장에서는 환원제와 안정제 역할을 동시에 수행하는 5-hydroxyindole-3-acetic acid (HIAA)를 사용하여 합성된 AuPd 이중금속을 연료전지의 환원전극 소재로서 응용하고자 하였다. 각각 다른 전구체 비율로 합성된 AuPd 이중금속의 구조적 특성은 전계방출 주사전자현미경 (field-emission scanning electron microscopy: FE-SEM), 전자 투과 현미경 (transmission electron microscopy: TEM), CV, XPS, 고분해능 X-선 회절 (High Resolution X-ray diffraction: HR-XRD), 자외선-가시선 분광기 (UV-vis spectrometer : UV-vis)을 이용하여 분석하였다. 회전 원반 전극 (rotating disk electrode: RDE) 실험과 Koutecky-Levich (K-L) 그래프를 통해 AuPd 전구체 비율이 1 : 1인 이중금속에서 산소환원반응이 가장 낮은 과전압에서 일어나며 높은 전류밀도를 갖고 4 전자 전달반응으로 진행되는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 반복적인 CV와 RDE 실험을 통해 AuPd 이중금속 매우 뛰어난 안정성을 가진 것을 확인하였다.;Au nanoparticles (AuNPs) modified with two different methods were synthesized and their catalytic activities were investigated toward direct oxidation of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and oxygen reduction reaction (ORR). Chapter I describes the activity of electrochemically pretreated AuNPs supported on carbon for direct oxidation of NADH. NADH is a coenzyme made from Vitamin B2 or niacin. It is present in all living cells. As a coenzyme, NADH serves an important role in helping enzymes to function. The importance of the study of NADH/NAD+ lies in that NADH/NAD+ is a cofactor for over 300 dehydrogenase enzymes, which may be helpful to understand the parameters that may control the redox activity of biological coenzymes. However, the direct oxidation of NADH at conventional electrode materials is usually encountered by low sensitivity and the fouling of the electrode surface by its oxidation products. Herein, we improved the activity of carbon supported AuNPs for NADH oxidation via electrochemical pretreatment. Carbon supported AuNPs were pretreated by repetitive potential cycling between -0.2 and +1.0 V (vs. SCE). The electrochemically pretreated carbon supported AuNPs showed enhanced sensitivity for the electrocatalytic oxidation of NADH with low overpotential. Chapter II presents the preparation of Au-Pd bimetallic nanoparticles using different Au precursor to Pd precursor ratios. Fuel cell research has been expanding in recent years as the demand for alternative fuels increases. Better catalysts for ORR are needed to improve the efficiency and to lower the cost of fuel cells. Pt and its alloys are still the best electrocatalysts for ORR, but the high cost and limited supply of Pt are the problem. As a catalyst based on non-Pt to reduce Pt usage, in this study, the synthesis and characterization of bimetallic Au-Pd nanocomposites were presented. Bimetallic Au-Pd catalysts are prepared with the use of HIAA as reductant at the various ratios of Au and Pd precursors (NaAuBr4 : K2PdCl4 = 3:1, 1:1, and 1:3). The structures and electrocatalytic activities of the prepared bimetallic Au-Pd catalysts were characterized by SEM, TEM, CV, UV-vis, XPS, XRD and RDE voltammetry. Au-Pd (1:1) catalyst showed the best ORR activity such as more positive onset potential, higher ORR limiting current density, and high stability.