은 나노선 기반 및 산화 루테늄 기반 전극 촉매 연구

Abstract

본 논문은 은 나노선과 산화루테늄을 기반으로 한 여러 금속 나노구조체를 연료전지와 일산화질소 및 과산화수소 센서의 소재로 적용가능성에 대해 크게 두 부분의 연구로 구성되어 있다. Chapter Ⅰ에서는 은 나노선을 이용하여 Ag/Au/AgCl 나노선과 은/할로겐화은 복합체를 합성하여 이를 연료전지에서 산소환원반응이 일어나는 환원전극 소재로서의 응용에 대하여 기술하고, Chapter Ⅱ-B에서는 산화루테늄을 탄소섬유에 나노막대 형태로 성장시키고, 이를 일산화질소 센서로 응용하였고, Chapter Ⅱ-C에서는 산화티타늄 나노섬유 위에 자란 산화루테늄 나노선의 전기화학적 특성을 분석하고 과산화수소 센서로서의 응용에 대해 기술하였다. Chapter Ⅰ에서는 은 나노선을 기반으로 자발적 교환반응(galvanic replacement reaction: GRR)을 통해 합성된 여러 금속 나노구조체를 연료전지의 환원전극 소재로서 응용하고자 하였다. 각기 다른 금전구체의 농도로 합성된 Ag/Au/AgCl 나노선과 Ag/AgCl, Ag/AgBr나노선 및 벌크구조의 구조적 특성은 전계방출 주사전자현미경(field-emission scanning electron microscopy: FE-SEM), 전자 투과 현미경(transmission electron microscopy: TEM), 순환전압전류법(cyclic voltammetry: CV), X-선 회절(X-ray diffraction: XRD)실험 등을 이용하여 분석하였다. 회전원판전극(rotating disk electrode: RDE) 실험과 Koutecky-Levich(K-L) 그래프를 통해 Au의 비율이 가장 높은Ag/Au/AgCl 나노선과 Ag/AgCl 나노선에서 산소환원반응이 가장 낮은 과전압에서 일어나며 높은 전류밀도를 갖고 4전자 전달반응으로 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 반복적인 CV와 RDE 실험을 통해 안정성 또한 뛰어남을 확인하여 합성한 물질들의 연료전지의 환원극에서 주로 사용되는 백금(Pt)촉매를 대체할 수 있는 비백금계 촉매로의 사용가능성을 확인하였다. ChapterⅡ에서는 본교 물리화학연구실에서 합성한 탄소섬유 위에 성장시킨 산화루테늄 나노 막대(RuO₂NRs-CF)와 티타늄 나노섬유 위에 성장시킨 산화루테늄 나노선(RuO₂NWs-TiO₂NFs) 전극촉매에 대한 전기화학적 특성을 연구하였다. Chapter Ⅱ-B에서 루테늄트라이하이드록사이드(Ru(OH)₃) 전구물질을 가열하여 합성한 RuO2NRs-CF를 FE-SEM, XRD를 이용하여 물리적 특성을 규명하였다. 선형 전압 주사법(linear sweep voltammetry: LSV)과 전류 측정법(amperometric i-t curve)를 이용하여 확인했을 때 일산화질소 감응에 순수CF보다 40배 정도의 우수한 감도(36.25 nA μM-1) 를 보였으며, 살아있는 쥐의 대뇌 피질에서의 in vivo 실험을 통해서 바이오센서로서의 사용가능성을 보여주었다. Chapter Ⅱ-C에서 합성한 RuO₂NWs-TiO₂NFs와 Ru(OH)₃-TiO₂NFs를 CV와 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy: EIS)를 이용하여 [Fe(CN)_(6)]^(3-)에 대한 전기화학적 활성을 측정하였으며 두 물질 모두 TiO2NFs 보다 월등히 좋은 전기화학적 활성을 보여주었다. RSA는 비패러데이 전류를 측정하여 추정하였고 TiO₂NFs 보다 3.5배 정도 면적이 증가하였음을 알 수 있었다. RuO₂NWs-TiO₂NFs와 Ru(OH)₃-TiO₂NFs는 모두 과산화수소의 측정에 있어서 TiO₂NFs보다 우수한 감도를 보였으며 RuO₂NWs-TiO₂NFs는 과산화수소의 산화에 Ru(OH)₃-TiO₂NFs는 과산화수소의 환원에서 더 뛰어난 감도를 보였다.;This thesis consists of two parts: (1)applicability of the various metal nanostructures based on silver nanowires as the cathode material in fuel cells and (2) ruthenium dioxide-based nanostructures as sensor for nitric oxide or hydrogen peroxide. In Chapter Ⅰ, metal nanostructures based on silver nanowires (NWs) are synthesized by galvanic replacement reaction (GRR) as catalyst materials for oxygen reduction reaction (ORR). The structural properties of Ag/Au/AgCl NWs, which are synthesized from Ag NWs with different concentrations of Au precursor and NWs or bulk materials of Ag/AgCl and Ag/AgBr, were analyzed by FE-SEM, TEM, CV, and XRD etc. Through RDE and K-L plot, Ag/Au/AgCl NWs with the highest Au content and Ag/AgCl core-shell NWs are characterized to be the best materials in the cathode of fuel cells. Because they show the best ORR activity such as more positive onset potential, higher ORR limiting current density than commercial platinum, and high stability. We confirm that these materials can replace the platinum-based catalyst which is mainly used as the cathode catalyst of fuel cell. In Chapter Ⅱ, RuO₂ nanorods (NRs) on carbon fiber (CF) and RuO₂NWs on TiO₂ nanofibers (NFs) are characterized electrochemically. Chapter Ⅱ-B shows that physical properties of RuO₂NRs-CF identified with FE-SEM and XRD. For the oxidation of nitric oxide(NO), RuO₂NRs-CF shows 40-fold greater sensitivity than CF, which was confirmed using LSV and amperometric i-t curve. In addition, the sensor is applied for real-time in vivo NO measurements of a rat brain cortex. In Chapter Ⅱ-C, the synthesized RuO₂NWs-TiO₂NFs and Ru(OH)₃-TiO₂NFs are tested for the electrochemical activity for electrochemical reaction of [Fe(CN)_(6)]^(3-)/[Fe(CN)_(6)]^(4-) couple and both show better activity than TiO₂NFs based on CV and EIS. RSA is estimated by measurements of the nonfaradaic capacitive currents and they are 3.5-times increased compared to bare TiO₂NFs. In H₂O₂ redox reaction, both RuO₂NWs-TiO₂NFs and Ru(OH)₃-TiO₂NFs show excellent sensitivity than TiO₂NFs.