금속 및 금속산화물 나노구조체의 전기화학적 촉매활성 연구

Abstract

본 연구에서는 이리듐, 루테늄, 백금 등의 여러 금속을 가지고 각각의 독특한 나노구조체를 만들어 전기화학적 활성 분석을 기반으로 여러 가지 전기화학적 장치에 활용되는 촉매로써의 활용을 연구하였다. 제 1장에서는 이리듐 - 그래핀 나노복합체를 만들어 연료전지 환원극 촉매로써의 가능성을 연구하였고, 제 2장에서는 이리듐과 루테늄의 혼합산화물을 만들어 물의 전기 분해를 가장 효과적으로 하기 위한 혼합물 촉매의 조성비를 분석 하였다. 마지막으로 제 3장에서는 나노다공성을 기반으로 한, 백금구조에 따른 다양한 전극반응에의 촉매활성에 대하여 연구하였다. 제 1장에서는 이리듐과 그래핀을 합성하여 자가조립으로 복합체를 만들어 연료전지 촉매로 개발한 내용을 담고 있다. 산소환원반응에 대한 활성이 좋지 않다고 알려진 산화이리듐 나노입자가 입혀진 그래핀 나노복합체에 수소기체를 흘려주어 산화이리듐이 이리듐 금속으로 산화상태가 바뀌었고 이로 인해 산소환원반응에 대한 활성이 증가하는 것과, 반대로 산소기체를 처리해 주어 산화이리듐으로 변화시킬 경우에 활성이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 산소가 없는 환경에서 이리듐 금속(0) 나노입자 - 그래핀 나노복합체를 만들어서 활성이 좋은 연료전지 촉매로써의 가능성을 확인하였다. 제 2장에서는 이리듐과 루테늄 전구체를 단순히 섞은 후, 간단한 열 처리를 통해 적은 양의 금속을 사용하되 표면적을 극대화 시킨 이리듐 - 루테늄 혼합산화물 나노와이어를 백금 마이크로선 위에 합성하였다. 이리듐과 루테늄의 비율을 달리하여 합성한 혼합산화물 나노와이어들을 중성 (0.1 M 인산 완충용액), 염기성 (0.1 M KOH), 산성 (0.1 M HClO4) 용액에서 각각 물의 전기 분해에 대한 활성 확인 실험을 하였고, 과전압과 전압 밀도 효율을 비교하여 최적의 혼합비율을 찾아내었다. 제 3장에서는 나노다공성을 기반으로 한 두 가지 구조의 백금을 가지고 여러 반응 (확산지배반응부터 전자전달속도지배반응까지 - Fe(CN)^(4-)_(6)/Fe(CN)^(3-)_(6), Ru(NH₃)^(2+)_(6)/Ru(NH₃)^(3+)_(6), H₂O₂의 산화환원 반응, 산소환원반응, NADH, 포도당의 산화반응) 에 따른 활성을 비교하였다. 이 결과를 응용하여 백금을 목적에 맞는 구조로 조절하여 합성하여 특정 반응에 대해 촉매효율을 높일 수 있는 가능성을 확인하였다.;This study is about the development and investigation of metal catalysts having unique nano-structures for the practical applications to electrochemical devices, such as fuel cell, sensor, and etc. The contents of a thesis comprises 3 parts : Chapter I, Chapter Ⅱ and Chapter Ⅲ. Chapter I deals with a subject on iridium-graphene nanocomposites as a fuel cell cathode catalyst. Nanocomposites of iridium nanoparticles (IrNPs) supported on graphene nanosheets are synthesized and their electrocatalytic activities toward oxygen reduction reaction (ORR) are studied depending on the Ir oxidation state. The results show that the nanocomposite, composed of Ir(0) NPs rather than IrOx NPs, exhibits a higher ORR activity. Also, the stability of the nanocomposite was confirmed for the practical use. Chapter Ⅱ presents electrochemical activities of mixed metal oxide {Ir_(x)Ru_(1-x)O₂} for electrolytic water splitting. Nanowires of Ir_(x)Ru_(1-x)O₂having maximized surface area are grown on a Pt microwire (25 μm diameter) by simply heating a mixture of Ir and ruthenium (Ru) precursors in a furnace. Various compositions of Ir_(x)Ru_(1-x)O₂ nanowires are synthesized by carefully controlling the relative ratios of Ir and Ru precursors. The catalytic activity of the prepared Ir_(x)Ru_(1-x)O₂nanowires for electrolytic water splitting is studied in various solutions, such as 0.1 M phosphate buffer (PBS), 0.1 M KOH, and 0.1 M HCIO₄; and the best composition of Ir_(x)Ru_(1-x)O₂ nanowires in each solution is determined. In Charter Ⅲ, porous Pt layers with different pore sizes are studied for the catalytic activity toward a range of electrochemical reactions from fast diffusion-controlled to slow kinetic-controlled ones : electrochemical reduction/oxidation reactions of Fe(CN)^(4-)_(6)/Fe(CN)^(3-)_(6), Ru(NH₃)^(2+)_(6)/Ru(NH₃)^(3+)_(6), H₂O₂, ORR, and the oxidations of NADH, glucose. The study confirms that porous structure is an important factor governing the overall electrode reaction speeds. Indeed, the controlled nanostructure of catalysts may improve the catalytic activity for a specific reaction.