Synthesis and Characterization of Metallic ReO3 Nanowires and Synthesis of Aliphatic Fluorinated Epoxy Acrylate

Abstract

The goal of this thesis is to provide a strategy for the facile synthesis of single crystalline metallic metal oxide nanostructures and to find a feasibility of these nanostructures as catalysts, nano-scale devices, supercapacitors, and electrical sensing electrodes. First, I present the synthesis of highly crystalline metallic rhenium trioxide (ReO3) nanowires for the first time. ReO3 nanowires were grown on a 200 nm silica-covered Si (001) wafer by atmospheric-pressure chemical vapor deposition (APCVD) without the use of any catalyst. The structures and morphologies were examined using scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectrometry (EDX), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). Based on HRTEM, the ReO3 nanowires exhibit a core of perfect cubic perovskite-type single crystal structure with a shell of thin amorphous and disordered structures of less than 2 nm in the near surface layers. Possibly this is due to proton intercalation induced by the surface reaction of single crystal ReO3 with water. Furthermore, I report a facile synthesis of single crystalline ReO3 nanorods on various substrates such as carbon papers, few-walled carbon nanotubes (CNTs) and the other nanostructures via a simple APCVD method to reveal the properties and proper applications of ReO3. I describe the fundamental electrochemical behaviour of ReO3-CNTs 1-dimentional (1-D) hetero-nanostructures for the possible application as a supercapacitor. I also indicate the electrical response of ReO3 nanorods on SnO2 nanowires to hydrogen gas to suggest ReO3 nanostructures as a new candidate for hydrogen gas sensor. In addition, synthesis of aliphatic fluorinated epoxy acrylate was also introduced in this thesis. At high temperature, glycerol diglycidyl ether was mixed with acrylic acid and triethylamine as a catalyst to make aliphatic epoxy acrylate and fluorinated branch was added to the product. With the exposure to UV radiation, synthesized aliphatic fluorinated epoxy acrylate formed highly cross-linked polymer membrane on the surface of O2 microsensor. This fluorinated membrane has selectivity to O2 and therefore improves the sensitivity to O2.;본 연구의 목적은 금속성의 금속 산화물 단결정 나노선을 간단한 방법으로 합성하고 만들어진 나노구조물질이 촉매, 나노 크기의 장치, 축전기, 또는 기체 측정 전기 전극 등에 활용 가능함을 보이는 데에 있다. 이와 함께 산소 측정에 유리한 새로운 자외선 경화 유기물질의 합성방법에 대해서도 연구를 수행하였다. 첫 번째 장에서는 금속 산화물 중에서도 높은 전기 전도도를 갖는 특징을 가지고 있는 레늄옥사이드의 고결정성 나노선을 최초로 합성한 방법에 대해서 보고하였다. 레늄옥사이드 나노선은 상압화학기상증착 기법을 통하여 어떠한 촉매의 사용도 없이 실리콘옥사이드 기판 위에서 성장한다. 합성된 나노선의 형태와 구조적 특징은 주사 전자 현미경 (SEM), 에너지 분산형 분석기 (EDS), X선 회절 분석기 (XRD), 라만 스펙트럼 (Raman spectrum), 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하여 규명하였다. 투과 전자 현미경을 통해 분석한 결과에 따르면 레늄옥사이드 나노선의 중심은 완벽한 입방체 페로브스카이트 단결정 구조를 띠며, 표면에는 결정성이 없는 2 나노미터 정도의 비결정질 층을 가지고 있다. 아마도 이는 물과의 반응성이 높은 레늄옥사이드가 표면에서 공기 중의 물과 만나 수소 삽입이 이루어진 결과로 해석될 수 있다. 또한, 앞서 말한 상압화학기상증착기법을 통하여 단결정의 레늄옥사이드 나노막대를 탄소 종이, 탄소나노튜브, 다른 금속 산화물 나노물질을 다양한 기판 위에 합성하여 레늄옥사이드의 또 다른 특성과 그 응용방향을 연구하였다. 탄소 종이와 탄소나노튜브 위에 고밀도로 증착된 레늄옥사이드 나노구조물질의 전기화학적인 거동을 살펴봄으로써 레늄옥사이드가 증착된 탄소나노튜브의 경우 일반 탄소나노튜브보다 뛰어난 정전 용량을 가지고 있음을 밝혀내어 레늄옥사이드가 축전지로 쓰일 수 있는 가능성을 알아보았다. 레늄옥사이드 나노막대를 긴 틴옥사이드 나노선 위에 증착하여 제작한 전극으로 진행한 수소 기체 감응 실험에서는 레늄옥사이드가 기존의 틴옥사이드와 반대의 결과를 보여 수소 기체 센서의 또 다른 후보물질이 될 수 있음을 보였다. 두 번째 장에서는 자외선 경화 물질의 일종이며 여러 장점을 가진 에폭시아크릴레이트의 새로운 구조체를 합성하는 방법과 그 불소계 유도체의 응용방향에 대해 규명하였다. 고온에서 글리세롤다이글리시딜 에테르와 아크릴산을 반응시켜 지방족 에폭시아크릴레이트를 만들고, 적외선 분광 분석법 (FTIR)과 라만 스펙트럼 분석을 통해 생성물이 잘 생겼음을 확인하였다. 또한 합성한 에폭시 아크릴레이트에 불소가 많이 달린 탄화수소가지를 첨가하여 불소계 지방족 에폭시아크릴레이트를 성공적으로 얻어내었다. 합성된 불소계 지방족 에폭시아크릴레이트는 산소 미세 센서 위에서 자외선 경화를 통해 고분자 막을 형성하였고 이 불소 막은 산소에만 반응성을 갖고 있으며 산소 측정에 큰 도움을 주는 것을 확인하였다.