Growth and characterization of highly single crystalline nanostructures by vapor phase transport

Abstract

The purpose of this paper is to give information concerning synthesis of one-dimensional highly single crystalline mixed metal oxide nanostructures and to find out structural and electrochemical characteristics of them. First, we described single crystalline Ruthenium-Vanadium mixed metal oxide (Ru1-xVxO2, 0 ≤ x ≤ 1) nanowires. Ru1-xVxO2 mixed metal oxide nanowires were prepared on a SiO2 substrate and a commercial Au microelectrode for the first time through a vapor-phase transport process by adjusting the ratios of RuO2 and VO2 precursors. Single crystalline Ru1-xVxO2 nanowires show a homogeneous solid-solution characteristic as well as a distinct feature of having remarkably narrow dimensional distributions. Ru1-xVxO2 nanowires on a commercial Au microelectrode have favorable charge-transfer kinetics of [Fe(CN)6]3-/4- and [Ru(NH3)6]3+/2+ couples compared to that of a bare Au microelectode. So, it might be useful electrode for biofuel cells and biosensors. Also, highly crystalline Iridium-Vanadium mixed metal oxide (IrxV1-xO2, 0 ≤ x ≤ 1) nanowires were synthesized on Si wafer through same process as stated above with pure IrO2 and VO2 precursors. We’re trying to figure out electrochemical properties of single crystalline IrxV1-xO2 nanowires using IrxV1-xO2 mixed metal oxide nanowires on a commercial Au microwire. Additionally, for the first time, we reported a synthesis of the 1-dimensinal ternary mixed metal oxide nanowires (Ir1-x-yRuxVyO2) through a simple vapor phase transport process by cautiously controlling the relative ratios of IrO2, RuO2 and VO2 precursors, which are the tetragonal rutile crystal structure with similar lattice parameters. This work could provide inspiration for synthesis of ternary or quaternary metal oxide systems. We confirmed that various composition of Ir1-x-yRuxVyO2 nanowires were readily modulated by randomly incorporating Ir4+, Ru4+, and V4+ metal ions into the tetragonal lattice unit because of their similar ionic sizes from STEM elementary mapping analysis as well as X-ray diffraction spectrums. Ultimately, we synthesized three kinds of mixed metal oxide nanowires (Ru1-xVxO2, IrxV1-xO2 and Ir1-x-yRuxVyO2) using IrO2, RuO2 and VO2 powder precursors via a simple vapor phase transport process and then figured out structural properties for each of mixed metal oxide nanowires. Through various analysis (XRD, HRTEM, XPS etc.), we confirmed that Ru1-xVxO2, IrxV1-xO2 and Ir1-x-yRuxVyO2 mixed metal oxide nanowires have highly efficient single crystalline structures and distinct homogeneous solid-solution features. And, these materials are applicable to electrode for oxygen-reduction reaction (ORR), hydrogen-evolution reaction (HER) and oxygen-evolution reaction (OER).;이 논문에서는 1차원의 높은 단일 결정을 갖는 나노 크기의 혼합 금속산화물을 합성해서 그 물질들의 구조를 분석하고 전극으로서의 활용 가능성을 보고자 하였다. 첫 번째 장에서는 다양한 조성을 가진 단일 결정의 루테늄-바나듐 혼합 금속 산화물 나노선을 소개하고 있다. 루테늄-바나듐 혼합 금속 산화물 나노선은 상압에서 화학 증착법으로 실리콘옥사이드 기판과 금 마이크로 전극 위에 균일한 크기로 합성되었다. 다양한 조성을 얻기 위해서 전구체로 사용하는 루테늄옥사이드(IV)와 바나듐옥사이드(IV)의 비율을 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 상업적으로 이용되는 금 마이크로 전극 위에 루테늄-바나듐 나노선을 올려 전기화학실험을 해본 결과, 아무것도 올리지 않은 금 마이크로 전극보다 전자전달반응이 빠른 것을 확인 할 수 있었다. 이로부터 루테늄-바나듐 나노선이 연료전지나 바이오센서를 위한 전극물질로 사용 될 수 있을 것이라고 본다. 두 번째 장에서는 높은 결정성을 가진 다양한 조성의 이리듐-바나듐 혼합 금속 산화물 나노선을 상압에서 화학 증착법을 통해 실리콘 기판과 상업적으로 사용되는 금 마이크로 전극 위에 합성하였다. 첫 번째 장에서와 같이 전구체로 사용하는 이리듐옥사이드(IV)와 바나듐옥사이드(IV)의 비율을 변화시켜가며 실험하였다. 금 마이크로 전극 위에 이리듐-바나듐 나노선을 올린 전극을 이용해 단일 결정을 가진 이리듐-바나듐 나노선의 전기화학적 특성을 알아내는 실험은 진행 중에 있다. 마지막 장에서는 첫 번째 장과 두 번째 장에서 사용한 모든 전구체를 사용해, 간단한 화학 증착법을 통해 세개의 금속 원소로 이루어지는 일차원 구조의 이리듐-루테늄-바나듐 혼합 금속 산화물 나노선을 합성하였다. 이 실험은 세가지 이상의 금속 산화물 체계에 커다란 동기부여가 될 것이다. 결과적으로 우리는 간단한 화학 증착법을 통해 세가지 종류의 혼합 금속 산화물 나노선을 합성하였고 다양한 분석방법을 통해 각 혼합 금속 산화물 나노선의 구조적인 특성을 알아내었다. 세가지 종류의 혼합 금속 산화물 나노선들은 모두 높은 결정성을 갖는 일차원 구조이고 각 금속 이온들이 나노선 전체에 고르게 퍼져있는 것을 알 수 있었다.