Synthesis and Characterization of Layered Double Hydroxide-based Nanocomposites with Excellent Electrode Performance

Abstract

In chapter I, mesoporous hybrid network of reduced raphene oxide (rG-O) and layered MnO2 nanosheets could act as an efficient immobilization matrix for improving the electrochemical activity of layered double hydroxide (LDH). The control of MnO2/rG-O ratio is crucial in optimizing the porous structure and electrical conductivity of the resulting hybrid structure. The immobilization of Co-Al-LDH on hybrid MnO2/rG-O network is more effective in enhancing its electrode activity compared with that of on pure rG-O network. The Co-Al-LDH-rG-O-MnO2 nanohybrid delivered a greater specific capacitance than does MnO2-free Co-Al-LDH-rG-O nanohybrid. The beneficial effect of MnO2 incorporation on the electrode performance of nanohybrid is more prominent for higher current density and faster scan rate, underscoring the significant enhancement of the electron transport of Co-Al-LDH-rG-O. This is supported by electrochemical impedance spectroscopy. The present study clearly demonstrates the usefulness of the porously-assembled hybrid network of graphene and metal oxide nanosheets as an effective platform for exploring efficient LDH-based functional materials. In chapter II, one-pot synthetic route to carbon-coated mixed metal oxide nanocomposites with efficient electrode performance is developed by low temperature heat-treatment of LDH precursor in C2H2 atmosphere. The poorly-crystalline C-NiO-NiFe2O4 nanocomposite can be obtained by heating Ni-Fe-LDH at a low temperature of 300℃ in a very short period of 5 min under C2H2 flow. Conversely, a much longer heating time of >3 h is necessary to obtain mixed metal oxide nanocomposite with similar crystallinity via the heat-treatment at 300℃without C2H2, highlighting the effectiveness of acetylene in promoting the phase transition from LDH to mixed metal oxide nanocomposite. The formation of mixed metal oxide nanocomposites is confirmed by powder XRD, TEM, and micro-Raman analyses. The obtained C-NiO-NiFe2O4 nanocomposite show much better anode performance for lithium ion batteries with greater discharge capacity and better cyclability than do the well-crystalline NiO-NiFe2O4 nanocomposite prepared at higher temperature, underscoring the beneficial effects of low crystallinity and carbon coating on the electrode activity of metal oxide nanocomposite. The superior electrode activity of the present poorly-crystalline nanocomposite with carbon coating can be interpreted as results of the expansion of surface area, the increase of electrical conductivity, the improvement of structural and electrochemical stability, and the enhancement of charge-transfer. The present study clearly demonstrates that the present method with C2H2 gas provides a convenient, economic, and scalable synthetic way to carbon coated mixed-metal oxide nanocomposites applicable as efficient electrode materials for lithium ion batteries.;제 1장에서는, 층상 이중층 수산화물의 전기화학적 활성을 개선하기 위하여, 그래핀과 층상 망간 산화물 나노 시트를 혼성화한 다공성 네트워크를 지지체로 사용하였다. 혼성화 구조체에서 망간 산화물과 그래핀의 비율이 적절한 다공성 구조를 가지게 하는 데 중요한 역할을 하엿다. 순수한 그래핀 네트워크와 비교하여 망간산화물/그래핀 네트워크가 Co-Al-층상 이중층 수산화물을 고정하는 데 효과적이었다. 망간 산화물이 없는 Co-Al-층상 이중 수산화물-그래핀 나노 혼성체 보다 Co-Al-층상 이중 수산화물-망간 산화물-그래핀 나노 하이브리드가 더 큰 비정전용량을 가졌다. 망간 산화물과 혼성화하여 얻어지는 전극 활성에의 효과는 높은 전류 밀도와 빠른 충방전 속도에서 Co-Al-층상 이중층 수산화물-그래핀 혼성체에서의 전자 이동을 향상시킴으로써 더욱 현저하게 나타났다. 전기화학 임피던스 분광학으로 층상 이중층 수산화물을 기본으로 하는 물질에서 망간 산화물 나노 시트와 그래핀의 다공적으로 결합된 혼성화 네트워크의 유용함을 확인하였다. 제 2장에서는, 효과적인 전극 활성을 나타내는 카본 코팅된 혼합 금속 산화물 나노 혼성체를 합성하기 위한 원 포트 합성 방법은 아세틸렌 분위기 하에 낮은 온도에서 층상 이중 수산화물의 열처리로 개발된다. Ni-Fe-층상 이중 수산화물을 아세틸렌의 흐름 하에 5분의 짧은 시간 동안 300 ℃의 낮은 온도에서 열처리 함으로써 낮은 결정성의 C-NiO-NiFe2O4 나노 혼성체를 얻을 수 있다. 반대로, 아세틸렌 가스가 없는 조건에서 300 ℃의 열처리를 통해 비슷한 결정성의 혼합 금속 산화물 나노 혼성체를 얻기 위해서는 3시간 이상의 훨씬 긴 열처리 시간이 필요한데, 이는 아세틸렌 가스가 층상 이중 수산화물을 혼합 금속 산화물 나노 혼성체로 상전이 시키는데 효과적이라는 것을 보여준다. 혼합 금속 산화물 나노 혼성체의 형성은 분말 X선 회절, 전자 주사 현미경, 그리고 마이크로-라만 분석을 통해 확인된다. 얻어진 C-NiO-NiFe2O4 나노 혼성체는 높은 온도에서 합성 된 높은 결정성의 NiO-NiFe2O4 나노 혼성체보다 증가된 방전 용량과 향상된 사이클 안정성의 더 나은 리튬 이온 배터리 전극 활성을 보이는데, 이는 낮은 결정성과 카본 코팅이 금속 산화물 나노 혼성체의 전극 활성에 끼치는 유익한 효과를 보여준다. 이 낮은 결정성의 카본 코팅 된 나노 혼성체의 우수한 전극 활성은 비표면적의 팽창, 전기전도도의 증가, 구조 및 전기화학적 안정성의 향상, 그리고 전하 이동의 향상의 결과로 해석될 수 있다. 본 연구는 아세틸렌 가스를 이용한 제시된 방법이 리튬 이온 배터리의 효과적인 전극에 응용 가능한 카본 코팅된 혼합 금속 산화물 나노 혼성체를 합성하는데 편리하고, 경제적이라는 것을 분명하게 보여준다.