Synthesis of NiO/NiCo_(2)O_(4) Nanotubes and RuO_(2) Nanorods on WO_(3) Nanofibers and Studies of Their Electrochemical Properties

Abstract

Electrospinning has two advantages: one is preparation of one-dimensional (1D) nanostructures on a simple way and the other is diversification of their composition and materials. In this thesis, the electrochemical properties of 1D nanostructures, synthesized by electrospinning and various post-treatment processes, were studied. In chapter 1, electrospun NiO/NiCo_(2)O_(4) nanotubes were investigated as a catalyst of fuel cell cathode. In chapter 2, RuO_(2) nanorods grown on electrospun WO_(3) nanofibers were synthesized and examined for the electrocatalytic activities with various electrochemical experiments. In chapter 1, NiO/NiCo_(2)O_(4) nanotubes were synthesized using Ni and Co precursor by electrospinning and calcination. For the comparison, Co_(3)O_(4) and NiO nanotubes were also synthesized. To confirm tube-shape and compositions of synthesized materials, field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used. The rotating disk electrode (RDE) experiments were carried out for oxygen reduction reaction (ORR) of the prepared materials in 0.1 M KOH solution. As a result, NiO/NiCo_(2)O_(4) nanotubes showed enhanced electrocatalytic activities for ORR than other synthesized nanotubes, even better than bare Pt electrode. Moreover, it also didn't respond to methanol, which degrades the efficiency of the fuel cell, confirming the possibility as a catalyst of direct methanol fuel cell (DMFCs). In chapter 2, first, WO_(3) nanofibers were synthesized by electrospinning and thermal sintering. Meantime, Ru(OH)_(3) precursor solutions were made by increasing pH of RuCl_(3) precursor solution with alkaline solution. Then, RuO_(2) nanorods were grown on WO_(3) nanofibers (RuO_(2) nanorods-WO_(3) nanofibers) through mixed Ru(OH)_(3) solution and WO_(3) nanofibers, followed by thermal annealing. It was confirmed that RuO_(2) nanorods were grown well on surface of WO_(3) nanofibers by FE-SEM. Composition of RuO_(2)/WO_(3) nanostructure was also identified by XRD and XPS. Through electrochemical measurements, RuO_(2) nanorods-WO_(3) nanofibers represented better electrochemical properties than pure WO_(3) nanofibers. Consequently, RuO_(2) nanorods-WO_(3) nanofibers demonstrated the 103-fold higher specific capacitance and more effective activity for hydrogen evolution than WO3 nanofibers. Furthermore, RuO_(2) nanorods-WO_(3) nanofibers showed good sensitivities for AA oxidation and H_(2)O_(2) reduction, as a possible biosensor.;전기방사는 1차원 나노구조를 간단하게 대량 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 그 구성과 물질을 다양하게 할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 전기방사법과 다양한 후처리 과정으로 합성한 1차원 나노구조들의 전기화학적 촉매 활성에 대해 연구하였다. 제 1장에서는 NiO/NiCo_(2)O_(4) nanotubes를 연료전지의 환원전극 촉매로서 응용하는 연구를 하였다. 제 2장에서는 RuO_(2)를 전기방사로 합성한 WO_(3) nanofibers 위에 자라게 하여, 다양한 전기화학적 반응에 대한 활성을 살펴 보았다. 제 1장은 니켈과 코발트를 이용해 전기방사법과 열처리를 통해 NiO/NiCo_(2)O_(4) nanotubes 물질을 합성하였다. 또한 비교군으로 NiO, Co_(3)O_(4) nanotubes도 합성하였다. 전자주사현미경(SEM), 에너지-분산 X-선 분광법(EDS), 투과전자현미경(TEM), X선 회절 분광법(XRD), X선 광전자 분광법 (XPS)등을 이용하여 합성한 물질들이 튜브형태를 지닌다는 것과 그 구성성분을 확인하였다. 회전원판전극(RDE) 실험을 통해 합성한 물질들의 0.1 M KOH 용액에서 산소환원반응(ORR)에 대한 촉매 활성을 연구하였다. 그 결과, 니켈, 코발트 각각으로 이뤄진 물질 보다 활성이 향상 되었고, 백금 전극보다도 효율이 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 연료전지의 효율을 떨어트리는 메탄올에도 감응하지 않아, 직접 메탄올 연료전지의 촉매로서의 가능성도 확인하였다. 제 2장에서는 우선 전기방사와 열처리 과정으로 WO_(3) nanofibers를 합성하였다. 또한 RuCl_(3) 전구체 수용액에 pH를 올려주면서 염기성 상태에서 Ru(OH)_(3) 전구체 용액을 만들었다. 이 후, WO_(3) nanofiber에 Ru(OH)_(3) 용액을 떨어트린 후 열처리를 통해 RuO_(2) nanorods가 WO_(3) nanofiber에 자라난 형태의 나노물질(RuO_(2) nanorods-WO_(3) nanofibers)을 합성하였다. 전자주사현미경(SEM)으로 WO_(3) nanofiber에 RuO_(2)가 잘 자라난 것을 확인했고, X선 회절 분광법(XRD), X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 구성성분을 확인했다. 전기화학 실험을 통해, RuO_(2) nanorods-WO_(3) nanofibers가 순수한 WO_(3) 보다 전기화학적 활성이 증가한 것을 알 수 있었다. 그 결과, WO_(3) 보다 충전용량이 103배 증가했고, 수소생성반응(HER)에 대한 활성이 증가하였다. 또한 아스코브르산(AA) 산화, 과산화수소(H_(2)O_(2)) 환원에 좋은 감응을 나타내, 생체 센서로서의 응용 가능성을 보여주었다.