Study of the Relation between Electrochemical and Physical Characteristics of Various Electrode Materials

Abstract

This study aims to find the relation between physical properties and electrochemical characteristics of electrode materials for various electrochemical reactions through fundamental study. Electrochemical (cyclic voltammetry, chronoamperometry, chronopotentiometry, etc) and physical (scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, etc) techniques and analysis, scanning electrochemical microscopy (SECM) and density functional theory (DFT) were utilized for fundamental explanation. Using these techniques and analysis, the effect of a certain material’s physical properties on the electrochemical characteristics; and/or the effect of electrochemical application of a material on the physical characteristics were investigated in depth. Part II is the study about enhanced electrochemical activities of electrocatalysts by varying their physical properties. To be efficient electrocatalysts, the materials should have superior electrochemical activities, i.e., low overpotential, high current density, stability and durability. In Chapter II.A., a sluggish oxygen reduction reaction (ORR) on highly porous hollow palladium is investigated using electrochemical and physical techniques. The relation between EASA changes and ORR activities depending on the completeness of highly porous hollow structure is mainly described. In Chapter II.B., hydrogen evolution reaction (HER) on iridium and ruthenium mixed oxide (IrxRu1-xOy) depending on the composition of Ir/IrO2 and RuO2 is investigated using electrochemical and physical techniques and DFT. A fundamental relation between hydrogen adsorption energy and HER activities depending on composition is described using DFT data. Part III is the study about diverse electrochemical activities on nanoporous structures depending on their pore sizes showing a strategy to improve the activities. In Chapter III.A., ORR on nanoporous platinum (npPt) depending on pore sizes is investigated using electrochemical and physical techniques and SECM. Using SECM, ORR activities on a planar Pt and three different npPt with nanometer-to-micrometer scaled pores are analyzed by dividing into kinetic-controlled and diffusion-controlled regimes. In Chapter III.B., the effect of pore sizes of npPt on activities of various electrochemical reactions is investigated using electrochemical and physical techniques. Activity comparison of five different electrochemical reactions from fast to sluggish reaction rates on a planar Pt and two different npPt structures is performed mainly using amperometric curves measured in kinetic-controlled and diffusion-controlled regimes. Part IV is about the effect of electrochemical application of a dielectric material on its physical characteristics. Microscopic changes of electrochemical and physical properties of SiO2 in aqueous solution before and after faradaic current flow are investigated fundamentally using electrochemical and physical techniques and SECM. The physical change and following electrochemical characteristics of SiO2 after the whole process of DB and post-breakdown as well as kinetics of DB under electrochemical condition using Weibull analysis are described in detail.;여러 분야에서 전기화학장비에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 전기화학장비는 전극에서 일어나는 전기화학반응(산화·환원 반응)으로 구동되기 때문에 장비의 성능은 해당 반응의 효율성, 즉 전기화학반응 속도에 의해 결정된다. 특히 전자 전달 속도는 전극 물질의 물리적 성질에 크게 의존한다. 따라서 본 연구는 일반적인 전기화학적 기술 (cyclic voltammetry, chronoamperometry, chronopotentiometry 등)과 물리적 기술 (scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction 등)뿐만 아니라 scanning electrochemical microscopy (SECM), density functional theory (DFT)를 이용하여 전극 물질의 물리적 특성과 다양한 전기화학반응 간의 연관성에 대해 기술하였다. 본 논문은 4장으로 구성되어있으며, 제 1장에서는 본 연구의 이해를 돕기 위하여 전기화학 반응 및 속도, 물리적 특성이 다른 다양한 전극 물질에서의 전기화학반응에 대한 배경지식에 대하여 서술한다. 제 2장에서는 구조나 조성을 달리한 전극 물질을 합성하고 전기화학적 촉매로서의 활성을 연구하였다. 제 2-A절에서는 갈바닉 치환 반응을 이용하여 다공성 구형 팔라듐을 합성하고, 전기화학적 산소환원반응에 대한 활성을 조사하였다. 상기 기술한 일반적인 전기화학적 기술 및 물리적 기술을 이용하여 분석한 해당 촉매의 전극 면적과 산소환원 활성 간의 관계를 중심으로 서술하였다. 제 2-B절에서는 조성이 다른 이리듐-루테늄 산화물 합성물을 전기방사방법으로 합성하고, 전기화학적 수소발생반응에 대한 활성을 조사하였다. 상기 기술한 전기화학적 기술, 물리적 기술 및 DFT를 이용하여 촉매 표면의 특성과 수소발생 활성에 대한 연관성을 원자 수준에서 분석하였다. 제 3장에서는 나노포러스한 백금의 기공 크기에 따른 전기화학반응의 활성에 대해 연구하였다. 제 3-A절에서는 기공 크기에 따른 산소환원 반응을 상기 기술한 전기화학적 기술, 물리적 기술, 그리고 SECM을 이용하여 조사하였다. 나노 단위에서 마이크로 단위까지의 세 가지 다른 기공 크기를 갖는 나노포러스한 백금 구조를 전기화학적 증착 방법을 이용하여 만들고, 그에 따른 산소 환원 활성은 반응속도론적 지배를 받는 구간과 확산에 의해 지배를 받는 구간으로 나누어 평평한 백금 전극과 비교하여 서술하였다. 제 3-B절에서는 기공 크기가 전극 반응 속도가 다른 5가지 전기화학반응에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 두 가지 다른 기공 크기를 갖는 나노포러스한 백금 구조를 앞서 3-A절에서 서술한 방법으로 만들고, 상기 기술한 전기화학적 기술 중 주로 amperometric curves를 이용하여 5가지의 전기화학반응을 반응속도론적 지배를 받는 구간과 확산에 의해 지배를 받는 구간으로 나누어 평평한 백금 전극과 비교하여 서술하였다. 제 4장에서는 유전체의 전기화학적 활용 및 그에 따른 물리적 특성 변화에 대해 연구하였다. 전기화학적 환경에서 유전체에 전류가 흐르기 전과 후의 미세한 전기화학적 및 물리적 특성 변화를 상기 기술한 전기화학적/물리적 기술 및 SECM을 이용하여 조사하였다. 와이블 분석(Weibull analysis)을 이용하여 전기화학적 환경에서 유전 파괴 (dielectric breakdown) 현상의 동력학에 대해 분석하고, 실리콘 산화물이 전도성을 얻는 과정에서 일어나는 물리적 변화와 그에 따라 나타나는 전기화학적 특성에 대해 중점으로 서술하였다.