Electrochemical Applications for Electrocatalysts of One Dimensional Nanomaterials

Abstract

The main purpose of this dissertation research is development of one dimensional (1-D) metal/metal oxide nanostructures (nanowires, nanofibers or nanorods) by various processes in order to study their electrochemical properties and apply those electrocatalysts for fuel cell or biological sensing. My dissertation work is organized as follows: Chapter I describes the background information about all the topics related to this research. Chapter II describes the simple synthesis and characterization of 1-D silver halide nanowires (AgClNW and AgBrNW) as an electrocatalyst for oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline media. In Chapter III, iridium based electrospun nanocomposites are studied as a non-platinum catalyst for hydrogen evolution reaction (HER) in acidic media. Chapter IV describes the electrochemical activity of iridium oxide nanofibers prepared by electrospinning for the oxidations of biological species. Chapter V explores highly single-crystalline ruthenium dioxide nanoneedles grown on polycrystalline electrospun titanium dioxide nanofibers, an efficient electrocatalytic platform. Chapter VI describes that the high electrocatalytic activity of ruthenium dioxide nanowires grown on electrospun titanium dioxide nanofibers for the oxidation of L-ascorbic acid (AA); and the application of these materials for direct selective sensing of AA in complex samples. Finally, Chapter VII includes the application of single crystalline ruthenium dioxide nanorods grown on a single carbon fiber as a microsensing device for in vivo nitric oxide (NO) measurement.;본 학위논문은 1차원 구조의 금속 혹은 금속산화물 나노구조체(나노선, 나노섬유 또는 나노막대)를 다양한 기법을 사용하여 개발하고, 합성된 구조체의 전기화학적 특성 및 연료전지나 생물학적 측정을 위한 전기화학촉매로서의 응용가능성에 대한 연구를 다룬다. 본 논문은 7장으로 구성되어 있으며, 제 1장에서는 본 학위논문에 대한 이해를 돕기 위하여 1차원 나노구조체의 정의 및 합성방법, 그리고 전기화학촉매로 응용하는 분야에 대한 일반적 배경지식에 대하여 서술한다. 제 2장에서는 1차원 은 나노선을 합성하고 자발적교환반응을 이용하여 할로겐화은 나노선을 합성하였으며, 이를 염기성 조건에서 산소환원반응의 촉매로 응용하였다. 염화은 나노선 그리고 벌크 염화은 모두 산소환원반응에서 백금만큼 뛰어난 활성을 보임을 확인하였다. 그리고 이를 메커니즘적으로 이해하기 위해 SECM을 활용하여 산소환원반응의 과산화이온 중간체를 측정하고 DFT 계산화학기법으로 d-band center energy 및 흡착에너지를 계산하여 염화은 표면에 흡착된 물분자가 산소분자가 흡착을 안정화시킴을 입증하였다. 제 3장에서는 이리듐-산화이리듐 1차원 나노섬유를 전기방사기법을 통해 합성하고, 아닐링 온도에 따른 이리듐 금속과 산화이리듐을 비율을 조절하였으며 이를 산성용액에서의 수소발생반응의 촉매로 활용하였다. 전기화학기법을 이용한 측정을 통해 낮은 온도에서 아닐링한 이리듐 금속의 비율이 높은 이리듐-산화이리듐 나노섬유가 가장 뛰어난 활성을 보였으며, 낮은 Tafel slope과 안정성테스트를 통해 백금촉매만큼 수소발생반응 활성이 뛰어남을 입증하였다. 그리고 DFT 계산을 이용한 d-band center energy 계산을 통해서 이리듐 금속이 산화이리듐에 비해 수소발생반응 촉매로 활용가능함을 이론적으로 증명하였다. 제 4장에서는 전기방사기법으로 합성한 산화이리듐 나노섬유의 생체 내 물질을 측정할 수 있는 전기화학촉매로서의 응용가능성을 확인하였다. 여러 생체 내 물질 중 아스코르브산에 대해 가장 낮은 전위에서 산화가 일어나며 방해종에 대한 선택성을 보였으며, 이를 통해 합성된 산화이리듐 나노섬유를 아스코르브산 측정 바이오센서로 활용가능함을 입증하였다. 제 5장에서는 1차원 나노구조체인 산화티타늄 나노섬유 위에 결정화된 산화루테늄 나노니들을 성장시키고 이 구조체의 물리적인 특성, 전기화학적 특성을 규명하였다. 산화티타늄 나노섬유와 루테늄하이드록사이드-산화티타늄 나노섬유에 비해 산화루테늄 나노니들-산화티타늄 나노섬유 구조체가 과산화수소의 산화 및 환원에 대한 감응도가 뛰어남을 확인하고 과산화수소 측정 바이오센서로 응용될 수 있음을 확인하였다. 제 6장에서는 전기방사 및 화학기상증착법을 통해 결정화된 산화루테늄 나노막대를 산화티타늄 나노섬유위에 증착한 구조의 아스코르브산 측정을 위한 바이오센서 촉매로 적용하기 위한 전기화학적 실험을 하였다. 충분히 낮은 전위에서 높은 감응을 보이며, 방해종에 대한 선택성이 있음을 확인하고 전극촉매를 활용하여 아스코르브산을 합성할 수 있다고 알려진 쥐의 간 조직 표면에서 실시간으로 아스코르브산을 측정하여 합성한 촉매를 실질적으로 적용이 가능함을 입증하였다. 마지막으로 제 7장에서는 탄소섬유에 산화루테늄 나노선을 성장시키고 이를 일산화질소 측정에 응용하였다. 합성한 나노구조체는 일산화질소 감응에 순수 탄소섬유보다 40배 이상의 우수한 감도를 보였으며, 살아있는 쥐의 대뇌 피질에서 in-vivo 실험을 통해 바이오센서로 사용가능함을 보였다. 본 논문은 다양한 방법으로 합성된 1차원 나노구조체를 액상에서 그의 전기화학적 특성을 자세하게 조사하는 것을 목적으로 하였다. 이는 전기화학촉매에 대해 저렴한 합성방법과 신뢰할 수 있는 결과를 얻는 것을 목적으로 수행하였으며, 본 논문의 결과는 나노구조 전기화학 소재를 개발하는 데에 적용될 수 있으며 앞으로 더 깊이있게 연구될 것이다.