Electrochemical CO2 Reduction for LaOCl and Effect of Surface Wettability for OER and HER in Pt catalyst

Abstract

In this paper, diverse catalytic materials for the electrochemical CO2 reduction reaction (eCO2RR) were studied, and the performances for the hydrophobicity via structure control were investigated. Chapter Ⅰ showed the fabrication and enhancement of CO2RR for LaOCl electrode. Chapter Ⅱ deals with the hydrophobicity effects for oxygen (OER) and hydrogen (HER) evolution reaction with specific tendencies by controlling the morphology of an electrode surface. In chapter Ⅰ, the lanthanum oxide chloride (LaOCl) nanofiber was synthesized using electrospinning. The existing research direction of LaOCl is roughly divided into two groups, one is the display applications using their luminescent properties and the other is CO or CO2 sensor in the gas phase. In contrast to the previous research direction of LaOCl, toward the gas sensor, the electrocatalytic properties of LaOCl have been investigated at glassy carbon electrode with voltammetry. Morphology of prepared LaOCl nanofibers was investigated by field emission scanning electron microscopy (FT-SEM) depending on the calcination temperature of 400 ℃, 450 ℃, 500 ℃, and 600 ℃. Also, as a result of various calcination temperatures, the diverse crystallinity of LaOCl is examined by X-ray diffraction (XRD). These mean diameters for LaOCl nanofibers in each sample varied from 100 - 400 nm. The results of the electrochemical study show that our catalyst is effective in the separation between CO2 reduction (CO2RR) and hydrogen evolution reaction (HER) for the LaOCl electrocatalyst calcined at 500 ℃, and was expected to make the formate products after the CO2RR using RRDE experiment. However, even though the 500 ℃ calcined LaOCl catalyst has the best CO2RR separation ability from HER, there have been some improvements of low stability for CO2RR due to the low crystallinity, single metals, and morphologic properties. In chapter Ⅱ, the effects for oxygen and hydrogen evolution reaction made up of Pt electrodeposited electrode with different hydrophobicity depending on surface morphology were investigated. The Pt morphologies on bare GC disc were compounded by electrodeposition from the 5 mM HPtCl4 electrolyte with a deposition charge of 0.3 C. The diverse structures for Pt deposited electrode were gained by altering the surfactant amounts from 0 mL to 1mL. The round shape morphologies were investigated at the Pt structure depending on the increasing surfactant amounts. The sharpest nanostructure was constructed with the largest amounts of surfactants and showed the greatest hydrophobicity and the different effectiveness for OER and HER since the pointed shape Pt electrodes have more hydrophobic properties and the mechanism about OER and HER is different. The higher activities to OER favored the more hydrophilic natures at the Pt surface, whereas the hydrophobic natures to HER favored the hydrophobic property. ;본 학위논문에서는, 전기화학적 이산화탄소 환원 반응을 위한 다양한 촉매 물질을 연구하고 구조적 제어를 통한 소수성 특성에 대하여 조사하였다. 제 1장에서는 옥시염화란탄(LaOCl) 전극에 대한 전기화학적 이산화탄소 황원 반응의 제작과 향상된 능력을 보여주었다. 제 2장에서는 전극 표면의 형태를 조절하여 특정 경향에 따른 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)에 대한 소수성 표면이 갖는 효과를 다룬다. 제 1장에서는 전기 방사를 이용하여 염화 란탄 산화물(LaOCl) 나노 섬유를 합성하였다. 염화 란탄 산화물의 기존 연구 방향은 크게 두 가지로 나누어 지게 되는데, 하나는 발광 특성을 이용하는 디스플레이 애플리케이션이며 다른 하나는 기체 상태의 일산화탄소나 이산화탄소 센서 연구로 나누어 지게 된다. 염화 란탄 산화물의 전기 촉매 특성은 전압 전류법을 사용하여 유리질 탄소 전극 위에서 조사가 되었다. 염화 란탄 산화 나노 섬유의 형태는 400도, 450도, 500, 그리고 600도의 온도에 따라 화학 증착 기법(CVD)를 통해 제작 되었으며 주사 전자 현미경(FE-SEM)으로 구조를 관찰하였다. 또한 화학 증착 기법을 이용하여 다양한 온도에서 생성되어진 염화 란탄 산화물은 X선 회절(XRD)를 통해 물질의 다양한 결정도를 조사하였다. 각 샘플에서 염화 란탄 산화물의 나노 섬유 평균 직경은 100에서 400 nm로 다양했다. 전기 화학적 연구 결과에서 500도에서 생성된 연화 란탄 산화물은 이산화 탄소 환원 반응과 수소 발생 반응을 분리하는 데 있어서 탁월한 촉매 효과가 나타났다. 회전 링 디스크 전극(RRDE)를 이용하여 이산화탄소 환원 반응 후 생성물이 포름산이 나오는 것으로 예측되었다. 그러나 500도 샘플이 이산화탄소와 수소 발생 반응을 분리하는 데 탁월하다는 장점이 있지만 낮은 결정도, 단일 금속으로 이루어져 있다는 점, 그리고 안정하지 않는 물질의 구조적 형태로 인하여 이산화탄소 환원 반응에서 안정성을 향상시켜야 할 필요가 있다. 제 2장에서는 전기 증착을 이용하여 표면 형태에 따라 소수성이 다른 백금(Pt) 전극을 이용하여 산소와 수소 발생 반응에 대한 효과를 조사하였다. 유리상 탄소 전극(GC electrode) 위에 된 백금 전극은 5 mM의 염화백금칼륨 넣은 전해질로부터 0.3 C까지 전기 증착으로 합성되었다. 다양한 구조를 가진 전기 증착 된 백금 전극은 계면활성제 양을 0 mL에서 1 mL까지 조절하며 만들었다. 증가하는 계면활성제의 양에 따라 백금 전극 구조에서는 둥근 형태의 표면이 조사되었다. 가장 뾰족한 나노 구조를 가진 백금 전극은 기존 다른 둥근 전극보다 더 큰 소수성 특성을 가지고 있으며 산소 및 수소 발생 반응에 대한 메커니즘이 다르기 때문에 서로 다른 효과를 나타냈다. 산소 발생 반응에서는 더 높은 촉매 활성을 위해서 친수성 특성을 가진 편평하고 둥근 백금 전극을 선호하였던 반면 수소 발생 반응에서는 소수성 특성을 가진 끝이 뾰족한 형태의 백금 전극을 선호하였다.