Synthesis of Highly Single Crystalline RuO₂ Nanorods on Carbon Nanofibers and Its Electrochemical Performances as Supercapacitor Electrodes

Abstract

A new hybrid nanostructure of highly single crystalline ruthenium dioxide (RuO₂) nanorods directly grown on electrospun carbon nanofibers (CNFs) is synthesized by facile precipitation and recrystallization methods. Recrystallization process via thermal treatment is performed under various temperature conditions from 180 ℃ to 220 ℃ to 300 ℃. Structural characteristics of prepared 1- dimensional (1-D) hetero-nanostructures were investigated to explore the degree of crystallization of RuO₂, the specific surface area and the porous textures, and so on. Despite the small amount of Ru loaded on CNF, the RuO₂-CNF composites show better capacitance capability than CNFs as supercapacitor electrodes in a 6 M KOH aqueous electrolyte. Furthermore, the RuO₂-CNF annealed at 220 ℃ shows optimal electrochemical performances among various RuO₂-CNF composites, in terms of good capacitance capability of 188 Fg-1 at a current density of 1 mAcm-2 and the high energy density of 22-15 Whkg-1 in the power density range of 400 to 4,000 Wkg-1. It also maintains approximately 93% of the initial capacitances over 3,000 cycles at a discharge current density of 1 mAcm-2. Its high capacity, rate capability, and long cycling life are mainly attributed to the large surface area with many mesopores and more electrochemically active functional sites of RuO₂ nanorods with the appropriate degree of crystallinity.;본 연구에서는 전기방사법을 통해 합성한 탄소나노섬유 위에 산∙염기 반응을 이용한 침전 과정과 열처리를 이용한 재결정 과정을 통해 단일 결정체의 루테늄 다이옥사이드 나노로드를 성장시킨 소재를 합성하고, 이를 슈퍼 커패시터 전극으로 활용하였다. 이 때 재결정 과정의 열처리 온도 조건을 180도, 220도, 300도로 설정하여 온도 변화에 따른 물리적 특성과 전기화학적 성능을 비교하여 관찰하였다. 먼저, 합성한 루테늄 다이옥사이드-탄소나노섬유 혼합물을 주사 전자 현미경 (SEM), 투과 전자 현미경 (TEM), 에너지 분산형 분석기 (EDX), 광전자 분광 (XPS), X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광, 접촉각, BET 측정을 통해 물리적 특성을 분석하였다. 또한 6.0 M KOH 수용성 전해액에서 슈퍼 커패시터 전극으로 활용하였을 때의 전기화학적 성능을 평가하였다. 그 결과, 1차원 헤테로 나노구조를 가지는 루테늄 다이옥사이드-탄소나노섬유 혼합물은 기존의 탄소나노섬유 보다 더 큰 정전용량을 나타내어 전기 이중층 커패시터와 슈도 커패시터 간의 시너지 효과를 확인하였다. 특히 220도에서 열처리한 루테늄 다이옥사이드-탄소나노섬유 혼합 소재가 1mAcm-2의 전류 밀도에서 188Fg-1의 비정전용량과 400-4000Wkg-1의 출력밀도 범위에서 22-15Whkg-1의 에너지 밀도, 3000 사이클 이상의 긴 수명을 가지는 것을 확인하였다. 이를 통해 혼합 소재의 무정형/결정성 루테늄 다이옥사이드와 높은 비표면적, 메소 세공 비율 간 최적의 균형 조건을 규명하였다.