Facile and Cost-efficient Synthesis of Diverse Calcium-Precious Metal Oxide Nanofiber via Electrospinning for Selective and Sensitive Ascorbic Acid Detection Material

Abstract

In chapter 1, we introduce crystalline orthorhombic perovskite structure CaRuO3 nanofiber for detection material of L-ascorbic acid (commonly called Vitamin C, denoted as AA). To develop low-cost and sensitive detection material of AA, we mix ruthenium with other inexpensive metal, calcium. Also, the CaRuO3 nanofiber synthesized by electrospinning and annealing process to increase electrochemically active sites. The morphology of CaRuO3 nanofibers were characterized by Field Emission Scanning Microscope (FE-SEM) and Field Emission Transmission Electron Microscope (FE-TEM). The structure characterization of CaRuO3 nanofibers were identified by X-ray diffraction pattern (XRD) and X-ray Photoelectron Microscopy (XPS). Furthermore, Energy Dispersive Spectrometer (EDS) confirmed atom ratio of Ca:Ru. The electrocatalytic activities of CaRuO3 nanofibers for AA detection were measured via Linear Sweep Voltammetry (LSV) and amperometric response in 0.05M PBS containing 1mM AA. The CaRuO3 nanofiber showed the high sensitivity and selectivity as good AA sensing materials. In chapter 2, we synthesize tube-like morphology crystalline orthorhombic spinel structure CaRh2O4 nanofiber for the first time via electrospinning and simple heat treatment. Since now, the CaRh2O4 has been synthesized only in high pressure and high temperature atmosphere. However we suggest simple method for synthesis CaRh2O4 under the atmospheric pressure. The morphology and structure characterization of CaRh2O4 nanofibers were carefully identified through Field Emission Scanning Microscope (FE-SEM), Field Emission Transmission Electron Microscope (FE-TEM), Energy Dispersive Spectrometer (EDS), X-ray diffraction pattern (XRD) and X-ray Photoelectron Microscopy (XPS). Also, the electrocatalytic activities of CaRh2O4 nanofibers for AA detection were measured via Linear Sweep Voltammetry (LSV) and amperometric response in 0.05M PBS containing 1mM AA. The CaRh2O4 nanofiber showed the high sensitivity and selectivity as good AA sensing materials.;아스코르브산은 일반적으로 비타민 C라고 불리며 식품, 음료, 동물 사료, 의약품 및 미용 용도 등의 제품에 자연적으로 포함되거나 의도적으로 첨가되어 건강에 다양한 유익한 효과를 준다. 이러한 아스코르브산을 검출하기 위해 다양한 분석방법이 개발되어 사용되고 있는데 분광 광도 측정, 분광 형광 측정, 산화 환원 적정 측정, 전기화학 분석, 광학 또는 크로마토그래피 등이 여기에 속한다. 그 중에서도 전기화학 분석 방법은 간단하고 저렴하면서도 고감도와 분석이 빠르다는 등의 장점을 가지고 있어 연구가 활발히 진행 중이다. 본 논문에서는 다양한 사방정계(orthorhombic) 구조의 나노섬유형태를 갖는 금속 산화물을 합성하고 사방정계 구조의 구조적 이점과 섬유형태의 형상적 이점을 통해 고감도, 고선택성의 아스코르브산 검출 물질을 합성하고, 전기화학적 성능평가를 다룬다. 논문에서 다룬 무기 산화물은 간단한 전기방사법을 활용하여 전구체를 합성한 뒤 열처리를 통한 재결정방법으로 합성되었다. 1장의 내용은 사방정계(orthorhombic) 구조의 ABO3 화학식을 갖는 CaRuO3 나노섬유의 합성과 전기화학 촉매 성능평가에 관한 것이다. 루테늄은 우수한 전기화학 촉매 물질로 알려져 있으나 가격과 안정성 문제로 인해 상용화에 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 루테늄을 저렴하고 쉽게 찾을 수 있는 칼슘과 혼합한 금속 산화물을 합성하여 저비용의 촉매를 합성하였으며 CaRuO3의 구조적 이점과 형상적 이점을 통한 고성능의 전기화학 촉매에 대한 연구를 진행하였다. 전기방사법과 열처리 방법에 의해 합성된 CaRuO3 나노섬유의 형상분석은 주사전자현미경(FE-SEM)과 투과전자현미경(FE-TEM)으로 확인하였으며 섬유의 직경이 약 160nm임을 확인하였다. 또한 CaRuO3 나노섬유의 구조분석은 X-선 회절분석기(XRD)와 X-선 광전자 분광법(XPS)으로 확인되었다. 에너지 분산형 분석기(EDS)를 통해 Ca:Ru의 원자비를 확인하였다. 여러 생체 내 물질 중 아스코르브산이 가장 낮은 전위에서 빠르게 산화가 일어났으며 방해종에 대한 선택성을 보였고, 아스코르브산 농도 변화에 대하여 산화 전류가 변화되는 것을 확인하였다. 이를 통해 CaRuO3 나노섬유가 아스코르브산 측정 바이오센서로 활용 가능함을 입증하였다. 2장의 내용은 사방정계(orthorhombic) 구조의 AB2O4 화학식을 갖는 CaRh2O4 나노섬유의 합성과 전기화학 촉매 성능평가에 관한 것이다. 전기방사법과 열처리 방법에 의해 합성된 CaRh2O4 나노섬유의 형상분석은 주사전자현미경(FE-SEM)과 투과전자현미경(FE-TEM)으로 확인하다. 섬유의 직경이 약 140nm이였으며 600℃에서 합성한 CaRh2O4 나노섬유는 섬유 정중앙이 뚫려있는 튜브 형태의 구조를 가짐을 확인하였다. 또한 CaRh2O4 나노섬유의 구조분석은 X-선 회절분석기(XRD)와 X-선 광전자 분광법(XPS)으로 확인되었다. 에너지 분산형 분석기(EDS)를 통해 구성 원소의 원자비를 확인하였다. 여러 생체 내 물질 중 아스코르브산이 가장 낮은 전위에서 빠르게 산화가 일어났으며 방해종에 대한 선택성을 보였고, 아스코르브산 농도 변화에 대하여 산화 전류가 변화되는 것을 확인하였다. 이를 통해 CaRh2O4 나노섬유가 아스코르브산 측정 바이오센서로 활용 가능함을 입증하였다.