Synthesis of Alkali Earth Metal Vanadate Nanowires (M=Ca, Sr) and Temperature Dependence of Dissociation Constants proved by the Spectrophotometric Method

Abstract

In chapter I, vanadium-based alkali earth metal oxide nanowires were synthesized by facile method, acid-base reaction and thermal annealing. Various metal vanadate nanostructures are fabricated by controlling the pH of the precursor solution. The morphology and crystal structure of grown nanowires are characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction spectroscopy (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray (EDX) and Raman spectroscopy. It was observed that nanowires with well-defined structure are uniformly grown on Si substrate wafer at specific temperature. Nanowires composed of two calcium vanadium oxides with vanadium oxide and strontium vanadium oxide with vanadium oxide were identified by XRD. Furthermore, to confirm the properties of electric conductivity, the calcium vanadate nanowires were fabricated to electrical devices and measured for I-V characteristic using two probes. In chapter 2, the temperature dependence of the dissociation constants for phenol red and PIPES were determined in aqueous solutions at different temperature using spectrophotometric methods. The optical indicator phenol red was utilized to obtain the pH of a buffer solution by deconvoluting the absorption spectra of phenol red at a variety range of temperature. The results values of second dissociation constant for PIPES were adjusted to function of temperature based on assumption that heat capacity is a non-zero constant. The result formula of PIPES was written as pK_(2a^' )= - 18.9977 + 1576.426 /T + 3.63852 ln(T) where T is the absolute temperature. Moreover, the thermodynamic functions of PIPES are obtained from dissociation constant and compared with the values drawn by using different measurements. The isocoulombic reactions for phenol red and PIPES were employed to make a prediction for the temperature dependence of dissociation constant by the speculation of -logKOH values at higher temperature.;본 연구는 크게 바나듐 기반의 알칼리토금속 산화물 나노물질 합성과 분석 및 활용가능성을 연구한 내용과 광학적 지표를 사용한 분광광도법 방법을 이용하여 물질의 해리상수의 온도의존성을 확인하는 내용으로 구성되어 있다. 첫 번째 장에서는 다양한 산화상태를 가지며 기둥구조로 인한 구조적 안정성을 지닌 바나듐의 특성을 기반으로 한 1차원 바나듐 기반의 알칼리 토금속 산화물 나노선을 산-염기 반응과 열처리라는 간단한 방법으로 합성하는 것을 보였다. 이렇게 합성한 칼슘 바나듐 산화물과 스트론튬 바나듐 산화물 나노선을 주사 전자 현미경 (SEM), 에너지 분산형 분석기 (EDX), X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광, 광전자 분광 (XPS), 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하여 분석하였다. 이렇게 합성한 바나듐 산화물은 기둥구조로 구조적 안정성을 지니고 금속이온의 이동이 원활하게 하여 뛰어난 전기적 특성을 지닌다. 또한 금속이온이 반도체 소자에 전자를 공급한 효과를 주어 페르미 순위를 전도도 대역으로 가깝게 하여 전기전도도가 높아지는 장점을 지닌다. 이러한 가능성을 확인하기 위해 나노공정을 통해 칼슘 바나듐 산화물 나노선을 전극으로 제작하여 전압에 따른 전류를 측정하였다. 결과적으로 나노선의 전극제작에 성공하였고, 측정결과 나노선에 함유된 칼슘의 비율에 따라 다른 전압-전류 그래프를 얻을 수 있었다. 정확한 결과값을 얻기 위해 추가 실험을 진행하고 있으며, 스트론튬 바나듐 산화물 나노선도 같은 측정을 진행하여 이온의 크기에 따른 전도도 변화를 확인할 예정이다. 두번째 장에서는 분광광도법에서 광학적 지표를 사용하여 페놀레드와 1,4-피페라진디에탄술폰산 (PIPES)의 이차 해리상수의 온도의존성을 규명하였다. 수체계에서 정확한 pH를 아는 것은 고온의 수용액에서 물리화학적 성질을 해석하는데 필수적이며, 많은 유기산의 열역할적 특징을 해석하는데 이용된다. 일정한 농도의 페놀레드를 포함한 인산완충액과 PIPES 완충용액을 준비하고, 완충용액을 사용하여 산성용액과 염기성 용액을 준비한다. 10℃에서 55℃의 온도 범위에서 준비한 용액의 흡수 스펙트럼을 측정하여 디콘볼루션을 통해 산과 염기형태의 페놀레드의 농도 비율을 결정한다. 페놀레드와 PIPES의 흡수 스펙트럼을 분석하여 해리상수 식에 대입하여 해리상수 값을 얻는다. 구한 값들을 온도 의존을 나타내는 기본 함수식에 근사시켜 온도의존성을 확인한다. 또한 이소쿨롬 반응에서 해리상수를 이용하여 측정한 온도보다 높은 온도에서의 해리상수의 온도의존성을 예측할 수 있다.