Improved Electrochemical Functionalities of Amorphous Metal Oxide Hybridized with Carbon Materials and the Synthesis of in-plane WS2

Abstract

Chapter 1 introduces the simple methodology of growing RuO2 on carbon paper with acid-base reaction and thermal annealing. The degree of crystallization is controlled via annealing temperature. The crystal structures of hydrous and crystalline RuO2 CP composites are characterized using powder XRD, micro-Raman and Electron Microscopies. Hydrous RuO2 nanoparticles on carbon paper presents the best electrocatalytic behavior in hydrogen evolution reaction with the beneficial effect of abundant hydroxyl groups. The overpotential of hydrous RuO2 CP annealed at 150 ˚C is 55.6 mV in alkaline solution. Besides, only 0.09375 mg of catalyst were loaded on a 1 cm^2 carbon paper. This study provides a simple, economically-feasible and highly active electrocatalyst in hydrogen evolution reaction. In chapter 2, the simultaneous amorphization and hybridization with reduced graphene oxide (rGO) nanosheet provides an effective method of exploring efficient bifunctional hybrids active as hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalysts and sodium-ion battery (SIB) electrodes. The amorphous MoO2-rGO nanohybrid are synthesized using soft-chemical redox reactions between K2MoO4 and KBH4 in the presence of rGO colloidal solution at room temperature. Micro-Raman spectroscopic analyses and Mo K-edge X-ray absorption near-edge structure(XANES) clearly demonstrate the rutile-type local atomic structure of amorphous MoO2 nanoparticles with significant oxygen vacancies and the intimate electronic coupling with rGO. The resulting amorphous MoO2-rGO nanohybrid shows much better bifunctional performances as HER electrocatalyst and SIB electrode than those of well-crystallized MoO2-rGO homologues and rGO-free MoO2 nanocrystal. The beneficial effect of simultaneous amorphization and rGO coupling is attributable to the introduction of many active oxygen vacancy, the increase of surface areas, multiple pathways for ions, and electrical conductivity. This study demonstrates the synergistic introduction of crystal defect and rGO nanosheet into transition metal oxide nanocrystals can bring an effective way of synthesizing economical bifunctional electrocatalysts/electrodes with high performance. In Chapter 3, we synthesize the in-plane WS2 nanosheets on Si substrate via chemical vapour deposition with simple methodology. These days, transition metal dichalcogenides have been regarded as post-graphene 2-dimensional materials owing to its electrical and chemical properties. Among them, WS2 is known to have different band gaps depending on the number of layers of the structure. The physical structures were carefully adjusted by the flow rate of the carrier gas and the distance difference between precursors and the substrate. The crystal structure and the morphologies were analysed using powder X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy.;제 1장에서는, 산-염기 반응을 이용한 침전 과정과 열처리를 이용한 재결정 과정을 통해 산화루테늄 나노파티클을 카본 페이퍼 위에 성장시킨 소재를 합성하고 이를 수소발생반응 촉매로 활용하였다. 이때 재결정 과정의 열처리 온도 조건을 150도, 220도 320도로 설정하여, 온도 변화에 따른 물리적 특성과 전기화학적 성능을 비교하여 관찰하였다. 그 결과, 수화상태의 RuO2 CP_150이 가장 작은 과전압을 보였다. 이는 산화루테늄 표면에 존재하는 하이드록시기가 볼머 반응을 촉진시키며 촉매 성능을 향상시킨 것이다. 또한, 촉매 로딩 양이 0.09375 mg/cm^2으로 기존 카본 페이퍼 기반 촉매보다 적은 용량 대비 높은 성능을 보여준다. 이번 실험을 통해, 카본 페이퍼와 혼성화한 수화 상태의 산화루테늄이 합성 방법이 간단하며 저렴한 촉매로 활용 될 수 있음을 강조하고 있다. 제 2장에서는, 전기 촉매 및 나트륨 전지의 음극재로 사용되는 몰리브데넘 산화물의 전극 성능 향상을 위하여, 비정질 구조를 가진 몰리브데넘 산화물과 환원 그래핀 산화물을 혼성화하는 연구를 진행하였다. 몰리브데넘 산화물은 전이금속으로 가격이 저렴하지만, 전도성이 낮고 결정성이 높아, 전기화학적 활성 부위가 제한적이라는 단점이 있다. 이를 환원 그래핀 산화물과 같은 높은 전도성을 가진 물질과의 혼성화와 비정질화를 통해 극복하고자 하였다. K2MoO4와 KBH4를 사용한 환원반응을 통해 비정질 몰리브데넘 산화물을 합성하였다. 이번 연구에서 합성한 비정질 몰리브데넘/환원 그래핀 산화물은 결정성 몰리브데넘 산화물에 비해 수소발생반응에서 더 높은 전기 촉매 활성을 나타냈으며, 반응 표면적을 넓히면서 나트륨 이온 전극으로 적용 시 5배 가량 향상된 용량을 보였다. 이러한 결과는 몰리브데넘 산화물의 수소발생반응 활성과 나트륨 이온 전극으로 활용 시 비정질 구조와 전도성을 가진 물질과의 혼성화가 유리한 역할을 한다는 것을 입증하였다. 제 3장에서는, 화학적 증기 증착을 이용하여 평면 이황화텅스텐을 실리콘 기판에 합성하였다. 최근, 전이금속 칼코겐 화합물은 전기적, 화학적 특성으로 인해 차세대 그래핀 물질로 여겨지고 있다. 그 중, 이황화텅스텐은 구조의 층 수에 따라 다양한 밴드 갭이 존재한다고 알려져 있다. 이번 연구에서는, 운반 가스의 유량과 전구체와 기판 사이의 간극 조절을 세심하게 조절함으로써 평면 이황화텅스텐을 성공적으로 합성하였다. 결정 구조와 형태는 전자 현미경과 X선 회절 분석기를 이용하여 분석하였다.