Study of Electrospun Cobalt-Based Bimetallic Nanomaterials for Water Splitting

Abstract

이중 복합 금속 및 금속산화물을 이용한 대체 에너지 및 에너지 변환 장치에의 응용은 대체 에너지 개발 요구에 힘입어 최근 활발히 연구되는 분야이다. 본 학위논문에서는 우수한 촉매 발굴을 위한 다양한 일차원 나노구조체를 연구한다. 두 개 이상의 금속을 이용하여 이중 복합 금속/금속 산화물 나노 구조체를 합성하고, 그에 따른 전기화학적 활성을 확인하였다. 이 연구에서 사용되는 합성 기법은 전기 방사법과 하소법이다. 전기 방사법과 하소법의 합성 조건 변경을 통하여 다양한 성분 비율과 구조, 특정한 산화 상태의 이중 복합 금속/금속 산화물의 나노 구조체를 합성할 수 있다. 이를 통해 이중 복합 금속/금속 산화물을 이루는 두 개 금속 간의 물리적, 화학적 특성이 달라짐으로써 촉매 활성의 상승 효과를 기대하며 고효율의 에너지 변환 전극 촉매를 연구하였다. 본 논문은 6장으로 구성되어 있으며, 제 1장에서는 본 학위 논문의 이해를 돕기 위한 개요를 기술하였으며, 전체적인 연구에 대한 배경 지식에 대하여 설명하였다. 제 2장에서는 1차원의 이리듐 산화물-코발트 산화물 혼합 나노튜브를 성분 비율 별로 합성하고, 비율 및 구조에 따른 물 분해의 산소 생성 반응에 대한 활성을 연구하였다. 제 3장에서는 루테늄 산화물-코발트 산화물 혼합 나노튜브를 합성하고, 이를 산 용액에서의 산소 발생 반응의 촉매로 응용하였다. 특히, 두 물질이 각 구조에서 치환되어 있음에 따른 구조적인 분석에 X-ray diffraction (XRD), X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy의 기법을 활용하였다. 제 4장에서는 열처리 과정의 온도와 대기 조건 등을 조절하여 단일 상을 가지는 코발트 로듐 산화물을 합성하였으며, 염기 용액에서의 산소 발생 반응에 대한 촉매 활성을 연구하였다. 그 결과, 단일 상의 코발트 로듐 산화물이 단일상으로 존재하지 않는 다른 로듐-코발트 혼합물보다 더 작은 과전압과 작은 Tafel slope을 가지는 결과를 보였다. 제 5장에서는 단일 상의 코발트 로듐 산화물을 수소 대기 하에 환원 과정을 거친 후에 코발트 로듐 합금을 얻을 수 있었고, 얻어진 물질의 결정성은 환원 과정의 온도에 따라 차이가 있었다. 200도 환원 과정을 거친 코발트 로듐 합금이 산, 중성, 염기성의 모든 용액에서 백금보다 물 분해의 수소 발생 반응에서 더 뛰어난 활성을 보였다. 제 6장에서는 이리듐 메탈 나노튜브의 합성 과정과 일산화탄소의 전기화학적 산화 반응의 촉매로서의 응용 가능성을 확인하였다. 또한 DFT 계산화학기법을 이용하여 일산화탄소의 이리듐과 백금 표면에서의 흡착 에너지를 계산하였다. ;This study aims to develop electrospun cobalt-based bimetallic nanomaterials for various electrochemical reactions related to energy conversion and to explore their physical properties in depth. This dissertation consists of six chapters. Chapter Ⅰ describes background information of this research. Chapter Ⅱ describes the synthesis and characterization of one-dimensional (1D) tubular iridium-cobalt mixed oxide nanocomposites (denoted as IrxCo1-xOy) for oxygen evolution reaction (OER) in alkaline media. In Chapter Ⅲ, the physical and electrochemical properties of RuCo mixed oxide (RuxCo1-xOy) nanomaterials were investigated as an electrocatalyst for OER in acidic media. Structural studies of the RuxCo1-xOy as substituted structures were explored using X-ray diffraction (XRD), X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy. Chapter Ⅳ is the study about the synthesis of unique single phase of spinel cobalt rhodium oxide (Co2RhO4) nanotubes with the catalytic performances for OER in alkaline solution. In Chapter Ⅴ, the synthesis of RhCo alloy nanotubes via reduction of single phase Co2RhO4 nanotubes was described. Hydrogen evolution reaction (HER) electroactivities were investigated depending on the different crystallinities of the RhCo alloy nanotubes. Chapter Ⅵ is the study about the synthesis of Ir metal nanotubes via electrospinning, calcination, and subsequent reduction process. Ir metal nanotubes and IrO2 nanotubes were tested for carbon monoxide (CO) oxidation. The adsorption energy for CO at the surface was calculated using first-principles density functional theory (DFT).