Synthesis of RuO2 Nanorods Grown on CNFs for Supercapacitor Electrode Material and Fabrication of Metal Oxide Nanomaterials

Abstract

In chapter I, we report the greatly enhanced capacitive capability of supercapacitor by synthesizing highly porous crystallized RuO2-CNF composites through simple methodology of precipitation and recrystallization. Carbon materials and noble transition metal Ru produced a synergistic effect on improving the supercapacitor electrochemical performance. It is because of the high surface area possessing high electrical conductivity of carbon material and widely used metal oxide RuO2, for energy storage system (ESS) because of its excellence in specific capacitance. We have characterized its physical properties such as morphology, compositions and crystal structures through field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy(TEM) and X-ray diffraction (XRD). Further electrochemical properties were measured via cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), specific capacitance analysis and energy density measurements. The wetting behavior and surface properties were characterized by Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. Bending tests were conducted by comparing CV curves of a bent and non-bent supercapacitors for verification of its capability flexibility. In chapter II, we produce a synthesizing method of IrO2 nanoparticle with distinctive morphology having aligned nanosheets vertically grown. We successfully synthesized IrO2 nanodisks formed by the simple acid-base reaction between IrCl3 and NaOH by controlling pH in aqueous solution and further thermal annealing process. The synthesized IrO2 shows an eminent morphology with two round shape nanodisks perpendicular to each other. The morphology and crystal structure of the samples were carefully characterized with field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Results demonstrate that IrO2 nanodisks with an unprecedented shape can further anticipate on electrochemical catalysts experiments. In chapter III, we introduce a crystalline nanostructure oxygen evolution reaction (OER) catalyst including Ir, a noble metal widely used for OER acceleration, and Zn known as an earth-abundant-metal. The synthesized metal consists of rutile tetragonal structured IrO2 and hexagonal structured ZnO. The morphology and elemental components analysis were examined by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The crystalline structure were characterized by X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. We expect the synthesized composites exhibit high electrochemical stability and high efficiency for OER.;이 논문은 크게 루테늄 산화물 (RuO2) 를 탄소소재 표면에 성장시킴으로서 기존 소재 대비 슈퍼커패시터의 비축전용량과 에너지 밀도를 향상시킨 내용과 결정성을 가진 단일 금속산화물, 혼성 금속산화물의 합성과 그 활용 가능성에 관한 내용으로 구성되어 있다. 첫 번째 장에서는 기존의 커패시터 소재로 활용되던 탄소소재의 표면에 루테늄 산화물을 나노 로드의 형태로 성장시켰을 때, 전기화학적 특성을 개선할 수 있다는 것을 보였다. 탄소 소재는 우수한 출력 밀도와 긴 수명을 지닌다는 장점이 있지만, 에너지 밀도의 한계를 지닌다. 이에 따라, 에너지 밀도와 축전용량이 우수한 금속산화물 루테늄 옥사이드를 추가하여 기존 소재의 단점을 보완할 수 있었다. 열처리 온도를 180 ℃, 220 ℃, 250 ℃ 세 가지로 설정하여 최적의 조건에 대한 신뢰성을 보였다. 주사 전자 현미경 (SEM)과 에너지 분산형 분석기 (EDS)를 통하여 합성 시료의 표면 특성을 규명하였다. X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광기를 광전자 분광 (XPS)를 통하여 물질의 결정구조를 확인하였다. BET 측정을 통하여 물질의 비표면적을 분석하였다. 또한 전기화학 특성 분석을 위하여 순환전압전류법 (CV), 임피던스 분광, 비축전용량, 그리고 에너지 밀도 측정을 진행하였다. 그 결과, 220 ℃ 합성 조건에서 가장 우수한 표면 특성을 형성하며, 비축전용량과 에너지 밀도가 기존 소재 대비 각각 33 %, 27 % 개선된 사실을 확인하였다. 두 번째 장에서는 촉매 활성이 우수한 금속 산화물 이리듐 옥사이드(IrO2)를 산염기 반응과 재결정의 합성법을 통하여 우수한 결정성을 갖는 나노 디스크의 형태로 합성하여 촉매로서의 활용 가능성을 규명하였다. 산염기 반응을 통하여 생성된 이리듐 하이드록사이드 (Ir(OH)3) 나노입자를 450 ℃ 에서 열처리하여 재결정시켰을 때 가장 열역학적으로 안정한 구조를 형성하였다. 합성된 새로운 물질의 표면 특성과 결정구조는 주사 전자 현미경 (SEM), 에너지 분산형 분석기 (EDS), 라만 분광, X선 회절 분석기 (XRD) 그리고 광전자 분광 (XPS)를 통하여 분석하였다. 산염기 적정과 재결정의 간단한 합성법을 통한 나노 구조물의 합성은 높은 재현성으로 새로운 재료를 합성할 수 있는 고기능의 합성 방법이다. 세 번째 장에서는 두 가지 금속 산화물을 혼합한 혼성 이종원소 나노 화합물 (IrxZn1-xOy) 을 합성하여 산소 발생 반응 (OER)의 높은 과전위를 완화시켜줄 촉매로서의 활용 가능성을 보였다. 대표적 산소 발생 반응의 촉매로는 루테늄과 이리듐 등 고가의 귀금속이 활용되었다. 본 연구에서는 징크를 이리듐의 지지 구조로 활용함으로써 이리듐의 사용량을 줄여 합성 원가 절감 효과를 볼 수 있었다. 산염기 반응과 재결정의 방법을 통하여 높은 결정성의 혼성 나노 화합물을 합성하였다. 그 형태와 결정 구조는 주사 전자 현미경 (SEM), 에너지 분산형 분석기 (EDX), X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광을 통하여 규명하였다. 추가적인 산소 발생 반응 촉매 활성 분석과 촉매 안정성 테스트를 통하여 합성물의 촉매로서 활용 가능성을 확인할 수 있다.