View : 408 Download: 0

Synthesis of Time and Cost-efficient Oxygen Evolution Reaction (OER) Electrocatalysts of Co0.63Ru0.37/CNFs and Tube-in-fiber CrxIr1-xO2 via Electrospinning

Title
Synthesis of Time and Cost-efficient Oxygen Evolution Reaction (OER) Electrocatalysts of Co0.63Ru0.37/CNFs and Tube-in-fiber CrxIr1-xO2 via Electrospinning
Authors
강지수
Issue Date
2022
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
김명화
Abstract
In chapter 1, we introduce groundbreaking OER catalysts of Co0.63Ru0.37/CNFs that utilizes temporal efficiency and price efficiency using electrospinning. As a result of thermal annealing at 900 ℃ with He gas, CoRu particles were encapsulated in uniform carbon nanofibers to form a stable and constant shape. These unique structures were carefully characterized through Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) and Field Emission Transmission Electron Microscopy (FE-TEM) for defining specific morphology. The compositions and chemical states were measured with Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES), Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS), X-ray Diffraction (XRD), Micro-Raman, and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The electrocatalytic activities Co0.63Ru0.37/CNFs were further characterized via Linear sweep voltammetry (LSV) in acidic solution and Chronopotentiometry for stability test. Co0.63Ru0.37/CNFs showed much more beneficial OER catalytic effect compared to the reference substance, cIr, even though the ratio of Ru, which is known to have the best catalytic activity, was significantly smaller than that of Co. In chapter 2, we suggest synthetizing CrxIr1-xO2 in various temperatures with a unique shape of tube-in-fiber through electrospinning just using one solution. Unlike general nanotubes and nanofibers, CrxIr1-xO2 has much more electrochemically active cites because both tube and fiber shapes exist. The morphology of CrxIr1-xO2 is identified by Electron Microscopies (FE-SEM and FE-TEM) and the metal compositions with distribution are also characterized by ICP and EDS. The other chemical states and physical characteristics are measured with XRD and XPS which clearly show tetragonal structure. Moreover, synthetized various CrxIr1-xO2 have clear tendency throughout the electrochemical effect of Oxygen Evolution Reaction (OER). Specifically, CrxIr1-xO2 annealed at 400 ℃ represents the most promising electrocatalytic performance in OER in spite of containing Cr element. The overpotential conducted in KOH solution of CrxIr1-xO2 annealed at 400 ℃ is even lower than the reference material cIr and the stability is maintained for more than 20000 seconds. Chapter 1 and 2 all provide simple ways of commercializing both noble and non-precious metal throughout electrospinning. Every nanomaterial synthetized in this study represents eco-friendly and cost-effective catalytic effect in oxygen evolution reaction.;이 논문은 혼성 금속물과 금속산화물의 합성을 통한 산소발생반응 촉매로써의 적용에 대한 내용으로 구성되어 있다. 제 1장에서는, 전기방사와 열처리 과정을 거쳐 코발트루테늄 바이메탈 나노파티클이 박힌 탄소나노섬유를 합성해 이를 산소발생반응 촉매로 활용하였다. 이 때, 열처리를 900도의 고온에서 진행하였고 비활성 기체 중 헬륨을 사용하여 탄소나노섬유의 뼈대를 합성해 균일한 섬유의 형상을 얻을 수 있었다. 코발트와 루테늄 단일 금속을 이용한 비교 물질을 함께 합성하여 물리적 성질과 전기화학적 성능을 비교하였다. 탄소나노섬유에 물질이 박혀 있는 형상은 주사 전자 현미경 (SEM)과 투과 전자 현미경 (TEM)으로 표면구조의 특성을 규명하였다. 구성 원소의 조성 확인을 위해 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법 (ICP-AES)와 에너지 분산형 분광 분석기 (EDS)를 이용해 관찰하였다. 이 때, 합성된 물질의 80 % 이상이 탄소로 구성되어 있고 귀금속인 루테늄의 비율이 코발트에 비해 1.7배 이상 적어 가격 경쟁력과 물질의 안정성을 갖추었음을 확인하였다. 두 금속의 바이메탈 결합구조와 화학적 상태는 X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광기 (micro-Raman), 그리고 X선 광전자 분광기 (XPS)를 통해 분석을 진행하였다. 또한, 전기화학적 분석을 통해 기준물질인 커머셜이리듐 (cIr)에 비해 확연히 낮은 과전압과 안정성을 가져 산소발생반응 촉매로 활용될 수 있음을 강조하였다. 제 2장에서는, 하나의 용액을 이용한 전기방사와 열처리로 나노튜브 안에 얇은 나노파이버가 자란 튜브 인 파이버 (tube-in-fiber) 구조의 크롬이리듐 산화물 합성을 진행하였다. 일반적으로 두 용액을 만들어 여러 과정의 전기방사를 진행하는 연구와는 달리 하나의 용액으로만 물질을 합성해 시간적 효율을 크게 증가시켰다. 크롬 이리듐 산화물은 다양한 온도에서 열처리를 진행해 표면구조의 차이점과 전기화학적 특성의 경향성을 파악하였다. 열처리 온도에 관계없이 크롬이리듐 산화물은 크롬과 이리듐 원소의 상호작용과 더불어 섬유 매트의 수축력과 기체 확산력의 영향으로 얇은 파이버를 튜브가 감싸고 있는 형상을 나타냈다. 이외 물질의 조성과 화학적 상태는 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법 (ICP-AES), 에너지 분산형 분광 분석기 (EDS), X선 회절 분석기 (XRD), 그리고 X선 광전자 분광기 (XPS)를 통해 분석하였다. 추가적으로 진행한 전기화학적 분석으로 촉매 효과의 경향성을 파악하였고 20000초 이상의 안정성을 가짐을 확인하여 산소발생반응 촉매로의 우수성을 강조하였다.
Fulltext
Show the fulltext
Appears in Collections:
일반대학원 > 화학·나노과학과 > Theses_Master
Files in This Item:
There are no files associated with this item.
Export
RIS (EndNote)
XLS (Excel)
XML


qrcode

BROWSE