Synthesis of Electrospun Nanomaterials and Their Electrochemical Applications

Abstract

본 학위논문에서는, 과전압을 요구하는 전기화학적 반응들에 대한 나노촉매의 물리적, 전기화학적 특성에 대하여 서술하고 있다. 본 논문에서 활용한 금속 기반의 나노물질들은 모두 전기 방사법과 잇따른 열처리 과정으로 합성하였다. 합성한 물질들을 다양한 전기화학적 반응의 촉매로 활용하였는데, 지속 가능한 에너지 생산이라는 현 상황에 주목하여 산소 발생 반응과 수소 발생 반응 촉매 활성에 대한 연구를 제1장부터 제3장까지 기술하였다. 그리고 생체 분자의 한 종류인 아스코르브산의 센서에 대한 연구를 제4장에서 다루고 있다. 제1장에서는 이리듐과 코발트 합금 나노튜브 물질을 전기방사법, 그리고 잇따른 산화 대기 조건과 환원 대기 조건에서의 열처리 과정을 통해 합성함으로써 물 분해 촉매로 활용했다. 합성된 합금 나노튜브 물질은 이리듐과 코발트 원소의 비율이 가장 비슷할 때에 산소 발생 반응과 수소 발생 반응의 효율이 가장 높게 측정되었고, 그 이유를 극대화된 원소 치환 효과라고 설명하였다. 제2장에서는 이리듐과 구리의 혼성 산화물을 산소 발생 반응의 촉매로 활용한 연구에 대하여 서술하였다. 이리듐과 구리를 혼성 산화물 형태로 합성했을 때 원소 치환 효과에 의하여 산소 결함이 발생하는데, 이렇게 산소 결함을 가지는 이리듐-구리 혼성 산화물 나노튜브 촉매는 다양한 산성도의 용액에서 물의 산화반응에 대해 우수한 전기화학적 활성과 안정성을 보였다. 제3장에서는 루테늄과 바나듐 혼성 산화물, 그리고 그것에 크롬 원소를 도핑한 물질을 각각 산소 발생 반응의 촉매로 활용한 연구에 대하여 서술하였다. 특히, 크롬을 도핑했을 때 산소 발생 반응에 대한 안정성이 증가하였다. 또한 산성도를 달리 한 용액에서 선형 주사 전압곡선을 측정함으로써, 각 촉매가 어떠한 산소 발생 반응 경로를 거치는지 알아보았다. 제4장에서는 페로브스카이트 구조를 가지는 칼슘-루테늄 혼성 산화물을 전류측정 아스코르브산 센서로 활용한 연구에 대해 기술하고 있다. 변화시킨 아스코르브산의 농도와 감응한 전류가 비례함을 보였다. 또한 다른 생체 분자에는 반응하지 않고 오직 아스코르브산에만 반응함을 통해 선택성이 높은 전기화학적 센서로의 활용 가능성을 입증하였다.;This thesis is about various nanomaterials synthesized by electrospinning and their applications as electrocatalysts. Synthesized metallic nanomaterials revealed superior electrocatalytic activities for oxygen evolution reaction (OER, chapters Ⅰ to Ⅲ), hydrogen evolution reaction (HER, chapter Ⅰ), and amperometric ascorbic acid (AA) sensing (chapter Ⅳ). In chapter Ⅰ, iridium-cobalt alloy nanotubes were applied as the bifunctional electrocatalysts. IrxCo1–x nanomaterials (0 ≤ x ≤ 1) were prepared by electrospinning and following calcination process under O2-containing oxidizing atmosphere and then H2-containing reducing atmosphere. Ir0.50Co0.50 nanotubes, which contained even amounts of iridium and cobalt, revealed excellent electrocatalytic activities toward OER and HER due to the maximized atomic substitution effects. Electrochemical tests with a two-electrode system proved its bifunctional anodic and cathodic electrocatalytic activities and stabilities for water electrolysis. In chapter Ⅱ, iridium-copper oxide nanotubes were applied as the pH-universal OER catalysts. IrxCu1–xOy nanomaterials (0 ≤ x ≤ 1) were synthesized by adjusting the atomic ratio of metal precursors. The XRD and XPS confirmed the presence of the oxygen vacancy in IrxCu1–xOy nanotubes (0 < x < 1). Especially, Ir0.48Cu0.52Oy nanotubes revealed superb activity and durability toward OER, due to its oxygen vacancy attributed to the incorporation of Cu in IrO2 rutile structure. In chapter Ⅲ, ruthenium-vanadium oxide nanofibers and Cr-doped ruthenium-vanadium oxide nanofibers were applied for OER catalysts. The synthesized nanofibers showed excellent electrocatalytic activities toward OER. Moreover, the doping of Cr enhanced the stability of OER. The study for pH effect was conducted to investigate how the materials catalyze OER. By the experiments, Ru0.480V0.520O2 nanofibers and Ru0.456V0.497Cr0.05O2 nanofibers showed pH-independent OER activity while RuO2 nanofibers showed pH-dependent activity. By the difference in pH-dependence, it is confirmed that OER at the ruthenium catalysts containing vanadium pass through the different OER pathways from that at RuO2. In chapter Ⅳ, single-phase perovskite CaRuO3 nanofibers were synthesized and applied as the electrochemical ascorbic acid (AA) sensor. The increased AA concentrations and the corresponding current responses showed linear dependence. Moreover, CaRuO3 nanofibers responded only to AA and not to other biomolecules, proving the selectivity as the electrochemical AA sensor.