Synthesis and Characterization of Functional Nanomaterials for Enhanced Electrochemical Performance

Abstract

나노소재는 조절 가능한 물리·화학적 특성과 촉매, 센서, 에너지 변환 등 다양한 분야에서의 응용 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 본 학위논문에서는 이러한 나노소재를 전기화학적 일산화탄소 가스 검출과 산소 발생 반응 촉매로 응용하기 위한 합성 및 특성 연구를 수행하였다. 1장에서는 멜라민을 질소 공급원으로 사용하여 전기방사 및 제어된 열탄화 과정을 통해 팔라듐과 코발트가 도입된 질소 도핑 탄소 나노섬유(PdCo/N-CNF_x, x = 700, 750, 775, 800, °C)를 합성하였다. 그중 PdCo/N-CNF_775 시료는 중성 용액와 상온 조건에서 가장 우수한 일산화탄소 산화 전기촉매 활성을 보여주었으며, 감도 0.1432 μA μM–1, 검출한계 0.228 μM의 뛰어난 성능을 나타냈다. 또한 질소산화물과 황화수소 등 유사 기체전달물질에 대해 높은 선택성을 보여, 고감도·고선택성의 전류형 일산화탄소 센서로서의 응용 가능성을 확인하였다. 2장에서는 공침 및 후소성 공정을 통해 단일상 루틸 구조의 Ru0.28Ir0.16Cr0.28Mn0.28O2 나노입자를 합성하였다. 합성된 나노입자는 넓은 pH 범위에서 우수한 산소 발생 반응 활성을 나타냈으며, Ru, Ir, Cr, Mn 원소가 무작위로 하나의 정방정계 격자에 도입되어 빠른 물 분해 반응을 촉진하였다. 이 촉매는 산성, 중성, 염기성 조건에서 각각 10 mA cm-2 전류밀도 기준으로 210, 300, 275mV의 과전압을 보였다. 또한 75시간 이상 안정한 전위를 유지하며 산성, 중성 염기성 영역에서 모두 뛰어난 내구성을 입증하였다. 실험 결과와 이론 계산을 종합한 분석을 통해, 최적화된 전자구조가 *OH, *O, *OOH 등의 산소 함유 중간체의 흡착·탈착을 효과적으로 조절하여 촉매 활성을 향상시킴을 확인하였다. 본 연구는 격자 엔트로피 조절을 통해 단일상 루틸 구조 Ru0.28Ir0.16Cr0.28Mn0.28O2 나노입자를 친환경적이고 간단한 공정으로 합성하는 방법을 제시하며, 다양한 전기화학 환경에서 안정적이고 효율적인 산소 발생 반응 촉매로 활용될 수 있음을 보여준다. 본 연구의 1장과 2장의 결과를 종합하면, 조성 및 구조를 정밀하게 제어한 기능성 나노소재의 합성과 이를 다양한 전기화학적 응용으로 확장할 수 있는 체계적인 연구 접근법을 제시하였다는 점에서 의의가 있다.;Nanomaterials have attracted significant attention due to their tunable physicochemical properties and wide range of applications in catalysis, sensing, and energy conversion. This study focuses on the synthesis and application of functional nanomaterials for amperometric CO gas detection and oxygen evolution reaction (OER) catalysis. In Chapter 1, PdCo-incorporated nitrogen-doped carbon nanofibers (PdCo/N-CNF_x, where x = 700, 750, 775, and 800 indicates the carbonization temperature in °C) were synthesized via electrospinning and controlled thermal carbonization using melamine as a nitrogen source. Among them, PdCo/N-CNF_775 exhibited the highest electrocatalytic activity for CO oxidation under neutral pH and room temperature, achieving a high sensitivity of 0.1432 μA μM–1 and a low detection limit of 0.228 μM. Furthermore, PdCo/N-CNF_775 demonstrated excellent selectivity toward CO against other gasotransmitters such as nitric oxide (NO) and hydrogen sulfide (H2S), confirming its potential as a highly sensitive and selective amperometric CO sensor. In Chapter 2, single-phase rutile-type Ru0.28Ir0.16Cr0.28Mn0.28O2 nanoparticles were synthesized via a coprecipitation and post-calcination process. The synthesized nanoparticles exhibited outstanding OER activity across a wide range of pH conditions. The random incorporation of Ru, Ir, Cr, and Mn elements into a single tetragonal lattice facilitated rapid water dissociation and enhanced OER performance in alkaline, acidic, and neutral electrolytes, with overpotentials of 275 mV, 210 mV, and 300 mV at 10 mA cm–2, respectively. Moreover, the catalyst maintained a stable potential for over 75 hours in 0.5 M H2SO4, 1 M KOH, and 0.5 M PBS, demonstrating excellent long-term durability under pH-universal conditions. The combined experimental and theoretical analyses revealed that the optimized electronic structure effectively balanced the adsorption and desorption of oxygen-containing intermediates (*OH, *O, and *OOH), resulting in improved catalytic activity. Overall, this work presents a simple and environmentally friendly approach for synthesizing single-phase rutile-type Ru0.28Ir0.16Cr0.28Mn0.28O2 nanoparticles, which serve as efficient and stable OER catalysts across various electrochemical environments. The significance of this study lies in presenting a systematic approach for the synthesis of functional nanomaterials with precisely controlled compositions and structures, as well as their extension to diverse electrochemical applications.