양이온 교환을 이용한 황화 코발트니켈 나노입자 합성 및 산소발생반응 촉매로의 응용

국문 초록 (Abstract)

양이온 교환 반응은 물질의 특성을 세밀하게 조절하며 새로운 원소를 도입할 수 있는 강력한 합성 전략 중 하나이다. 양이온 교환 반응을 통해 기존 나노입자의 모양 및 크기, 결정구조를 유지하면서 새로운 양이온으로 치환하여, 다양한 조성을 갖는 생성물을 얻을 수 있다. 이렇게 합성된 나노입자는 다른 물성들이 동일하기 때문에, 새롭게 도입된 원소의 효과를 정확히 파악할 수 있다. 본 논문은 산소발생반응 촉매로 응용되고 있는 황화 코발트 나노입자를 시작물질로 사용하였으며, 양이온 교환 반응을 거쳐 황화 코발트니켈 나노입자를 제작하였다. 양이온 교환 반응시 니켈 전구체의 양을 조절함으로써 다양한 니켈 조성을 갖는 나노입자를 성공적으로 합성하였다. 니켈의 함량에 관계없이 나노입자의 모양 및 크기, 결정구조는 시작물질인 황화 코발트 나노입자와 동일한 결과를 보였기 때문에, 산소발생반응에 대해 니켈 함량에 따른 촉매적 활성도를 정확히 비교할 수 있다. 황화 코발트니켈 나노입자는 황화 코발트 나노입자와 비슷한 ECSA 값을 가졌지만, 산소발생반응에 대해서 더 향상된 활성도를 보여주었다. 특히, (Ni1.2Co1.8)S4 나노입자는 1.0M KOH 전해질 용액에서 상용촉매인 IrO2 보다 더 우수한 성능과 내구성을 보여주었다. 산소발생반응 이후 XPS 및 HRTEM 분석을 통해, 니켈 3가의 양이온이 산소발생반응 동안 니켈 기반의 수산화물 및 수산화산화물을 형성하였으며 이로 인해 촉매적 활성도가 향상되었다는 것을 확인하였다. 본 연구는 금속 황화물을 포함한 다양한 나노 물질의 형태를 보존하면서 조성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 경로를 열어줄 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cation exchange reaction is a powerful synthesis strategy for designing a nanoparticle (NP) with targeting desired properties and introducing new elements. Cations in starting NPs can be replaced with new cations via the cation exchange reaction, while maintaining the shape, size, and crystal structure. Since the cation-exchanged NPs maintained the morphologies and structures with various stoichiometries, the effect of the new cations can be the effect of the newly exchanged cations can be accurately grasped. In this study, nickel cobalt sulfide NPs were synthesized by substituting cobalt with nickel cations for the cation exchange reaction. The different stoichiometries of the nickel cobalt sulfide NPs with preserved hollow morphologies and spinel crystal structures were successfully obtained through controlling the nickel precursor amount. The nickel cobalt sulfide catalysts displayed significantly enhanced OER activities despite their similar ECSA values to one of the cobalt sulfide NPs. The catalytic performances are dependent on the nickel composition. Especially, the (Ni1.2Co1.8)S4 catalyst exhibited excellent activity and stability of compared to the IrO2 catalyst. Through HRTEM and XPS analyses after the OER, formation of nickel-based hydroxides and oxy-hydroxides was confirmed, thereby improving the catalytic activities. This study is expected to open a new pathway to precisely control the composition while preserving the morphologies of various nanomaterials including metal sulfides.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 양이온 교환을 통한 황화 코발트니켈 나노입자 제작 및 산소발생반응 촉매로의 응용 11
• 2.1 실험 방법 11
• 2.1.1 재료 11
• 2.1.2 Co3S4 나노입자 합성 11
• 2.1.3 양이온 교환 반응을 통한 (NixCo3-x)S4 나노입자 합성 13
• 2.1.4 나노 입자로 촉매 잉크 제작 13
• 2.1.5 나노 입자 분석 방법 14
• 2.1.6 나노 입자 전기화학적 측정법 15
• 2.2 결과 및 고찰 17
• 제 3장 결론 46
• 참고문헌 47
• 국문초록 54
• ABSTRACT 56
• ACHIEVEMENT 58