비수계 전해질에서 금의 전기화학적 거동 및 금 나노입자 제조

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The electrochemical behavior of gold was investigated by cyclic voltammetry in non-aqueous electrolyte. 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide(EMIMTFSI) was used as the electrolyte, because it has a wide electrochemical window among the ionic liquids. TiCl4 dissolved in EMIMTFSI that was used for dissolution of electrode and AuCl3 dissolved in a mixture of EMIMTFSI and EMIMCl were used to supply the gold ions in the electrolyte. The cyclic voltammetry was conducted in three electrode cell that used the Au and Pt working electrode. The effect of the concentration of EMIMCl, the temperature and working electrode on the redox of gold in non-aqueous and the effect of additives on a current density were studied, respectively. The possibility of electrorefining of gold in ionic liquids and the synthesis of gold nanoparticle were investigated by potentiostatic method and pulse electrolysis, respectively. The effect of duty factor, pulse duration and operating temperature on the synthesis of gold nanoparticle were investigated. The composition, crystal structure and morphology of gold deposits were confirmed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy.
In the cyclic voltammetry results, it was found that the electrochemical oxidation and reduction of the gold was observed in both of the electrolyte. Since the gold electrode was dissolved in electrolyte and the gold ion dissolved was electrodeposited in the EMIMTFSI-TiCl4 system, the electrorefining of gold in non-aqueous electrolyte was possible. By pulse electrolysis, the gold nanoparticle was uniformly synthesized on cathode for and extremely short period of 10 ∼ 60 sec without any side reaction and contaminations. The size of gold nanoparticle was easily controllable in the range of 75 ∼ 150 nm by simply controlling pulse electrolysis variables.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 비수계 전해질에서 금의 전기화학적 거동을 조사하기위하여 전해질로 이온성액체 중 전기화학창이 넓은 1-ehtyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide(EMIMTFSI)을 사용하였다. 전해질 내에 금 이온을 공급하기위하여 EMIMTFSI에 지지전해질로 TiCl4를 첨가한 용액에서 전극으로 사용된 금을 용출하는 방법과 지지전해질로 EMIMCl을 첨가하여 AuCl3을 용해하는 방법이 사용되었다. Au와 Pt를 작동전극으로 사용하여 3 전극 셀을 구성하였으며, CV 분석을 통하여 금의 전기화학적 거동을 조사하였다. 금의 전기화학적 산화 및 환원 반응에 EMIMCl의 농도와 온도가 미치는 영향과 작동전극에 따른 금의 전착특성을 조사하였으며, 첨가제에 따른 반응의 전류밀도 변화에 대해서 조사하였다. CV 결과에서 관찰된 반응의 전위에서 정전압법으로 금의 전해정련 가능성을 조사하였다. 또한 펄스 전해법을 통하여 금 나노입자를 제조하였으며, duty factor와 pulse duration 및 operating temperature 등의 전해변수를 제어하여 금 나노입자의 크기를 조절하였다. 전극표면에 전착된 금 입자의 크기 및 분포와 형상을 FE-SEM을 통하여 분석하였으며, 성분 및 결정성을 EDS와 XRD를 사용하여 분석하였다.
CV 분석한 결과, 두 가지 전해질 모두에서 금의 전기화학적 산화 및 환원이 관찰되었다. EMIMTFSI-TiCl4 전해질에서 전극으로 사용한 금이 용출되었으며, 용출된 금의 재환원으로 비수계 전해질에서 금의 전해정련이 가능하였다. EMIMTFSI-EMIMCl-AuCl3 전해질에서도 금의 산화 및 환원 반응이 관찰되었으며, 금의 환원전위에서 펄스 전해법으로 금 나노입자를 제조하였으며, 전해 변수를 조절함으로써 입자의 크기 조절이 가능하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 비수계에서 금의 전기화학적 거동연구 3
• 2.2 금 정련 기술 5
• 2.3 금 나노입자 6
• 2.4 금 나노입자의 제법 7
• 2.5 펄스 전해법(Pulse electrolysis) 10
• 2.6 이온성액체(Ionic liquids) 12
• 제 3 장 실 험 14
• 3.1 시약 및 기기 14
• 3.2 이온성액체 합성 15
• 3.3 전해 셀 구성 17
• 3.4 전기화학적 분석 19
• 3.4.1 Redox behavior of gold 20
• 3.4.2 Pulse electrolysis 21
• 제 4 장 결과 및 고찰 22
• 4.1 Redox of Au in non-aqueous electrolyte 22
• 4.1.1 EMIMTFSI + TiCl4 system 23
• 1) CV 분석 23
• 2) 첨가제에 따른 전류밀도 변화 26
• 3) 용출 및 전착된 금의 형상 및 결정성 28
• 4.1.2 EMIMTFSI + EMIMCl + AuCl3 system 32
• 1) CV 분석 32
• 2) EMIMCl 농도의 영향 36
• 3) 전극에 따른 영향 38
• 4) 온도에 따른 영향 41
• 4.2 Electrorefining of gold 43
• 4.2.1 CV 분석 44
• 4.2.2 금의 용출 및 환원 46
• 4.3 Synthesis of gold nanoparicle 48
• 4.3.1 Duty factor의 영향 49
• 4.3.2 Pulse duration의 영향 53
• 4.3.3 Operating temperature의 영향 57
• 제 5 장 결 론 61
• [참고 문헌] 63