활성탄소/폴리아닐린/루테늄 산화물로 구성된 복합전극의 초고용량 캐폐시터 특성 연구 = Study on super-capacitive performance of the composite electrodes based on polyaniline, activated carbons and ruthenium oxide

국문 초록 (Abstract)

초고용량 캐폐시터의 대표적인 전극 활물질인 활성탄소(MSC-30), 전기전도성고분자인 폴리아닐린(polyaniline, PA), 그리고 금속산화물인 RuO_(2)의 각각의 단점을 개선하고 장점을 향상시키기 위하여 단일전극 및 복합전극을 제조하여 cyclic voltammetry와 impedance spectroscopy에 의해 capacitance 특성을 연구하였다.
ACP/PA 복합전극은 화학적 합성 방법에 의하여 활성탄소 분말 표면위에 아닐린 단량체를 흡착시켜서 제조 하였다. Capacitance 특성은 IMH_(2)SO_(4)의 수용액에서 cyclic voltammetry와 impedance spectroscopy에 의해서 조사 되었다. Cyclic voltammetry에 의하여 측정된 결과는 ACP/PA의 전극의 비 용량값이 ACP의 193F/g 보다 큰 273F/g으로 증가하였다. 그러나 impedance spectroscopy의 결과는 ACP전극이 ACP/PA전극보다 더 좋은 이온 응답시간과 높은 frequency capacitance 특성을 보여준다. 이 결과는 PA의 redox 반응의 속도 율속단계 이어서 1Hz이상의 높은 주파수 영역에서 전하저장에 기여할 수 없다는 것을 의미한다.
Carbon/Nafion/RuO_(2)복합전극은 cyclic voltammetry 방법으로 제조 되었다. Carbon/Nafion/RuO_(2)복합전극의 비용량은 100 mv/s에서 513 F/g이고 루데늄 산화물 전극의 비용량은 418 F/g을 보였다. 1000 mV/s의 주사속도에서 복합전극은 456 F/g 루데늄 산화물의 단일 전극은 207 F/g 이었다. 복합전극의 주사속도에 따른 비 용량 값은 Carbon/Nafion/RuO_(2)＞RuO_(2)의 순으로 관찰 되었다. PA/Nafion/RuO_(2)의 복합전극은 초고용량 캐페시터의 응용을 위하여 제조되었다. 나피온의 설포네이트 음이온은 반복적인 redox 반응을 위하여 redox site를 보호하는 복합체를 형성하는 것으로 폴리아닐린의 라디칼 cation을 안정화 시킬 수 있다. 복합전극의 수명은 PA/Nafion/RuO_(2)＞PA/Nafion＞PA의 순으로 관찰된다. 주사속도에 따른 비용량 값은 PA/Nafion/RuO_(2)＞PA/nafion＞PA의 순으로 관찰된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

ACP/PA hybrid electrodes for surpercapacitors were fabricated by adsorption of aniline monomers on the surface of activated carbon powders(ACP) and their polymerization by using a chemical method. Their capacitance performances were investigated in the 1 M H_(2)SO_(4) aqueous electrolyte solution by means of cyclic voltammetry and impedance spectroscopy. The cyclic voltammetric results showed that the ACP/PA electrodes gave an increased specific capacitance value of 273 F/g, which was larger than the capacitance of the ACP, approximately 193 F/g. However, impedance spectroscopic data showed better response time and higher frequency capacitance performance in ACP than ACP/PAn electrodes. This result means that the redox reaction of PA is rate-determined step and can not contribute for charge storage at high frequency range over 1 Hz.
Carbon/Nafion/RuO_(2) composite electrode were prepared by cyclic voltammetry method. The carbon/Nafion/RuO_(2) electrodes showed a specific capacitance value of 513 F/g in the 1 M H_(2)SO_(4) electrolyte in the scan rate 100 mV/s, which value was larger than the capacitances of 418 F/g for RuO_(2) electrode. The carbon/Nafion/ RuO_(2) electrodes showed a specific capacitance value of 456 F/g in the 1 M H_(2)SO_(4) electrolyte in the scan rate 2000 mV/s, which value was larger than the capacitances of 207 F/g for RuO_(2) electrode. specific capacitance values according to scan rates were observed in the order of carbon/Nafion/RuO_(2)＞RuO_(2)
PA/Nafion/RuO_(2) composite electrode were prepared for supercapacitor application. sulfonate anions in Nafion can stablize radical cations of polyaniline by forming complex to protect the redox sites for repetitive redox process. RuO_(2) improved capacity performance in the composite electrode. cycle life of the composite electrode was observed in the order of PA/Nafion/RuO_(2)＞PA/Nafion＞PA. specific capacitance values according to scan rates were observed in the order of PA/Nafion/RuO_(2)＞PA/Nafion＞PA

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• List of Figures = ⅲ
• 국문요약 = ⅴ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구배경 = 1
• 2. 초고용량 캐패시터 = 2
• Ⅱ. 실험 = 7
• 1. ACP/PA복합전극 = 7
• 1.1 Polyaniline의 화학적 합성 = 7
• 1.2 ACP/PA복합전극의 제조 = 7
• 1.3 ACP/PA복합전극의 전기화학적 특성 측정 = 7
• 2. Carbon/Nafion/RuO_(2) 복합전극 = 8
• 2.1 RuO_(2)의 전기적합성 = 8
• 2.2 Carbon/Nafion/RuO_(2) 복합전극의 제조 = 8
• 2.3 Carbon/Nafion/RuO_(2)전극의 전기화학적 특성 측정 = 8
• 2.4 Carbon/Nafion/RuO_(2) 전극의 표면및단면관찰 = 9
• 3. PA/Nafion/RuO_(2)복합전극 = 11
• 3.1 RuO_(2)의 전기적합성 = 11
• 3.2 Polyaniline Emeraldinebase(EB)form, Emeraldinesalt(ES)form의 화학적합성 = 11
• 3.3 PA/Nafion/RuO_(2)복합전극의 제조 = 11
• 3.4 PA/Nafion/RuO_(2)전극의 전기화학적 특성 측정 = 12
• 3.5 PA/Nafion/RuO_(2)전극의 표면관찰 = 12
• Ⅲ. 결과 및 고찰 = 15
• 1. ACP/PA 복합전극 = 15
• 1.1 복합전극과 단일전극의 전기화학적 특성 결과 = 15
• 1.2 복합전극과 단일전극의 표면 관찰 결과 = 16
• 2. Carbon/Nafion/RuO_(2) 복합전극 = 23
• 2.1 복합전극과 단일전극의 전기화학적 특성결과 = 23
• 2.2 복합전극과 단일전극의 단면과 표면 관찰 결과 = 26
• 3. PA/Nafion/RuO_(2) 복합전극 = 30
• 3.1 복합전극과 단일전극의 용량 특성 결과 = 30
• 3.2 복합 전극의 반응 mechanism과 그에 따른 결과 = 33
• 3.3 복합전극과 단일전극의 전기화학적 안정성 측정결과 = 35
• 3.4 복합전극과 단일 전극의 임피던스 측정 및 표면 측정 = 38
• Ⅳ. 결론 = 42
• Ⅴ. 참고문헌 = 44
• ABSTRACT = 46