[논문]전기화학적 석출을 통해 ITO 표면에 형성한 덴드라이트 백금 구조의 전기화학적 촉매 활성

최수희; 최강희; 김종원

doi:10.5229/jkes.2014.17.4.209

전기화학적 석출을 통해 ITO 표면에 형성한 덴드라이트 백금 구조의 전기화학적 촉매 활성
Electrocatalytic Activity of Dendritic Platinum Structures Electrodeposited on ITO Electrode Surfaces 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.17 no.4, 2014년, pp.209 - 215

최수희 (충북대학교 화학과) , 최강희 (충북대학교 화학과) , 김종원 (충북대학교 화학과)

초록
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전기화학적 석출 방법을 이용하여 indium tin oxide 표면에 백금 나노구조를 형성하고 총 석출전하량을 조절하여 형성되는 나노구조의 변화에 따른 전기화학적 메탄올 산화 반응과 산소 환원반응에 대한 촉매 활성의 변화를 관찰하였다. 석출 전하량의 변화에 따라 생성되는 백금 나노구조체 표면의 특성을 주사 전자 현미경, 전기화학적 표면적 측정, X-선 회절법, 일산화탄소 벗김분석을 통해 규명하고 전기화학적 촉매 활성과의 연계성을 조사하였다. 전기화학적 촉매 활성은 형성된 백금 나노구조에 따라 달라지는데, 석출 전하량 $0.45C\;cm^{-2}$에 해당하는 백금 나노구조에서 가장 우수한 촉매 활성이 관찰되었다. 전하량에 따른 표면적의 변화보다 형성된 구조적 특이성과 결정면이 촉매 활성에 많은 영향을 미쳤다. 세밀한 백금 나노구조의 변화에 따른 전기화학적 촉매 활성 변화에 관한 본 연구결과는 보다 우수한 촉매 시스템을 고안하는 연구에 도움이 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

We report on the electrocatalytic activities at Pt nanostructure surfaces electrodeposited with different deposition charges on indium tin oxide electrodes for oxygen reduction and methanol oxidation reactions. The surface properties of Pt nanostructures depending on deposition charges were characterized by scanning electron microscopy, electrochemical surface area measurement, X-ray diffraction, and CO stripping analysis, which were correlated to the electrocatalytic activities. Pt nanostructures with deposition charge of 0.03 C exhibited the highest electrocatalytic activity for oxygen reduction and methanol oxidation. The sharp sites of Pt nanostructure and the presence of highly active facet play a key role, whereas the electrochemical surface area does not significantly affect the electrocatalytic activity. The results obtained in this work with regard to the dependence of electrocatalytic activity on the variation of the Pt nanostructures will give insights into the development of advanced electrocatalytic systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전기화학적 석출 방법을 통하여 ITO 표면에 형성한 Pt 나노구조체에 대하여 석출 전하량의 조절에 따라 형성되는 Pt 나노구조의 변화에 따른 메탄올 산화 반응과 산소 환원 반응의 전기화학적 촉매 활성을 관찰하였다. Pt 나노구조의 촉매 활성은 뾰족한 구조가 잘 정의되는 석출 전하량 0.
전기화학적 석출에 의해 형성된 Pt 나노구조의 전기화학적 표면적(electrochemical surface area, ESA) 을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. Fig.

가설 설정

Scan rate = 50 mV/s. (B) Dependence of anodic peak potential as a function of the deposition charge.

제안 방법

ITO 전극은 에탄올, 아세톤, 2-프로판올, 증류수의 순서로 총 4단계에 걸쳐 각 각 10분씩 세척한 후 내경 2.9 mm 의 오링으로 작업 전극 표면을 국한하였다. 본 논문에서 보고하는 전류 밀도값( j )은 측정된 전류를 전극의 기하학적 면적으로 나누어 준 값이다.
Pt 선과 Ag/AgCl 전극 (3 M NaCl)을 각 각 보조 전극과 기준 전극으로 사용하였다. LEO 1530 장방출 주사 전자 현미경(FESEM, Carl Zeiss) 을 사용하여 형성된 나노 구조의 표면을 관찰하였다. X-선 회절분석기는 D8 Discover with GADDS (Bruker AXS) 를 사용하였다.
Pt 나노구조는 5 mM K2PtCl4이 포함된 0.1 M 황산 용액을 이용하여 ITO 전극에 −0.2 V vs. Ag/AgCl (3 M) 의 일정 전위를 가하여 석출하였다.
2(B)에서는 Pt 나노구조의 ESA가 석출 전하량에 따라 변화하는 양상을 보여주고 있다. Pt 나노구조의 ESA를 전극의 기하학적 면적으로 나누어 표면적 변화의 비교가 용이하도록 하였다. 석출 전하량의 증가에 따라 0.
다양한 Pt 나노구조의 ESA는 수소가 흡착되는 전하량을 210 µC/cm2으로 나누어 주어 계산하였다.
메탄올 산화 반응에 있어 Pt 촉매 활성에 영향을 미치는 일산화탄소 벗김에 대한 실험을 수행하였다. 0.
따라서 Pt 나노구조체의 세밀한 구조 변화에 따라 전기화학적 촉매 활성이 어떻게 달라지는지에 대한 정보는 알려주지 못하고 있다. 본 연구에서는 indium tinoxide (ITO) 유리 기판 위에 전기화학적 석출 방법을 이용하여 Pt 나노구조를 형성하였다. 석출 전하량에 따른 Pt 나노구조의 변화를 관찰하고 형성된 구조의 변화에 따라 전기화학적 메탄올 산화와 산소 환원 과정에의 촉매 활성이 어떤 변화를 보이는지 비교 분석하였다.
본 연구에서는 indium tinoxide (ITO) 유리 기판 위에 전기화학적 석출 방법을 이용하여 Pt 나노구조를 형성하였다. 석출 전하량에 따른 Pt 나노구조의 변화를 관찰하고 형성된 구조의 변화에 따라 전기화학적 메탄올 산화와 산소 환원 과정에의 촉매 활성이 어떤 변화를 보이는지 비교 분석하였다.
1 M 황산 용액을 지지전해질로 사용하였다. 질소 가스를 용액에 5분간 불어넣어 산소를 제거 한 후 전기화학 실험을 수행하였다. 산소 환원 반응 실험 시에는 직전에 지지전해질에 산소 가스를 5분간 불어넣어 주었다.

대상 데이터

2 MΩ·cm)로 제조하였다. K₂PtCl₄는 Alfa Aesar에서 구입하였으며, 메탄올과 황산은 Merck에서 구입하여 사용하였다. 0.
기판으로 사용한 ITO는 코닝 정밀 소재에서 구입하였다. Pt 막대 (지름 2 mm) 전극은 CH Instrument에서 구입하였다. Pt 선과 Ag/AgCl 전극 (3 M NaCl)을 각 각 보조 전극과 기준 전극으로 사용하였다.
Pt 막대 전극은 알루미나 가루를 사용하여 큰 입자 사이즈에서 작은 입자 사이즈(0.05 µm)의 순서로 microcloth (Buehler) 패드에서 연마 후 실험에 사용하였다.
Pt 막대 (지름 2 mm) 전극은 CH Instrument에서 구입하였다. Pt 선과 Ag/AgCl 전극 (3 M NaCl)을 각 각 보조 전극과 기준 전극으로 사용하였다. LEO 1530 장방출 주사 전자 현미경(FESEM, Carl Zeiss) 을 사용하여 형성된 나노 구조의 표면을 관찰하였다.
LEO 1530 장방출 주사 전자 현미경(FESEM, Carl Zeiss) 을 사용하여 형성된 나노 구조의 표면을 관찰하였다. X-선 회절분석기는 D8 Discover with GADDS (Bruker AXS) 를 사용하였다.
전기화학 측정은 CHI 400A (CH Instrument)를 사용하였다. 기판으로 사용한 ITO는 코닝 정밀 소재에서 구입하였다. Pt 막대 (지름 2 mm) 전극은 CH Instrument에서 구입하였다.
산소 환원 반응 실험 시에는 직전에 지지전해질에 산소 가스를 5분간 불어넣어 주었다. 전기화학 측정은 CHI 400A (CH Instrument)를 사용하였다. 기판으로 사용한 ITO는 코닝 정밀 소재에서 구입하였다.

성능/효과

0.45 C cm−2의 Pt 나노구조에서의 메탄올 산화 반응은 선행 연구에 비해 봉우리의 전위는 양의 전위 영역에서 나타났으며 봉우리 전류 역시 선행 연구보다 크게 나타나 본 연구의 Pt 나노구조체의 촉매 활성이 뛰어남을 확인하였다.
45 C cm⁻²의 Pt 나노구조에서의 메탄올 산화 반응은 선행 연구에 비해 봉우리의 전위는 양의 전위 영역에서 나타났으며 봉우리 전류 역시 선행 연구보다 크게 나타나 본 연구의 Pt 나노구조체의 촉매 활성이 뛰어남을 확인하였다.^5,9) 전하량의 증가에 따라 메탄올 산화 반응의 봉우리 전위에는 큰 변화가 없지만, 산화 봉우리 전류는 증가하는 경향을 보인다. 전하량의 변화에 따른 메탄올 산화 반응의 촉매 활성 경향성을 비교하기 용이하도록 산화 봉우리 전류의 크기와 석출 전하량과의 관계를 Fig.
Pt 나노구조가 전극 표면에 전체적으로 형성되어야 크게 나타났던 메탄올 산화 반응에의 촉매 활성과는 다르게, 전체 표면을 덮지 않은 0.15 C cm−2의 전하량으로 형성된 Pt 나노구조에서의 벗겨짐 봉우리 전위가 크게 음의 영역으로 이동한 것을 관찰할 수 있다.
평평한 Pt 전극보다 음의 전위 영역에서 나타나는 결과를 통해서 0.45 C cm−2의 나노구조가 일산화탄소 벗겨짐이 잘 일어나는 구조임을 확인할 수 있다.

후속연구

형성된 Pt 나노구조에 따른 표면적의 변화는 촉매 활성에 있어 일정 전하량 이상에서는 크게 기여하지 않았다. Pt 나노구조의 촉매 활성은 형성된 구조의 구조적 특성과 표면 특성에 따라 달라지는 것을 감안할 때, 본 연구를 통해 얻어진 세밀한 Pt 구조변화에 따른 전기화학적 촉매 활성 변화에 관한 내용은 보다 우수한 촉매 시스템을 고안하는 연구에 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 화학 실험을 수행할 때 사용한 증류수는?	모든 용액은 3차 증류수 (Milli-Q, 18.2 MΩ·cm)로 제조하였다.
	백금(Pt)은 어디에 응용가능성이 있는가?	백금(Pt)은 촉매와 연료전지, 바이오센서 등의 분야에서 다양한 응용가능성을 가지고 있는 금속이다.1-3) 전기화학 반응 중에서 Pt는 연료전지의 중요한 반응인 산소 환원 반응과 메탄올 산화 반응의 촉매로서 많은 연구가 진행되고 있다.
	K2PtCl4는 어디서 구입했는가?	2 MΩ·cm)로 제조하였다. K2PtCl4는 Alfa Aesar에서 구입하였으며, 메탄올과 황산은 Merck에서 구입하여 사용하였다. 0.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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