[논문]백금 나노입자 전착의 전기화학적 분석

이혜민; 조성운; 김준현; 김창구

doi:10.9713/kcer.2015.53.5.540

백금 나노입자 전착의 전기화학적 분석
Electrochemical Analysis of the Electrodeposition of Platinum Nanoparticles 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.53 no.5, 2015년, pp.540 - 544

이혜민 (아주대학교 화학공학과, 에너지시스템학과) , 조성운 (아주대학교 화학공학과, 에너지시스템학과) , 김준현 (아주대학교 화학공학과, 에너지시스템학과) , 김창구 (아주대학교 화학공학과, 에너지시스템학과)

초록
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나노입자를 기판 위에 직접 부착시키는 방법인 전착(electrodeposition)을 이용하여 저가의 그라파이트(graphite) 기판 위에 백금 나노입자를 직접 부착시킬 수 있는 전착 욕(bath)을 개발하였고, 백금 나노입자 전착반응의 전기화학적인 특성을 분석하였다. 백금 나노입자 전착의 분극 거동 분석을 통하여 반응메카니즘을 파악하였고, 순환전위측정(cyclic voltammetry)을 통하여 백금 나노입자 전착에서는 물질전달이 속도결정단계임을 확인하였다. 또한 시간대전류법(chronoamperometry)으로 분석한 백금 나노입자 전착의 전류밀도 변화 양상은 백금 나노입자의 결정핵 생성 메카니즘이 instantaneous로 판명되었다. 그라파이트는 다른 탄소계열 기판에 비하여 매우 저가이기 때문에 그라파이트 기판 위에 백금 나노입자를 직접 부착시키는 기술은 산업적으로 유용할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A bath for electrodeposition of platinum nanoparitcles on low-cost graphite substrates was developed to attach nanoparticles directly onto a substrate, and electrochemical characteristics of the electrodeposition of platinum nanoparticles were investigated. The reaction mechanism was examined by the analysis of polarization behavior. Cyclic voltammetry measurements revealed that the elecrodeposition of platinum nanoparticles was limited by mass transfer. The chronoamperometric study showed an instantaneous nucleation mechanism during the electrodeposition of platinum nanoparticles on graphite. Because graphite is much cheaper than other carbon-based substrates, the electrodeposition of platinum nanoparticles on the graphite is expected to have useful applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 탄소 기판 중에서 가장 저가인 normal graphite를 사용하여 백금 나노입자를 전착하고 전착반응의 전기 화학적인 특성을 살펴보았다. 백금 나노입자 전착 시 분극 거동, 순환전위측정, 시간 대전류측정을 통하여 백금 나노입자 전착의 반응 메카니즘과 결정핵 생성 메카니즘을 규명하였다.

가설 설정

(a) Cyclic voltammograms of an aqueous electrolyte containing 10 mM of H₂PtCl₆ and 10 mM of TSC on a graphite disk electrode at various scan rates. (b) A plot of peak current density with respect to square root of scan rate to check whether diffusion is a rate-limiting step.

제안 방법

H₂PtCl₆을 전구체로 사용하여 정전위법으로 백금 나노입자를 graphite 기판 위에 전착하고, 전착반응의 전기화학적인 특성을 분석하였다. 백금 나노입자 전착의 분극 거동 분석 결과, Feltham과 Spiro가 제안한 백금의 세 단계 환원과정이 확인되었고 백금 전착에 필요한 충분한 환원전위는 -0.
시간대전류법으로 백금 나노입자 전착의 전류밀도 변화 양상을 파악한 결과 백금 나노입자의 결정핵 생성은 instantaneous 메카니즘을 잘 따름을 확인하였다. SEM 측정을 통하여 백금 나노입자는 100 nm 정도의 크기로 뭉치지 않고 비교적 넓게 분포되어 전착되었음이 관측되었고, 이 또한 백금 나노입자의 결정핵 생성이 instantaneous 메카니즘을 따름을 뒷받침해주었다.
백금 나노입자 전착 시 분극 거동, 순환전위측정, 시간 대전류측정을 통하여 백금 나노입자 전착의 반응 메카니즘과 결정핵 생성 메카니즘을 규명하였다. 또한 SEM(scanning electron microscope) 분석을 통하여 전착된 백금 나노입자의 형상도 확인하였다.
본 연구에서는 탄소 기판 중에서 가장 저가인 normal graphite를 사용하여 백금 나노입자를 전착하고 전착반응의 전기 화학적인 특성을 살펴보았다. 백금 나노입자 전착 시 분극 거동, 순환전위측정, 시간 대전류측정을 통하여 백금 나노입자 전착의 반응 메카니즘과 결정핵 생성 메카니즘을 규명하였다. 또한 SEM(scanning electron microscope) 분석을 통하여 전착된 백금 나노입자의 형상도 확인하였다.
백금 나노입자의 전착과 전기화학분석은 일정전위기(potentiostat, VSP-Princeton Applied Research)에 연결된 표준 삼전극 셀을 이용하여 수행되었다. 기준전극(reference electrode)으로는 saturated Ag/AgCl 전극을, 대전극(counter electrode)으로는 백금으로 코팅된 티타늄(Ti) 망(mesh)을 이용하였다.
세척한 graphite rod는 70 ^oC의 오븐에 24시간 건조시켰다. 백금 나노입자의 표면 형상은 field emission-scanning electron microscope(FE-SEM, Hitachi, S-4800)로 관찰하였다.
실험 전에 4000 등급의 SiC 페이퍼와 1μm Alumina suspension을 이용하여 디스크 면을 단계적으로 연마하여 가급적 평탄한 graphite 면이 되도록 하였다.
백금 나노입자를 전착하기 위해서는 전착에 필요한 환원전위를 알아야 한다. 환원전위는 순환전위측정(cyclic voltammetry)을 시행하여 산화/환원 전류의 피크해석을 통해 결정하였다. Fig.

대상 데이터

백금 나노입자의 전착과 전기화학분석은 일정전위기(potentiostat, VSP-Princeton Applied Research)에 연결된 표준 삼전극 셀을 이용하여 수행되었다. 기준전극(reference electrode)으로는 saturated Ag/AgCl 전극을, 대전극(counter electrode)으로는 백금으로 코팅된 티타늄(Ti) 망(mesh)을 이용하였다. 작업전극(working electrode)은 지름이 6 mm인 99.
백금의 전구체로서 10 mM의 H2PtCl6(chloroplatinic acid)이 사용되었으며, 10 mM의 HOC(COONa)(CH2COONa)2·2H2O (tri-sodium citrate, TSC)가 착이온 형성물질 (complexing agent)로 사용되었다.
기준전극(reference electrode)으로는 saturated Ag/AgCl 전극을, 대전극(counter electrode)으로는 백금으로 코팅된 티타늄(Ti) 망(mesh)을 이용하였다. 작업전극(working electrode)은 지름이 6 mm인 99.995%의 graphite rod를 사용하였다. Graphite rod는 바닥의 디스크(disk)만 노출되도록 rod의 옆면은 에나멜을 칠해 전착 반응이 일어나지 않도록 하였다.

이론/모형

지금까지 문헌에 보고된 백금 나노입자의 전착은 주로 고가의 기판을 이용하여 수행되었다. Lu와 Zangari는 highly oriented pyrolytic graphite(HOPG)를 기판으로 사용하여 백금 나노입자를 순환전위측정법(cyclic voltammetry method)으로 전착시켰다[2,3]. Duarte 등은 glassy carbon(GC), carbon fiber, carbon fiber cloth를 작업전극으로 사용하여 전착하였으며[4], Guo와 Li는 single wall nanotube(SWNT) 위에 동전위법(potentiodynamic method)을 이용하여 전착하였다[15].
정전위법(potentiostatic method)으로 백금 나노입자를 graphite 기판 위에 전착하였다. 이 때 사용된 graphite는 rod 형태의 graphite 이었고, 노출된 면적은 0.

성능/효과

을 전구체로 사용하여 정전위법으로 백금 나노입자를 graphite 기판 위에 전착하고, 전착반응의 전기화학적인 특성을 분석하였다. 백금 나노입자 전착의 분극 거동 분석 결과, Feltham과 Spiro가 제안한 백금의 세 단계 환원과정이 확인되었고 백금 전착에 필요한 충분한 환원전위는 -0.35 V로 결정되었다. 주사속도를 달리하여 수행된 순환전위측정 그래프의 피크전류 밀도와 주사속도의 제곱근은 선형으로 비례하였고, 이는 백금 나노입자의 전착에서는 물질전달이 속도결정단계임을 의미하였다.
주사속도를 달리하여 수행된 순환전위측정 그래프의 피크전류 밀도와 주사속도의 제곱근은 선형으로 비례하였고, 이는 백금 나노입자의 전착에서는 물질전달이 속도결정단계임을 의미하였다. 시간대전류법으로 백금 나노입자 전착의 전류밀도 변화 양상을 파악한 결과 백금 나노입자의 결정핵 생성은 instantaneous 메카니즘을 잘 따름을 확인하였다. SEM 측정을 통하여 백금 나노입자는 100 nm 정도의 크기로 뭉치지 않고 비교적 넓게 분포되어 전착되었음이 관측되었고, 이 또한 백금 나노입자의 결정핵 생성이 instantaneous 메카니즘을 따름을 뒷받침해주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노입자를 반응의 매개체로 사용할 경우 장점은 무엇인가?	나노입자(nanoparticle)는 표면적 대 부피의 비율이 매우 커서 반응의 매개체로 사용될 경우 반응속도를 높일 수 있는 장점이 있고, 입자 표면구조의 특이함으로 인하여 독특한 표면반응을 나타낸다. 이러한 과립(granule) 형태의 나노입자에 대한 연구는 1960년대에 시작된 이래 지속적으로 발전해왔다[1].
	전착은 어떤 방법인가?	나노입자를 기판 위에 직접 부착시키는 방법인 전착(electrodeposition)을 이용하여 저가의 그라파이트(graphite) 기판 위에 백금 나노입자를 직접 부착시킬 수 있는 전착 욕(bath)을 개발하였고, 백금 나노입자 전착반응의 전기화학적인 특성을 분석하였다. 백금 나노입자 전착의 분극 거동 분석을 통하여 반응메카니즘을 파악하였고, 순환전위측정(cyclic voltammetry)을 통하여 백금 나노입자 전착에서는 물질전달이 속도결정단계임을 확인하였다.
	졸-겔(sol-gel)법과 화학적 환원 (chemical reduction)법은 각각 어떤 방법인가?	지금까지 백금 나노입자는 주로 졸-겔(sol-gel)법과 화학적 환원 (chemical reduction)법에 의하여 제조되어 왔다[13,14]. 졸-겔 방법은 백금 나노입자의 전구체로부터 콜로이드 용액을 만들고 이 콜로이드 입자로부터 나노입자를 얻는 방식이다. 또한 화학적 환원법은 백금이온이 들어있는 용액에 환원제를 첨가하여 백금이온이 환원되면서 동시에 결정으로 성장되는 방법이다.

참고문헌 (18)

Abeles, B., Sheng, P., Coutts, M. D. and Arie, Y., "Structural and Electrical Properties of Granular Metal Films," Adv. Phys., 24, 407-461(1975).

상세보기
Lu, G. and Zangari, G., "Electrodeposition of Platinum on Highly Oriented Pyrolytic Graphite. Part I: Electrochemical Characterization," J. Phys. Chem. B, 109, 7998-8007(2005).

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Lu, G. and Zangari, G., "Electrodeposition of Platinum Nanoparticles on Highly Oriented PyroliticGraphite Part II: Morphological Characterization by Atomic Force Microscopy," Electrochim. Acta, 51, 2531-2538(2006).

상세보기
Duarte, M. M. E., Pilla, A. S., Sieben, J. M. and Mayer, C. E., "Platinum Particles Electrodeposition on Carbon Substrates," Electrochem. Commun., 8, 159-164(2006).

상세보기
Tsai, M.-C.,Yeh, T.-K. and Tsai, C.-H., "An Improved EelectrodepositionTechnique for Preparing Platinum and Platinum-Ruthenium Nanoparticles on Carbon Nanotubes Directly Grown on Carbon Cloth for Methanol Oxidation," Electrochem. Commun., 8, 1445-1452(2006).

상세보기
El-Deab, M. S. and Ohsaka, T., "Electrocatalysis by Nanoparticles: Oxygen Reduction on Gold Nanoparticles-Electrodeposited Platinum Electrodes," J. Electroanal. Chem., 553, 107-115(2003).

상세보기
Naohara, H., Ye, S. and Uosaki, K., "Electrocatalytic Reactivity for Oxygen Reduction at Epitaxially Grown Pd Thin Layers of Various Thickness on Au(111) and Au(100)," Electrochim. Acta, 45, 3305-3309(2000).

상세보기
Kim, K. M., Kang, K.-Y., Choi, M. G., and Lee, Y.-G., "Anode Properties of Sn-Ni Nanoparticle Composites for Rechargeable Lithium Batteries," Korean Chem. Eng. Res., 49, 846-850(2011).

원문보기 상세보기
Bae, E., Park, H. J., Yoon, J., Kim, Y., Choi, K. and Yi, J., "Bacterial uptake of Silver Nanoparticles in the Presence of Humic Acid and $AgNO_3$ ," Korean J. Chem. Eng., 28, 267-271(2011).

상세보기
Guo, L., Liang, H., Xu, T., Li, C., Meng, Q., Liu, H. and Huang, Y., "A Facile Approach to Preparing Palladium Nanoparticlesembedded Polyvinylpyrrolidone (PVP) Heterogeneous Hybrid Nanofibers Mats by Electrospinning," Korean J. Chem. Eng., 30, 2142-2150(2013).

상세보기
Wu, G., Li, L. and Xu, B.-Q., "Effect of Electrochemical Polarization of PtRu/C Catalysts on Methanol Electrooxidation," Electrochim. Acta, 50, 1-10(2004).

상세보기
Oliveira, R. T. S., Santos, M. C., Marcussi, B. G., Nascente, P. A. P., Bulhoes, L. O. S. and Pereira, E. C., "The Use of a Metallic Bilayer for the Oxidation of Small Organic Molecules," J. Electroanal. Chem., 575, 177-182(2005).

상세보기
Pingarron, J. M., Yanez-Sedeno, P. and Gonzalez-Cortes, A., "Gold Nanoparticle-Based Electrochemical Biosensors," Electrochim. Acta, 53, 5848-5866(2008).

상세보기
Ramirez, E., Erades, L., Philippot, K., Lecante, P. and Chaudret, B., "Shape Control of Platinum Nanoparticles," Adv. Funct. Mater., 17, 2219-2228(2007).

상세보기
Guo, D.-J. and Li, H.-L., "High Dispersion and Electrocatalytic Properties of Pt Nanoparticles on SWNT Bundles," J. Electroanal. Chem., 573, 197-202(2004).

상세보기
Feltham, A. M. and Spiro, M., "Platinized Platinum Electrodes," Chem. Rev., 71, 177-193(1971).

상세보기
Bard, A. J. and Faulkner, L.R., Electrochemical. Methods: Fundametals and Applications, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., Hobeken, NJ(2001).
Scharifker, B. and Hills, G., "Theoretical and Experimental Studies of Multiple Nucleation," Electrochim. Acta, 28, 879-889(1983).

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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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