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수열합성법을 이용한 망간 나노와이어 제조 및 이의 전기화학적 특성 연구
Synthesis of MnO2 Nanowires by Hydrothermal Method and their Electrochemical Characteristics 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.6, 2016년, pp.653 - 658  

홍석복 (강원대학교 화학공학과) ,  강온유 (강원대학교 화학공학과) ,  황성연 (한국화학연구원) ,  허영민 (SKC 첨단기술중앙연구소) ,  김정원 (강원대학교 화학공학과) ,  최봉길 (강원대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 1차원의 $MnO_2$ nanowire를 $KMnO_4$$MnSO_4$ 전구체 혼합물의 수열합성법(hydrothermal method)을 사용하여 제조할 수 있는 합성법을 개발하였다. 제조된 $MnO_2$ nanowire는 전기화학 반응 동안 전자와 이온전달을 용이하게 할 수 있는 넓은 비표면적과 기공구조를 나타내었다. MnO2 nanowire의 미세구조 및 화학구조를 주사형 전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM), 광전자분석기(XPS), X-ray 회절분석법(XRD), 비표면적분석장비(BET)를 사용하여 분석하였다. 본 $MnO_2$ nanowire 전극의 전기화학적 특성은 순환전압전류법(cyclic voltammetry)과 정전류 충전-방전법(galvanostatic charge-discharge)을 사용하여 3상 전극 시스템(three-electrode system)에서 분석하였다. $MnO_2$ nanowire 전극은 높은 비정전용량(129 F/g), 고속 충방전(61% retention), 반 영구적인 수명특성(100%)을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this work, we developed a synthetic method for preparing one-dimensional $MnO_2$ nanowires through a hydrothermal method using a mixture of $KMnO_4$ and $MnSO_4$ precursors. As-prepared $MnO_2$ nanowires had a high surface area and porous structure, whi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 균일한 결정상의 MnO2 nanowire를 MnSO4와 KMnO4 전구체 혼합물의 수열합성법(hydrothermal method)을 사용하여 제조할 수 있는 합성법을 개발하였다. 상기 제조된 MnO2 nanowire 전극은 넓은 비표면적, 효과적이고 빠른 전자 및 이온전달, 우수한 전기화학적 특성을 나타내었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
배터리의 특징은? 또한 전자기기 및 전기 자동차 수요가 급증함에 따라 배터리 (batteries), 연료전지(fuel cells) 및 슈퍼커패시터(supercapacitors) 등의 상용화가 가능한 에너지 소자개발에 더욱 박차를 가하고 있다[1-5]. 배터리는 에너지 저장 시스템의 대표적인 물질이면서 에너지 저장 밀도가 굉장히 높은 반면에, 리튬 이온이 산화/환원 반응을 거치면서 화학반응을 함에 따라 전극끼리 맞닿거나 분리 막에 문제가 생기면 폭발의 위험성이 있다[6]. 연료전지(fuel cell) 같은 경우는 에너지 전환 시스템의 대표적인 분야로써 수소 및 산소 가스를 쓰기 때문에 폭발의 위험성과 부피가 너무 커서 에너지 시스템의 상용화로는 현재 한계점을 보이고 있다[7].
탄소계열의 전극소재가 지닌 한계점은? 이러한 탄소계열의 전극소재들은 높은 출력밀도, 고속 충⋅방전, 반영구적 충⋅방전특성 등의 특성을 지니고 있다[13]. 하지만, 상대적으로 배터리보다 낮은 에너지 밀도를 가짐으로써 에너지 저장 시스템으로는 한계성이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 의사커패시터(pseudocapacitors)가 동시에 개발되고 있다[14,15].
연료전지의 특징은 무엇인가? 배터리는 에너지 저장 시스템의 대표적인 물질이면서 에너지 저장 밀도가 굉장히 높은 반면에, 리튬 이온이 산화/환원 반응을 거치면서 화학반응을 함에 따라 전극끼리 맞닿거나 분리 막에 문제가 생기면 폭발의 위험성이 있다[6]. 연료전지(fuel cell) 같은 경우는 에너지 전환 시스템의 대표적인 분야로써 수소 및 산소 가스를 쓰기 때문에 폭발의 위험성과 부피가 너무 커서 에너지 시스템의 상용화로는 현재 한계점을 보이고 있다[7]. 슈퍼캐패시터는 배터리와는 달리 화학반응 없이 전극과 전해질 계면의 전하 전체를 물리적으로 축전하는 방법을 사용 하고 있어 높은 출력 밀도, 긴 수명 및 충/방전 시간 조절이 가능한 장점을 지니고 있다[8,9].
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참고문헌 (31)

  1. A. Sternberg and A. Bardow, Power-to-What? - Environmental assessment of energy storage systems, Energy Environ. Sci., 8, 389-400 (2015). 

  2. G. Jeong, Y.-U. Kim, H. Kim, Y.-J. Kim, and H.-J. Sohn, Prospective materials and applications for Li secondary batteries, Energy Environ. Sci., 4, 1986-2002 (2011). 

  3. F. D. Bruijn, The current status of fuel cell technology for mobile and stationary applications, Green Chem., 7, 132-150 (2005). 

  4. Z. Yu, L. Tetard, L. Zhai, and J. Thomas, Supercapacitor electrode materials: nanostructures from 0 to 3 dimensions, Energy Environ. Sci., 8, 702-730 (2015). 

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  6. H. Lee, M. Yanilmaz, O. Toprakci, K. Fu, and X. Zhang, A review of recent developments in membrane separators for rechargeable lithium-ion batteries, Energy Environ. Sci., 7, 3857-3886 (2014). 

  7. S. P. Jiang, Functionalized mesoporous structured inorganic materials as high temperature proton exchange membranes for fuel cells, J. Mater. Chem. A, 2, 7637-7655 (2014). 

  8. M. Beidaghi and Y. Gogotsi, Capacitive energy storage in micro- scale devices: recent advances in design and fabrication of micro- supercapacitors, Energy Environ Sci., 7, 867-884 (2014). 

  9. Y. Zheng, Y. Yang, S. Chen, and Q. Yuan, Smart, stretchable and wearable supercapacitors: prospects and challenges, Cryst. Eng. Comm., 18, 4218-4235 (2016). 

  10. C. Lei, N. Amini, F. Markoulidis, P. Wilson, S. Tennison, and C. Lekakou, Activated carbon from phenolic resin with controlled mesoporosity for an electric double-layer capacitor (EDLC), J. Mater. Chem. A, 1, 6037-6042 (2013). 

  11. G. H. Jeong, I. Lee, J.-G. Kang, H. Lee, S. Yoon, and S.-W. Kim, Mesoporous hollow carbons on graphene and their electrochemical properties, RSC Adv., 5, 73119-73125 (2015). 

  12. E. Senokos, V. Reguero, J. Palma, J. J. Vilatela, and R. Marcilla, Macroscopic fibers of CNTs as electrodes for multifunctional electric double layer capacitors: from quantum capacitance to device performance, Nanoscale, 8, 3620-3628 (2016). 

  13. B. Hsia, M. S. Kim, C. Carraro, and R. Maboudian, Cycling characteristics of high energy density, electrochemically activated porous- carbon supercapacitor electrodes in aqueous electrolytes, J. Mater. Chem. A, 1 10518-10523 (2013). 

  14. K. Makgopa, P. M. Ejikeme, C. J. Jafta, K. Raju, M. Zeiger, V. Presser, and K. I. Ozoemena, A high-rate aqueous symmetric pseudocapacitor based on highly graphitized onion-like carbon/birnessitetype manganese oxide nanohybrids, J. Mater. Chem. A, 3, 3480-3490 (2015). 

  15. M. Yang, S. B. Hong, and B. G. Choi, Hierarchical core/shell structure of $MnO_2$ @polyaniline composites grown on carbon fiber paper for application in pseudocapacitors, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 29874-29879 (2015). 

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  27. A. M. Toufiq, F. Wang, Q.-U. A. Javed, and Q. Li, Y. Li, Hydrothermal synthesis of $MnO_2$ nanowires: structural characterizations, optical and magnetic properties, Appl. Phys. A, 116, 1127-1132 (2014). 

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  29. X. Zhang, W. Yang, J. Yang, and D. G. Evans, Synthesis and characterization of ${\alpha}-MnO_2$ nanowires: Self-assembly and phase transformation to ${\beta}-MnO_2$ microcrystals, J. Cryst. Growth, 310, 716-722 (2008). 

  30. C.-L. Ho and M.-S. Wu, Manganese oxide nanowires grown on ordered macroporous conductive nickel scaffold for high- performance supercapacitors, J. Phys. Chem. C, 115, 22068-22074 (2011). 

  31. M. Yang, S. B. Hong, and B. G. Choi, Hierarchical $MnO_2$ nanosheet arrays of carbon fiber for high-performance pseudocapacitors, J. Electroanal. Chem., 759, 95-100 (2015). 

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