본 연구에서는 $MnO_2$ 나노입자들이 기능화된 그래핀에 증착된 나노복합체를 제조하고 이의 우수한 전기화학적 특성을 순환전압전류법, 정전류 충전-방전법 및 임피던스 분석을 통하여 증명하였다. 환원된 그래핀 산화물의 표면 개질을 위하여 이온성 액체를 도입함으로써, 그래핀 시트들 간의 뭉침현상을 제어하고 $MnO_2$ 나노입자들의 성장부위를 제공하였다. 상기 제조된 $MnO_2/RGO$ 나노복합체는 전자주사현미경, 투과전자현미경, X선 광전자 분광기, X선 회절기를 사용하여 분석하였다. $MnO_2/RGO$ 전극의 전기화학적 특성은 $Na_2SO_4$전해액을 사용하여 3상 전극 시스템 하에서 분석실시하였다. $MnO_2/RGO$ 전극은 높은 비정전용량(251 F/g), 고속 충방전(80.5% 용량 유지율) 및 장수명 특성(93.6% 용량 유지율)을 나타내었다.
본 연구에서는 $MnO_2$ 나노입자들이 기능화된 그래핀에 증착된 나노복합체를 제조하고 이의 우수한 전기화학적 특성을 순환전압전류법, 정전류 충전-방전법 및 임피던스 분석을 통하여 증명하였다. 환원된 그래핀 산화물의 표면 개질을 위하여 이온성 액체를 도입함으로써, 그래핀 시트들 간의 뭉침현상을 제어하고 $MnO_2$ 나노입자들의 성장부위를 제공하였다. 상기 제조된 $MnO_2/RGO$ 나노복합체는 전자주사현미경, 투과전자현미경, X선 광전자 분광기, X선 회절기를 사용하여 분석하였다. $MnO_2/RGO$ 전극의 전기화학적 특성은 $Na_2SO_4$ 전해액을 사용하여 3상 전극 시스템 하에서 분석실시하였다. $MnO_2/RGO$ 전극은 높은 비정전용량(251 F/g), 고속 충방전(80.5% 용량 유지율) 및 장수명 특성(93.6% 용량 유지율)을 나타내었다.
In this report, $MnO_2$ nanoparticle-deposited functionalized graphene sheets were prepared and their superior electrochemical performances were demonstrated by cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and impedance analysis. Ionic liquids were employed to functionalize the sur...
In this report, $MnO_2$ nanoparticle-deposited functionalized graphene sheets were prepared and their superior electrochemical performances were demonstrated by cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and impedance analysis. Ionic liquids were employed to functionalize the surface of reduced graphene oxides (RGOs), leading to prevention of the aggregation of RGO sheets and abundant growth sites for deposition of $MnO_2$ nanoparticles. As-prepared $MnO_2/RGO$ nanocomposites were characterized using scanning electron microscope, transition electron microscope, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction. Electrochemical properties of $MnO_2/RGO$ electrode were evaluated using $Na_2SO_4$ electrolyte under a three-electrode system. The $MnO_2/RGO$ electrode showed a high specific capacitance (251 F/g), a high rate capability (80.5% retention), and long-term stability (93.6% retention).
In this report, $MnO_2$ nanoparticle-deposited functionalized graphene sheets were prepared and their superior electrochemical performances were demonstrated by cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and impedance analysis. Ionic liquids were employed to functionalize the surface of reduced graphene oxides (RGOs), leading to prevention of the aggregation of RGO sheets and abundant growth sites for deposition of $MnO_2$ nanoparticles. As-prepared $MnO_2/RGO$ nanocomposites were characterized using scanning electron microscope, transition electron microscope, X-ray photoelectron spectroscopy, and X-ray diffraction. Electrochemical properties of $MnO_2/RGO$ electrode were evaluated using $Na_2SO_4$ electrolyte under a three-electrode system. The $MnO_2/RGO$ electrode showed a high specific capacitance (251 F/g), a high rate capability (80.5% retention), and long-term stability (93.6% retention).
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
망간산화물 기반의 전극은 망간산화물의 기공구조, 크기, 형태 및 구조 등에 의해서 많은 영향을 받는다[24]. 본 연구에서는 이온성 액체에 의해서 기능화된 그래핀 소재를 도입함으로써 무정형의 MnO2 나노입자 제조가 가능하였고 그래핀의 넓은 비표면적과 높은 전기전도도에 의해서 우수한 전기화학적 성능을 도출할 수 있었다.
가설 설정
(a) CV curves of RGO and MnO2/RGO. (b) CV curves of MnO2/RGO measured at different scan rates of 25-500 mV/s. The electrolyte solution is 1 M Na2SO2.
제안 방법
특히 이온성 액체를 사용하여 그래핀 표면을 기능화하여 MnO2 나노입자들이 고르게 성장할 수 있도록 유도하였다. MnO2/RGO 나노복합체는 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용하여 여러 전기화학 분석을 통하여 그 특성을 분석하였다. MnO2/RGO 전극은 1 A/g의 전류 밀도에서 가장 높은 251 F/g의 정전용량을 얻었으며 15 A/g의 높은 전류 밀도에서도 80.
이온성 액체에 의해서 RGO 시트들 간의 뭉침(aggregation)현상이 제어 되어 RGO의 비표면적을 크게 향상 시켰을 뿐만 아니라 MnO2 나노입자들이 용이하게 성장될 수 있도록 하였다. MnO2/RGO 나노복합체는 전극활물질로 사용하여 황산나트륨(Na2SO4)용액 전해질 기반에서 전기화학적 특성을 살펴보았다.
MnO2/RGO 전극의 우수한 전기화학적 특성 원인을 분석하기 위하여 impedance를 측정하였다. 측정 실험은 10 mHz~100 kHz의 주파수 범위에서 이루어졌다.
전기화학적 특성은 3상 전극 시스템 하에서 VersaSTAT 4 (Princeton Applied Research) 장비를 사용하였다. MnO2/RGO를 전극활물질로 사용하여 활물질과 도전재(Super-P), 바인더(polytetrafluoroethylene)의 중량비가 80 : 10 : 10으로 혼합한 것을 사용하여 Ti foil 집전체(current collector) 표면 위에 압착하였다. 전해질로는 1M Na2SO4 용액을 사용하였다.
, JEM-2100F)로 분석하였고, 표면 화학구조를 분석하기 위하여 X선 광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Thermo MultiLab2000)를 사용하였다. 결정구조 분석을 위해 X선 회절분석기(X-ray diffraction (XRD), Bruker-D-5005)를 사용하였다.
본 연구에서는 나노 크기 수준의 망간산화물 입자들이 이온성 액체로 기능화된 그래핀 표면 위에 합성된 나노복합체를 제조하였다. 그래핀 산화물(graphene oxide, GO)을 이용한 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, RGO)로의 환원 반응 시 이온성 액체를 도입하여 RGO 표면을 기능화 시켰다. 이온성 액체에 의해서 RGO 시트들 간의 뭉침(aggregation)현상이 제어 되어 RGO의 비표면적을 크게 향상 시켰을 뿐만 아니라 MnO2 나노입자들이 용이하게 성장될 수 있도록 하였다.
상대전극으로 백금전극과 Ag/AgCl (3M KCl)을 기준전극으로 사용하였다. 다양한 주사속도에서 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 사용하여 MnO2/RGO의 전기화학적 특성을 관찰하였으며, 슈퍼커패시터용 성능을 측정하기 위하여 0~1.0 V의 전압 범위에서 다양한 전류밀도로 충방전 특성을 측정하였다. 전극의 계면 저항은 VersaSTAT 4 장비를 사용하여 10 mHz~100 kHz의 주파수범위에서 측정하였다.
측정 실험은 10 mHz~100 kHz의 주파수 범위에서 이루어졌다. 벌크 형태의 MnO2 전극의 impedance를 측정하여 MnO2/RGO 전극과 비교해 보았다. Figure 6에 나타내었듯이 MnO2/RGO 전극이 MnO2 전극에 비해서 계면 저항이 크게 감소하였음을 확인할 수 있었으며 낮은 주파수범위에서 MnO2/RGO 전극에서 이온 확산이 더 용이하게 일어남을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 EDLC용 그래핀 소재와 PC용 MnO2 소재를 혼합하여 MnO2/RGO 나노복합체를 제조한 후, 이의 전기화학적 특성을 분석하였다. 특히 이온성 액체를 사용하여 그래핀 표면을 기능화하여 MnO2 나노입자들이 고르게 성장할 수 있도록 유도하였다.
그래핀 산화물(graphene oxide, GO)을 이용한 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, RGO)로의 환원 반응 시 이온성 액체를 도입하여 RGO 표면을 기능화 시켰다. 이온성 액체에 의해서 RGO 시트들 간의 뭉침(aggregation)현상이 제어 되어 RGO의 비표면적을 크게 향상 시켰을 뿐만 아니라 MnO2 나노입자들이 용이하게 성장될 수 있도록 하였다. MnO2/RGO 나노복합체는 전극활물질로 사용하여 황산나트륨(Na2SO4)용액 전해질 기반에서 전기화학적 특성을 살펴보았다.
0 V의 전압 범위에서 다양한 전류밀도로 충방전 특성을 측정하였다. 전극의 계면 저항은 VersaSTAT 4 장비를 사용하여 10 mHz~100 kHz의 주파수범위에서 측정하였다.
제조된 MnO2/RGO 시료의 표면 특성에 대하여 알아보고자 X선 광전자 분광기를 사용하여 표면 분석을 수행하였다. Inset of Figure 2는 MnO2/RGO의 표면 구성 원소들을 나타내고 있다.
제조된 샘플의 표면 특성과 미세구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(scanning electron microscope (SEM), Hitachi, S-4800)과 투과전자현미경(transmission electron microscopy (TEM), JEOL Ltd., JEM-2100F)로 분석하였고, 표면 화학구조를 분석하기 위하여 X선 광전자분광기(X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Thermo MultiLab2000)를 사용하였다. 결정구조 분석을 위해 X선 회절분석기(X-ray diffraction (XRD), Bruker-D-5005)를 사용하였다.
용액 전해질을 사용하여 3상 전극계에서 측정하였다. 측정 전압범위는 0.0~1.0 V이며 주사속도를 각각 25, 50, 100, 200, 300, 400, 500 mV/s로 설정하여 측정하였다. Figure 3(a)는 전형적인 RGO와 MnO2/RGO 전극의 CV 곡선을 나타내고 있다.
/RGO 나노복합체를 제조한 후, 이의 전기화학적 특성을 분석하였다. 특히 이온성 액체를 사용하여 그래핀 표면을 기능화하여 MnO2 나노입자들이 고르게 성장할 수 있도록 유도하였다. MnO2/RGO 나노복합체는 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용하여 여러 전기화학 분석을 통하여 그 특성을 분석하였다.
대상 데이터
본 실험에서는 기능화된 그래핀 소재를 제조하기 위하여 SigmaAldrich에서 제조된 흑연(powder, < 20 µm)을 사용하였고, 이온성 액체(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)는 (주)씨트리에서 제조된 시약을 사용하였다. 망간산화물 전구체는 Sigma-Aldrich에서 제조된 potassium permanganate (KMnO4)가 사용되었다.
본 실험에서는 기능화된 그래핀 소재를 제조하기 위하여 SigmaAldrich에서 제조된 흑연(powder, < 20 µm)을 사용하였고, 이온성 액체(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)는 (주)씨트리에서 제조된 시약을 사용하였다.
본 연구에서는 나노 크기 수준의 망간산화물 입자들이 이온성 액체로 기능화된 그래핀 표면 위에 합성된 나노복합체를 제조하였다. 그래핀 산화물(graphene oxide, GO)을 이용한 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, RGO)로의 환원 반응 시 이온성 액체를 도입하여 RGO 표면을 기능화 시켰다.
전해질로는 1M Na2SO4 용액을 사용하였다. 상대전극으로 백금전극과 Ag/AgCl (3M KCl)을 기준전극으로 사용하였다. 다양한 주사속도에서 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 사용하여 MnO2/RGO의 전기화학적 특성을 관찰하였으며, 슈퍼커패시터용 성능을 측정하기 위하여 0~1.
MnO2/RGO를 전극활물질로 사용하여 활물질과 도전재(Super-P), 바인더(polytetrafluoroethylene)의 중량비가 80 : 10 : 10으로 혼합한 것을 사용하여 Ti foil 집전체(current collector) 표면 위에 압착하였다. 전해질로는 1M Na2SO4 용액을 사용하였다. 상대전극으로 백금전극과 Ag/AgCl (3M KCl)을 기준전극으로 사용하였다.
처리된 시료는 60 ℃ 오븐에서 24 h 동안 건조하였다. 제조된 샘플은 MnO2/RGO로 명명하였다.
이론/모형
MnO2/RGO의 전기화학적 특성 평가를 위하여 순환전압전류법을 1M Na2SO4 용액 전해질을 사용하여 3상 전극계에서 측정하였다. 측정 전압범위는 0.
RGO의 기능화를 위하여 먼저 GO가 Hummers 방법에 의하여 제조되었다[21]. 상기 제조된 GO (10 mg)는 1 h 동안 초음파(Fisher Scientific model 500 ultrasonic, 50/60 Hz, 350 W) 처리하여 수용액(10 mL) 상에서 분산시켰다.
전기화학적 특성은 3상 전극 시스템 하에서 VersaSTAT 4 (Princeton Applied Research) 장비를 사용하였다. MnO2/RGO를 전극활물질로 사용하여 활물질과 도전재(Super-P), 바인더(polytetrafluoroethylene)의 중량비가 80 : 10 : 10으로 혼합한 것을 사용하여 Ti foil 집전체(current collector) 표면 위에 압착하였다.
성능/효과
Inset of Figure 2는 MnO2/RGO의 표면 구성 원소들을 나타내고 있다. C 1s와 O 1s의 피크들을 통하여 RGO 존재와 Mn 3s, Mn 2p, Mn 2s 피크들 통하여 MnO2의 존재를 확인함으로써 MnO2/RGO 나노복합체 형태를 확인할 수 있었다. XRD 분석 결과는 Figure 2에 나타냈듯이 MnO2 나노입자는 무정형(amorphous)의 비결정 구조를 나타내었다.
6%의 매우 높은 용량 유지율을 나타내었다. MnO2 나노입자와 기능화된 그래핀의 나노복합체 전극이 슈퍼커패시터로의 응용에서 이온 및 전기전도도를 향상시킴으로써 정전용량, 충방전 효율, 장수명 특성 등의 전기화학적 특성을 개선할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
MnO2/RGO 나노복합체는 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용하여 여러 전기화학 분석을 통하여 그 특성을 분석하였다. MnO2/RGO 전극은 1 A/g의 전류 밀도에서 가장 높은 251 F/g의 정전용량을 얻었으며 15 A/g의 높은 전류 밀도에서도 80.5%의 용량 유지율을 보임으로써 고속 충방전 특성을 확인하였다. 또한 1000 cycle 동안의 충전-방전 실험에서 93.
이 데이터는 1 A/g의 일정한 전류 밀도에서 충전-방전을 1000 cycle 동안 반복하면서 방전 용량을 계산한 값들이다. MnO2/RGO 전극의 용량 유지율은 93.6%로 매우 안정적인 장수명 특성을 나타내었다. 망간산화물 기반의 전극은 망간산화물의 기공구조, 크기, 형태 및 구조 등에 의해서 많은 영향을 받는다[24].
Figure 3(a)는 전형적인 RGO와 MnO2/RGO 전극의 CV 곡선을 나타내고 있다. 두 전극의 CV 곡선이 사각형에 가까운 곡선 모양을 나타내었으며 이는 이상적인 전하 저장 메커니즘 거동임을 확인하였다. MnO2의 정전용량은 Mn4+/Mn3+의 산화/환원 반응에 기인하며 전해액 내의 Na+이온과 아래와 같은 반응이 일어난다[7].
또한 1000 cycle 동안의 충전-방전 실험에서 93.6%의 매우 높은 용량 유지율을 나타내었다.
Figure 4(b)는 계산된 방전용량을 전류밀도에 따라서 도시화하였다. 전류 밀도가 증가함에 따라서 MnO2/RGO 전극의 정전용량이 소폭 감소함을 관찰하였다. 이는 높은 전류 밀도에서 전해액 이온들의 침투가 전극 내로 이동함에 있어서 용이하지 않을 것으로 판단된다.
MnO2/RGO 전극의 CV 면적이 RGO 전극의 CV 면적보다 더 넓다는 것을 관찰하였으며 이는 MnO2/RGO 전극이 더 높은 정전용량을 가지기 때문이다. 주사 속도를 25 mV/s에서 500 mV/s로 증가시킴에 따라서 CV 곡선변화를 관찰한 결과 산화/환원 전류밀도가 증가하면서 곡선모양이 유지됨을 확인하였다. 이는 MnO2/RGO 전극이 빠른 충방전 속도에서도 정전용량을 유지할 수 있음을 의미한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
슈퍼커패시터의 특징은?
최근에는 정전용량이 매우 높은 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 울트라커패시터(ultracapacitor)가 주목받기 시작했다[4,5]. 슈퍼커패시터는 전극과 전해질 계면에서의 이온흡착이나 전기화학적 반응에 의해 에너지를 저장하는 장치로서 기존 리튬이온 이차전지에 비해서 높은 출력 밀도를 나타낼 뿐만 아니라 높은 충방전 효율 및 반영구적인 수명특성 등의 장점을 지니고 있다[4,5].
리튬이온 이차전지의 특징은?
현재 가장 활발하게 연구가 진행 중인 리튬이온 이차전지(lithium ion batteries)를 비롯한 에너지 저장소자들이 개발되고 있으며 에너지 산업 분야로의 응용이 늘어나고 있다[1-3]. 리튬이온 이차전지는 높은 에너지 밀도 특성을 갖지만 낮은 출력 밀도로 인해 이의 응용분야가 제한되고 있다. 최근에는 정전용량이 매우 높은 슈퍼커패시터(supercapacitor) 또는 울트라커패시터(ultracapacitor)가 주목받기 시작했다[4,5].
전기이중층 커패시터의 탄소 전극 소재 원료는 무엇을 중심으로 제조되고 있는가?
EDLC는 이온들의 흡착⋅탈착 반응을 이용하는 에너지 저장 장치로서 주로 기공이 잘 발달된 활성탄이나 탄소계 소재를 이용한 전극물질을 사용하고 있다. 현재 상용 제품의 탄소 전극 소재는 목재, 야자수 및 석유계 피치 또는 코크스 등과 같은 저가 원료를 중심으로 제조되고 있다[8]. EDLC의 성능을 향상시키기 위하여 균일한 미세 기공 구조를 형성하고 순도를 높일 수 있는 다양한 방법들이 시도되고 있다.
참고문헌 (24)
J. Yan, Q. Wang, T. Wei, and Z. Fan, Recent advances in design and fabrication of electrochemical supercapacitors with high energy densities, Adv. Energy Mater., 4, 1300816-1300859 (2014).
J.-M. Jeong, K. G. Lee, S.-J. Chang, J. W. Kim, Y.-K. Han, S. J. Lee, and B. G. Choi, Ultrathin sandwich-like $MoS_2$ @N-doped carbon nanosheets for anodes of lithium ion batteries, Nanoscale, 7, 324-329 (2015).
J.-K. Sun, E.-H. Um, and C.-T. Lee, Electrochemical characteristics of the activated carbon electrode modified with the microwave radiation in the electric double layer capacitor, Appl. Chem. Eng., 21, 11-17 (2010).
R.-G. Oh, J.-E. Hong, W.-G. Yang, and K.-S. Ryu, Study of lithium ion capacitors using carbonaceous electrode utilized for anode in lithium ion batteries, Appl. Chem. Eng., 24, 489-548 (2013).
J. W. Lim, E. Jeong, M. J. Jung, S. I. Lee, and Y.-S. Lee, Preparation and electrochemical characterization of activated carbon electrode by amino-fluorination, Appl. Chem. Eng., 22, 405-410 (2011).
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).
K. Naoi, S. Ishimoto, J.-I. Miyamoto, and W. Naoi, Second generation 'nanohybrid supercapacitor': evolution of capacitive energy storage devices, Energy Environ. Sci., 5, 9363-9373 (2012).
M. Acerce, D. Voiry, and M. Chhowalla, Metallic 1T phase $MoS_2$ nanosheets as supercapacitor electrode materials. Nat. Nanotechnol., 10, 313-318 (2015).
V. Augustyn, P. Simon, and B. Dunn, Pseudocapacitive oxide materials for high-rate electrochemical energy storage, Energy Environ. Sci., 7, 1597-1614 (2014).
X. Zhao, B. M. Sanchez, P. J. Dobson, and P. S. Gran, The role of nanomaterials in redox-based supercapacitors for next generation energy storage devices, Nanoscale, 3, 839-855 (2011).
B. G. Choi, M. Yang, W. H. Hong, J. W. Choi, and Y. S. Huh, 3D macroporous graphene frameworks for supercapacitors with high energy and power densities, ACS Nano, 6, 4020-4028 (2012).
M. Yang, K. G. Lee, S. J. Lee, S. B. Lee, Y.-K. Han, and B. G. Choi, Three-dimensional expanded graphene-metal oxide film via solid-state microwave irradiation for aqueous asymmetric supercapacitors, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 22364-22371 (2015).
S. Ye, J. Feng, and P. Wu, Deposition of three-dimensional graphene aerogel on nickel foam as a binder-free supercapacitor electrode, ACS Appl. Mater. Interfaces, 5, 7122-7129 (2013).
W. Chen, R. B. Rakhi, L. Hu, X. Xie, Y. Cui, and H. N. Alshareef, High-performance nanostructured supercapacitors on a sponge, Nano. Lett., 11, 5165-5172 (2011).
B. G. Choi and H. S. Park, Controlling size, amount, and crystalline structure of nanoparticles deposited on graphenes for highly efficient energy conversion and storage, ChemSusChem., 5, 709-715 (2012).
B. G. Choi, H. Park, T. J. Park, M. H. Yang, J. S. Kim, S.-Y. Jang, N. S. Heo, S. Y. Lee, J. Kong, and W. H. Hong, Solution chemistry of self-assembled graphene nanohybrids for high-performance flexible biosensors, ACS Nano, 4, 2910-2918 (2010).
W. Wei, X. Cui, W. Chen, and D. G. Ivey, Mananese oxide-based materials as electrochemical supercapacitor electrodes, Chem. Soc. Rev., 40, 1697-1721 (2011).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.