[논문]향상된 에너지 저장 능력을 가진 이중 전이금속 황화물 계층적 중공 구조의 나노구

이영훈; 최형욱; 김민섭; 정동인; 강봉균; 윤대호

doi:10.6111/jkcgct.2018.28.3.112

향상된 에너지 저장 능력을 가진 이중 전이금속 황화물 계층적 중공 구조의 나노구
Binary transition metal sulfides hierarchical multi-shelled hollow nanospheres with enhanced energy storage performance 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.28 no.3, 2018년, pp.112 - 117

이영훈 (성균관대학교 신소재공학과) , 최형욱 (성균관대학교 성균나노과학기술원) , 김민섭 (성균관대학교 신소재공학과) , 정동인 (성균관대학교 신소재공학과) , (성균관대학교 신소재공학과) , 강봉균 (전자부품연구원) , 윤대호 (성균관대학교 신소재공학과)

초록
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금속 알콕사이드인 CuCo-glycerate 나노구의 용매열합성 과정을 통해 단분산된 Cu-Co 이중 금속 황화물 계층적 중공 구조의 나노구($CuCo_2S_4$ HMHNSs)를 합성하는데 성공하였다. 이 반응 메커니즘에서 용매열합성 온도와 보조 계면활성제인 glycerol의 양은 CuCo-glycerate 나노구의 형태를 최적화하는데 중요한 역할을 한다. 또한 $CuCo_2S_4$ HMHNSs는 glycerate와 황 이온 간의 음이온 교환 반응을 통해 10시간의 최적화된 황화 반응 조건하에서 성공적으로 합성되었다. 최종적으로 합성된 물질의 구조적, 화학적 특성은 SEM, TEM, XRD와 전기화학적 특성 평가에 의해 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The metal alkoxide, CuCo-glycerate nanospheres (NSs), were successfully synthesized as Cu-Co bimetallic sulfides hierarchical multi-shelled hollow nanospheres ($CuCo_2S_4$ HMHNSs) through solvothermal synthesis. In this reaction mechanism, the solvothermal temperature and the amount of glycerol as a cosurfactant play significant role to optimize the morphology of CuCo-glycerate NSs. Furthermore, $CuCo_2S_4$ HMHNSs were obtained under optimized sulfurization reaction time of 10 h via anion exchange reaction between glycerate and sulfur ions. Finally, the structural and chemical compositions of CuCo-glycerate NSs and $CuCo_2S_4$ HMHNSs were confirmed through field emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscope (TEM), X-ray diffraction (XRD) and electrochemical performances.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전이금속 황화물을 이용하여 다중 쉘구조를 만듦으로써 표면적을 극대화시키고, 이로 인해 슈퍼 캐패시터의 성능을 향상시키는데 목적을 두었다. 균일하고 단분산된 CuCo-glycerate 나노구를 합성하기 위해 용매열합성 온도와 glycerol의 양을 조절함으로써 최적조건을 도출해냈으며, 이는 SEM과 TEM, XRD 분석 결과를 통해 입증되었다.

제안 방법

본 연구에서 우리는 손쉽고 선택적인 구조 제어가 가능한 용매열합성 방법을 사용하여 단분산된 형태의 CuCoglycerate 나노 구를 성공적으로 합성하였으며, 용매열합성 온도 및 보조 계면활성제인 glycerol의 양을 조절하여 공정 최적 조건을 도출하였다. 또한, 물질 간의 확산속도 차이를 이용한 음이온 교환 법칙인 KirKendall 효과에 의해 CuCo-glycerate NSs로부터 CuCo₂S₄ HMHNSs를 합성한 후, 이를 슈퍼 캐패시터의 활성 전극 물질로 적용하여 전기화학적 특성 평가를 진행하였다[11].
본 연구에서 우리는 손쉽고 선택적인 구조 제어가 가능한 용매열합성 방법을 사용하여 단분산된 형태의 CuCoglycerate 나노 구를 성공적으로 합성하였으며, 용매열합성 온도 및 보조 계면활성제인 glycerol의 양을 조절하여 공정 최적 조건을 도출하였다. 또한, 물질 간의 확산속도 차이를 이용한 음이온 교환 법칙인 KirKendall 효과에 의해 CuCo-glycerate NSs로부터 CuCo₂S₄ HMHNSs를 합성한 후, 이를 슈퍼 캐패시터의 활성 전극 물질로 적용하여 전기화학적 특성 평가를 진행하였다[11].

대상 데이터

Copper(II) nitrate trihydrate(puriss. p.a., 99~104 %,(Cu(NO₃)₂ · 6H₂O, Sigma-Aldrich, USA) 0.125 mmol,Cobalt(II) nitrate hexahydrate(ACS reagent, ≥ 98 %,Co(NO₃)₂ · 6H₂O, Sigma-Aldrich, USA) 0.25 mmol를 glycerol(99.0 %(GC), C₃H₈O₃, SAMCHUN, Korea) 8 ml 와 2-propanol(anhydrous, 99.5 %, (CH₃)₂CHOH, SigmaAldrich, USA) 40 ml가 담긴 용액에 첨가한 후, 상온에서 1시간 동안 교반한다. 고온/고압 하에서 핵 생성 및 성장을 진행하기 위해 Teflon-lined stainless-steel autoclave에 옮겨 담은 후, 전기로(Box furnace)를 이용하여 분당 2^oC의 승온 속도로 150^oC에서 3시간 동안 용매열합성 공정을 진행한다.
반응이 끝난 반응물은 원심분리기를 이용하여 에탄올로 5번 세척한 후, 60^oC 오븐에서 12시간 동안 건조시키면 단분산되고 균일한 구 모양의 CuCoglycerate 전구체를 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 CuCoglycerate 전구체 30 mg와 thioacetamide(ACS, 99 %,CH₃CSNH₂, Alfa Aesar, USA) 0.5 mmol을 20 ml의 에탄올에 첨가한 후, 상온에서 1시간 동안 교반한다. 용액의 색이 검은색으로 바뀐 후, 위에서 언급한 용매열합성공정을 다시 한번 160^oC에서 10시간 동안 진행하면 계층적 다층 구조의 CuCo₂S₄ 나노구를 얻을 수 있다.

성능/효과

3 %의 높은 정전 용량 보유율을 보였다. 이 결과를 통해 CuCo₂S₄ HMHNSs의 이웃하는 껍질 사이의 공극 및 공간은 사이클 시험 중 전극의 파손을 방지하는 완충제로서 효과적으로 작용하며 이로써 전극 물질이 우수한 사이클 안정성을 나타냄을 보여준다[20].
1(e)는 10 ml의 glycerol을 첨가하여 합성한 나노구로 단분산은 잘 이루어졌지만, 과도한 glycerol의 양에 의해 크기가 작은 구들도 형성이 되어 균일도가 떨어지는 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과를 통해서 우리는 용매열합성 온도와 glycerol의 양이 각각 150^oC와 8 ml인 최적 조건 하에서 단분산되고 균일한 구형의 CuCo-glycerate 전구체를 얻을 수 있었다. 1(f)의 Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDX) 분석을 통해 CuCo-glycerate의 구성 원소인 Cu, Co, C, O가 각각 11.

후속연구

3 %)을나타내었다. 고성능의 비표면적이 큰 CuCo₂S₄ HMHNSs전극 물질은 차세대 에너지 저장 소자로서 활용도가 높을 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슈퍼 캐패시터의 장점은 무엇인가?	최근 에너지 저장 소자 중 하나인 슈퍼 캐패시터는 과도한 에너지 소비와 이로 인해발생되는 화석 연료의 고갈 문제를 해결하기 위한 대안으로 등장하면서 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1, 2]. 또한, 슈퍼 캐패시터는 현재 널리 사용되고 있는 배터리에 비해 보다 높은 출력 밀도를 가질 뿐만 아니라 빠른 충 · 방전 속도 및 높은 효율, 반영구적인 사이클 수명 등의 장점을 가지기 때문에 차세대 에너지 저장장치로써 각광받고 있다[3, 4]. 그러나, 슈퍼 캐패시터는 비교적 낮은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 산업에 적용하는데 있어 한계점을 가지고 있다[5].
	비교적 낮은 에너지 밀도를 가지고 있는 슈퍼 캐패시터의 문제점을 해결하기 위해 전극 물질이 가져야 할 필수조건은 무엇인가?	그러나, 슈퍼 캐패시터는 비교적 낮은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 산업에 적용하는데 있어 한계점을 가지고 있다[5]. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 전극 물질이 가져야 할 필수조건으로는 값싸고 매장량이 풍부하며, 환경 친화적이어야 하고 높은 전기전도도와 캐패시턴스 값을 가져야 한다. 또한, 반응속도가 빠르고 안정성이 뛰어나야 한다. 이러한 필수요소들은 우수한 성능의 전극 물질 개발 및 물질의 구조 제어를 통해 실현될 수 있다.
	3차원 중공 나노구조체가 에너지 저장 분야에서 연구가 활발하게 진행되는 이유는 무엇인가?	최근에 다층의 3차원 중공 나노구조체는 체적 대비 비표면적 비율이 높고, 열 팽창 계수가 낮기 때문에 에너지 저장 분야에서 연구가 활발하게 진행되고 있다[8]. 특히 슈퍼 캐패시터의 활성 전극의 경우, 전극 물질이 구조 제어를 통해서 다층의 3차원 중공 나노구조체를 형성한다면 풍부한 전자 활성 사이트 및 Faradaic 산화 환원 반응에 필요한 전하 캐리어의 확산 경로가 감소하게 된다.

참고문헌 (20)

L. Yu, B. Guan, W. Xiao and X. W. (David) Lou, "Formation of Yolk-Shelled Ni-Co mixed oxide nanoprisms with enhanced electrochemical performance for hybrid supercapacitors and lithium ion batteries", Adv. Energy Mater. 5 (2015) 1500981.

상세보기
Y. Zhu, X. Ji, H. Chen, L. Xi, W. Gong and Y. Liu, "The investigation of the electrochemically supercapacitive performances of mesoporous $CuCo_2S_4$ ", RSC Adv. 6 (2016) 84236.

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L. Shen, J. Wang, G. Xu, H. Li, H. Dou and X. Zhang, " $NiCo_2S_4$ nanosheets grown on nitrogen-doped carbon foams as an advanced electrode for supercapacitors", Adv. Energy Mater. 5 (2015) 1400977.

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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 (2014) 1300816.

상세보기
W. Chen, C. Xia and H.N. Alshareef, "One-step electrodeposited nickel cobalt sulfide nanosheet arrays for high-performance asymmetric supercapacitors", ACS nano 8 (2014) 9531.

상세보기
Y. Gao, L. Mi, W. Wei, S. Cui, Z. Zheng, H. Hou and W. Chen, "Double metal ions synergistic effect in hierarchical multiple sulfide microflowers for enhanced supercapacitor performance", ACS Appl. Mater. Interfaces 7 (2015) 4311.

상세보기
A. Pramanik, S. Maiti, M. Sreemany and S. Mahanty, "Carbon doped MnCo2S4 microcubes grown on ni foam as high energy density faradaic electrode", Electrochimica Acta 213 (2016) 672.

상세보기
M. Jabbari, S. Sohrabpour and M.R. Eslami, "Mechanical and thermal stresses in a functionally graded hollow cylinder due to radially symmetric loads", International Journal of Pressure Vessels and Piping 79 (2002) 493.

상세보기
W. Xiong, Z. Wang, J. Zhang, C. Shang, M. Yang, L. He and Z. Lu, "Hierarchical ball-in-ball structured nitrogen- doped carbon microspheres as high performance anode for sodium-ion batteries", Energy Storage Materials 7 (2017) 229.

상세보기
P. Zhang, B.Y. Guan, L. Yu and X.W. (David) Lou, "Formation of double-shelled zinc-cobalt sulfide dodecahedral cages from bimetallic zeolitic imidazolate frameworks for hybrid supercapacitors", Chem. Int. Ed. 56 (2017) 7141.

상세보기
Y. Yin, R.M. Rioux, C.K. Erdonmez, S. Hughes, G.A. Somorjai and A.P. Alivisatos, "Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale kirkendall effect", Science 304 (2004) 711.

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E. Mendelovici, R. Villalba and A. sagarzazu, "Synthesis and characteristics of Fe-Mn glycerate (alkoxides), new precursors of ferrite structures", J. Mater. Sci. Lett. 9 (1990) 28.

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S.D. Seul, J.K. Lim, J.M. Lim, J.B. Kwon and N.W. Lee, "A study on the environmental fraternized preparation of inorganic/organic core-shell binder", Journal of the KIIS 19 (2004) 81.
S. Yang, X. Zhou, J. Zhang and Z. Liu, "Morphology-controlled solvothermal synthesis of $LiFePO_4$ as a cathode material for lithium-ion batteries", J. Mater. Chem. 20 (2010) 8086.

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N.J. Kale and L.V. Allen Jr., "Studies on microemulsions using Brij 96 as surfactant and glycerin, ethylene glycol and propylene glycol as cosurfactants", Int. J. Pharm. 57 (1989) 87.

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J.Y. Kim, S.B. Yoon, M.H. Lee, Y.J. Park, W.H. Kim and K.Y. Jee, "The role of di(2-ethylhexyl)phosphoric acid as a cosurfactant on the morphology control of mesoporous silica microspheres", J. Nanosci. Nanotechnol. 7 (2007) 3862.

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J. Zhao, Y.C. Zou, X.X. Zou, T.Y. Bai, Y.P. Liu, R.Q. Gao, D.J. Wang and G.D. Li, "Self-template construction of hollow $Co_3O_4$ microspheres from porous ultrathin nanosheets and efficient noble metal-free water oxidation catalysts", Nanoscale 6 (2014) 7255.

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J. Zhu, S.C. Tang, J. Wu, X. Shi, B. Zhu and X.K. Meng, "Wearable high-performance supercapacitors based on silver-sputtered textiles with $FeCo_2S_4$ - $NiCo_2S_4$ composite nanotube-built multitripod architectures as advanced flexible electrodes", Adv. Energy Mater. 7 (2017) 1601234.

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X.B. Liu, Z. Wu and Y.H. Yin, "Hierarchical NiCo2S4@PANI core/shell nanowires grown on carbon fiber with enhanced electrochemical performance for hybrid supercapacitors", Chem. Eng. J. 323 (2017) 330.

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F.D. Yu, L.F. Que, Z.B. Wang, Y. Xue, Y. Zhang, B.S. Liu and D.M. Gu, "Controllable synthesis of hierarchical ball-in-ball hollow microspheres for a high performance layered Li-rich oxide cathode material", J. Mater. Chem. A 5 (2017) 9365.

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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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