초록 ▼

연구의 목적 및 내용
나노포러스 계면에서의 전기화학 반응에 대하여 심층적으로 접근한다. 표면적 증대라는 단순 개념에서 탈피하여 나노다공 환경에 놓인 반응 분자가 접하게 되는 삼차원 구조 자체의 입체적 기여를 전기화학 반응 변화의 새로운 변수로 제시한다. 동공의 크기와 구조를 실험적으로 정밀 제어하여 정량적 상관관계를 규명하고, 시뮬레이션을 비롯한 이론적 접근을 병행하여 나노 동공 내부에서의 확산, 전극표면에서의 동력학적 속도론적 측면에서 나노포러스 구조의 효과를 근본적으로 이해한다. 독창적인 라만분광법을 적용하여 나노포러스 계

연구의 목적 및 내용
나노포러스 계면에서의 전기화학 반응에 대하여 심층적으로 접근한다. 표면적 증대라는 단순 개념에서 탈피하여 나노다공 환경에 놓인 반응 분자가 접하게 되는 삼차원 구조 자체의 입체적 기여를 전기화학 반응 변화의 새로운 변수로 제시한다. 동공의 크기와 구조를 실험적으로 정밀 제어하여 정량적 상관관계를 규명하고, 시뮬레이션을 비롯한 이론적 접근을 병행하여 나노 동공 내부에서의 확산, 전극표면에서의 동력학적 속도론적 측면에서 나노포러스 구조의 효과를 근본적으로 이해한다. 독창적인 라만분광법을 적용하여 나노포러스 계면에서 일어나는 전기화학 반응의 중간체를 모니터링한다. 이러한 근본적 이해를 기반으로 바이오센서, 유기물 연료전지 등 응용 가능성을 탐색한다.
연구결과
1. 나노포러스 구조 효과 연구: 포러스 알루미나 표면에 원자층 수준으로 루데늄을 증착시켜 다양한 나노동공지름을 가지는 일차원적인 나노포러스 루데늄 전극을 제작했다. 산소환원 반응을 측정한 결과, 나노포러스 루데늄이 평활 루데늄보다 낮은 전위에서 더 큰 환원 전류가 흐름을 확인 했다. 루데늄 증착 두께를 다르게 하여 나노동공 지름에 따른 전류변화를 측정하려했으나 증착재
현성이 좋지 않아 구조 효과를 체계적으로 증명하는데 한계를 보였다. Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 포러스 구조의 곡률이 기체 분자의 흡착량에 큰 영향을 미친다는 것을 확인했다. 오목한 부분이 많을수록 흡착량은 증가했으며, 구조에 의한 기체분자의 흡착량은 외부 기체 압력이 커질수록 감소한다는 것을 확인했다.
2. 비귀금속으로 이루어진 나노포러스 전극 개발: 계면활성제 Brij56을 이용하여 나노포러스 니켈을 제작하여 표면적이 약 100배 증가함을 확인했다. 과산화수소 산화반응을 측정하여 구조적 효과의 가능성을 확인했다. 또한 계면활성제 템플릿과 백금 치환방법을 이용해 백금이 바깥 원자층에만 존재하는 나노포러스 구리를 제작했다. 하지만 구리산화막이 쉽게 생겨 표면적이 8배 커짐을
확인했다.
3. 나노구조를 기반으로 한 라만 연구: 금 나노입자용액의 저장기간을 조절하여 라만 활성이 최대로 큰 골드 마이크로쉘을 제작했다. 이를 이용하여 라만활성이 없는 기판 (glass, ITO, Pt, Si wafer)에 존재하는 분석물질을 라만으로 분석했다.
4. 당분자를 연료로 한 유기물 연료전지: 연료전지의 환원전극과 산화전극을 각각 나노포러스 백금와 폴리머 막이 입혀진 나노포러스 백금을 사용하여 유기물 연료전지를 개발했다. 평활 백금에서는 단당류인 글루코즈만 산화가 가능한 반면, 나노포러스 백금은 이당류, 삼당류까지 산화반응이 일어남을 확인했다. 반응이 느린 이당류 산화에서 나노포러스 구조 효과가 존재함을 확인했다.
연구결과의 활용계획
원자층 수준의 금속 증착 방법(Atomic Layer Deposition)의 재현성을 높여 나노동공 지름에 대한 구조효과를 실험적으로 증명한다. ALD 방법뿐만 아니라 다른 증착 방법을 적용하여 다양한 구조와 동공 지름을 갖는 나노포러스 전극을 제작하여 체계적인 구조효과 연구를 진행한다. 전이금속의 산화막을 고려한 비귀금속 나노포러스 전극을 개발하여 구조효과에 의한 전기화학반응 향상정도를 측정한다. 라만활성이 큰 골드 마이크로쉘 구조를 전극으로 만들어 당분자의 산화반응을 실시간으로 측정하여 메커니즘을 파악한다. 비귀금속 나노포러스 전극을 유기물 연료전지에 적용하여 값싸면서도 큰 전력을 낼 수 있는 설탕 연료전지를 개발한다.

Abstract ▼

Purpose&contents
We explore unique nano-structural effect on electrochemical reactions. Controlling the shape and size of nanopores, we will confirm the correlation between nanoporous morphology and enhancement of electrochemical reaction rate. Computer simulation allows us to look into molecular

Purpose&contents
We explore unique nano-structural effect on electrochemical reactions. Controlling the shape and size of nanopores, we will confirm the correlation between nanoporous morphology and enhancement of electrochemical reaction rate. Computer simulation allows us to look into molecular dynamics in nanoporous environment in terms of 3D diffusion along nanopores and 2D drift on the surfaces. Intermediates and mechanisms are investigated intensively by introducing Raman spectroscopy to nanoporous electrochemistry. Harnessing the in-depth understanding on electrochemistry at nanoporous interfaces, we develop new classes of biosensor and organic fuel cells.
Result
1. The effect of nanoporous structure on electrochemical reaction: One dimensional nanoporous ruthenium (Ru) electrode was fabricated by atomic layer deposition (ALD) of Ru on porous alumina substrate. The reduction onset potential for oxygen at the nanoporous Ru electrode was positively shifted compared to flat Ru one. The low reproducibility of Ru ALD caused
difficulty in measuring the effect of pore dimension on the faradaic reaction. From the Monte Carlo simulation, we found the surface curvature of porous materials played a significant role in the amount of adsorbed gas molecules: the concave surface induced more attraction between gas molecules and pore, which resulted in the enhanced gas adsorption.
As the external gas pressure was increased, the change in the gas adsorption due to pore geometry was reduced.
2. Developing non-precious metal catalysts with porous structure: Nanoporous nickel (Ni) electrode was fabricated by using Brij 56 surfactant. The electroactive area of nanoporous Ni electrode was 100 times larger than flat Ni one. We found nano-structural effect at nanoporous Ni electrode from oxidation of hydrogen peroxide. On the other hand, nanoporous copper (Cu) electrode with platinum (Pt) shell showed low electroactive surface area. This is because unstable and thick oxide layer of Cu.
3. Engineered nanostructure for Raman study: Gold (Au) microshell with maximum Surface Enhanced Raman Spectroscopic (SERS) activity was fabricated by optimizing storage time of Au nanoparticle solution. We measured analysts on the SERS inactive substrates such as glass, ITO, Pt and Si wafer using Au microshell.
4. Organic fuel cell: We utilized nanoporous Pt and membrane coated nanoporous Pt as cathode and anode, respectively. While flat Pt showed electrooxidation current for only glucose, nanoporous Pt showed significant electroxidation current toward di- and three-saccharides.
Expected Contribution
The nano-structural effect on electrochemical reaction will be systematically investigating through highly reproducible ALD and other deposition method. Considering oxide layer of transition metal, non-previous metal with nanoporous structure will be developing. In addition, we will monitor the intermediate of electrooxidation of saccharide at nanoporous Pt by using Au microshell based microelectrode and understand the precise mechanisms. Inexpensive sugar based fuel cell with high power density will be developed by adopting non-previous metal based nanoporous electrode. Our research will make the nano-structural effect established as a new crucial variable that may lead to maximum economical efficiency and catalysis in terms
of non-fossil clean electric sources.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 15
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 24
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 44
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 44
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 46
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 48
• 8. 참고문헌 ... 49
• 9. 연구성과 ... 50
• 10. 기타사항 ... 59