[보고서]전기화학적 에너지저장 성능 제고를 위한 MXene 기반 새로운 나노구조체/다원소 금속황화합물 복합체 개발

심재진

[국가R&D연구보고서] 전기화학적 에너지저장 성능 제고를 위한 MXene 기반 새로운 나노구조체/다원소 금속황화합물 복합체 개발
MXene-based Novel-Nano structured Materials/Multi-metal Sulfides Composites for High-performance Electrochemical Energy Storage 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	영남대학교 YeungNam University
연구책임자	심재진
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2023-06
과제시작연도	2023
주관부처	교육부 Ministry of Education
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO202400005283
과제고유번호	1345363014
사업명	이공학학술연구기반구축
DB 구축일자	2024-09-02
키워드	맥신.나노복합체.슈퍼커패시터.전극물질.에너지저장.MXene.nanocomposite.supercapacitor.electrode materials.energy storage.

초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
슈퍼커패시터의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 MXene 기반 다원소 금속산화물/황화물 및 새로운 나노구조체 (CNO, MOF) 복합체 개발

◼ 전체 내용
‣ 1차년도 (9개월): MXene/CNO 나노복합체 합성과 슈퍼커패시터로의 응용
☞ 화염열분해법에 의한 N-CNO, S-CNO 합성
☞ HF를 사용하여 MAX에서 Al 층을 녹여 내어 MXene을 만듦.
☞ S-CNO, N-CNO, MXene현탁액으로부터 CNO-MXene 나노복합체 합성
☞ 합성된 나노복합체를 대칭과 비대칭 슈퍼커패시터에 적용, 성능 측정
‣ 2차년도: MXene/MOF 나노복합체 합성, 슈퍼커패시터로 응용
☞ 질산아연, 질산코발트를 이용 ZIF-8, ZIF-67, Zn-Co-ZIF 형 MOF 합성.
☞ MOF를 thioacetamide 수열반응, 슈퍼커패시터 전극물질(S-MOF) 합성.
☞ MXene/MOF와 MXene/S-MOF 이종구조체를 수열합성법/용매열합성법을 이용하여 합성
☞ 합성된 이종 구조체로 만든 대칭과 비대칭 슈퍼커패시터 성능 측정.
‣ 3차년도: MXene/MS 나노복합체 합성, 슈퍼커패시터로의 응용
☞ 초음파로 MXene을 분산시키고, 질산니켈, 요소를 녹인 수용액과 수열합성반응시켜 MXene/NiO 나노복합체 합성
☞ 이 복합체를 황화시켜 MXene/MS복합체를 만듦. 유사한 방법으로 Co와 Mn의 산화물과 황화물을 만들어 복합체를 합성함.
☞ 상기 합성된 물질에 대하여 슈퍼커패시터 성능 측정
☞ 각 용도에 다른 장기간 재사용 가능성 측정
‣ 4차년도 (3개월): MXene/MS 및 MOF/CNO 나노복합체 합성 관련 추가 실험 및 논문 작성
☞ FE-SEM, HR-TEM, Raman, XRD를 이용하여 합성된 나노복합체의 형태와 결정구조(CNO의 동심 흑연층 및 MXene결정격자구조) 확인
☞ 각 용도에 따른 장기간 재사용 가능성 측정
☞ 논문 작성과 함께 필요한 추가 실험 진행

□ 연구개발성과
- MXene/CNO의 나노복합체 합성 및 슈퍼커패시터 전극 개발
- MXene/MOF 나노복합체 합성 및 슈퍼커패시터 전극 개발
- MXene/Metal Sulfide 나노복합체 합성 및 슈퍼커패시터 전극 개발
- 연구논문: 47편, 특허: 출원 9건/등록 1건, 박사학위 배출: 5명, 학술대회발표: 24건

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
◾ 신재생에너지의 생산과 사용의 증대에 따른 고출력저장장치인 전기기관차, 곤돌라, 전기버스, 엘리베이터, 항공기, 자동차 등에의 활용이 기대됨.
◾ 최근 개발된 MXene과 CNO, MOF 등을 최적 조합한 우수한 성능의 새로운 나노 복합체인 MXene/CNO, MXene/MOF, MXene/MS를 만들 수 있음.
◾ 각 물질의 우수한 성질들이 복합체에서 상승작용을 할 경우 매우 우수한 물질의 제조가 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
요 약 문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
1.1. 최종연구목표 ... 4
1.2. 연차별 연구목표와 내용 ... 4
1.3. 연구의 필요성 ... 6
1.4. 국내·외 연구동향 ... 7
1.5. 연구의 중요성 ... 8
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
1) 연구수행 결과 ... 9
2) 목표 달성 수준 ... 29
3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 29
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 30
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 30
6. 참고문헌 ... 30
끝페이지 ... 30

표/그림 (40)

표 MXene/MOF 나노복합체의 합성과정도

표 본 연구실의 예비연구에서 합성한 MOF (Co와 Zn의 함량 변화)

표 CNO의 구조와 특성

표 CNO의 TEM (a), HR-TEM (b) 및 구조 도식도 (c)

표 Schematic diagram for the synthetic mechanism of the Ni3Mn1-T1003D flower-like structures

표 (a-b) SEM, (c-e) TEM with low and high magnification, and (f) fringe patterns of Ni3Mn1-T100

표 CV (a), GCD (b), EIS (c), Rate capability (d) of NiMn-LDH synthesized at different T, CV at multiple scan rate (e), GCD at multiple current density (f) of Ni3Mn1-T100LDH

표 5 CV at multiple voltage window (a), GCD at multiple voltage window (b), CV at different scan rate(c), GCD at multiple current densities (d), EIS (e), cyclic stability and coulombic efficiency (f)) of Ni3Mn1-T100//RGO

표 CV and charge/discharge for NiMn-LDH-CNT-CNO//AC, iMn-LDH-CNT-CNO// RGO, and NiMn-LDH-CNT-CNO//RGO-CNO

표 Schematic representation of the synthesis procedure of Ti3C2Tx/NiCo-LDH

표 SEM (a-b), TEM (c-d), EDS mapping (e) of Ti3C2Tx-30/NiCo-LDH

표 CV (a), GCD (b), EIS (c), rate capability (d) of the pristine and Ti3C2TX/NiCo-LDH

표 Schematic diagram of the structural growth of Ni–Co LDHs on a Ni foam substrate

표 (a–c) SEM images and (d) TEM image of Ni–Co LDHs on the Ni foam substrate

표 (a) Schematic diagram of the Ni-Co LDHs//AC asymmetric device and its (b) CV curves at different voltages from 0 V to 1.6 V

표 Schematic of exfoliation process of MAX

표 XRD Patterns of MAX and MXene

표 FE-SEM images of Ti3C2Tx MXene sheets

표 (a-d) SEM images of MXene@NiCo-LDH, (e) XRD of MAX and MXene, and (f) XRD of MXene@NiCo-LDH

표 XPS spectra of MXene@NiCo-LDH

표 BET of (a,b) MXene, (c,d) NiCo-LDH, (d,f)

표 Schematic of the synthetic procedure of NiMoOx@N-C Core-shell

표 Schematic of SnO2/Bi2S3 synthesis

표 SEM, TEM, EDX of SnO2 and SnO2/Bi2S3

표 (a,b) LSV, (c) photocurrent, (d) I-t curves

표 (a) Nyquist, (b) photoconversion efficiency, (c) IPCE, (d) stability

표 Ti3C2Tx MXene nanosheets 합성 공정

표 MXene의 TEM image

표 Fe-Co-S/MXene 복합체의 SEM 사진(좌)과 슈퍼커패시터 GCD 곡선(우)

표 Fe-Co-S/MXene 복합체의 전류에 따른 전기용량 변화: 철 함량 영향 (좌)과 복합체 양 영향 (우)

표 Ni-BDC (좌)와 중공형 Ni2P (우)의 SEM 사진

표 P-도핑 RGO 상에 성장된 중공형 NiCoS 나노 horn 합성 (좌) 및 SEM/TEM 형상 (우)

표 다른 형상의 MnCoS 합성법 (상)과 생성된 전극물질의 SEM 사진 (우)

표 합성된 MnCoS의 전기화학성질 (좌) 및 슈퍼커패시터 성능측정 결과 (우)

표 FESEM images of (a) Ti3C2Tx MXene sheet, (b) Fe2CoS nanoparticles, and (c) Fe2CoSMX25 hybrid composite

표 합성된 FeCoS@Ti3C2Tx의 전기화학성질 및 슈퍼커패시터 성능측정 결과

표 FESEM images of (a,b) FeNiS, (c) Ti3C2Tx MXene sheets, and (d) NiFeS/MXene composite

표 CV and GCD curves for FeNiS synthesized at 4 h (a-b), 6 h (c-d), and 8 h (e-f)

표 SEM images of (a,b) MXene, (c,d) Co9S8, and (e,f) FeTiO3

표 Changes in (a) absorption spectra and (b) concentration over FeTiO3, Co9S8 and Co9S8/FeTiO3 for RhB

표/그림 (40)

표 MXene/MOF 나노복합체의 합성과정도

표 본 연구실의 예비연구에서 합성한 MOF (Co와 Zn의 함량 변화)

표 CNO의 구조와 특성

표 CNO의 TEM (a), HR-TEM (b) 및 구조 도식도 (c)

표 Schematic diagram for the synthetic mechanism of the Ni3Mn1-T1003D flower-like structures

표 (a-b) SEM, (c-e) TEM with low and high magnification, and (f) fringe patterns of Ni3Mn1-T100

표 CV (a), GCD (b), EIS (c), Rate capability (d) of NiMn-LDH synthesized at different T, CV at multiple scan rate (e), GCD at multiple current density (f) of Ni3Mn1-T100LDH

표 5 CV at multiple voltage window (a), GCD at multiple voltage window (b), CV at different scan rate(c), GCD at multiple current densities (d), EIS (e), cyclic stability and coulombic efficiency (f)) of Ni3Mn1-T100//RGO

표 CV and charge/discharge for NiMn-LDH-CNT-CNO//AC, iMn-LDH-CNT-CNO// RGO, and NiMn-LDH-CNT-CNO//RGO-CNO

표 Schematic representation of the synthesis procedure of Ti3C2Tx/NiCo-LDH

표 SEM (a-b), TEM (c-d), EDS mapping (e) of Ti3C2Tx-30/NiCo-LDH

표 CV (a), GCD (b), EIS (c), rate capability (d) of the pristine and Ti3C2TX/NiCo-LDH

표 Schematic diagram of the structural growth of Ni–Co LDHs on a Ni foam substrate

표 (a–c) SEM images and (d) TEM image of Ni–Co LDHs on the Ni foam substrate

표 (a) Schematic diagram of the Ni-Co LDHs//AC asymmetric device and its (b) CV curves at different voltages from 0 V to 1.6 V

표 Schematic of exfoliation process of MAX

표 XRD Patterns of MAX and MXene

표 FE-SEM images of Ti3C2Tx MXene sheets

표 (a-d) SEM images of MXene@NiCo-LDH, (e) XRD of MAX and MXene, and (f) XRD of MXene@NiCo-LDH

표 XPS spectra of MXene@NiCo-LDH

표 BET of (a,b) MXene, (c,d) NiCo-LDH, (d,f)

표 Schematic of the synthetic procedure of NiMoOx@N-C Core-shell

표 Schematic of SnO2/Bi2S3 synthesis

표 SEM, TEM, EDX of SnO2 and SnO2/Bi2S3

표 (a,b) LSV, (c) photocurrent, (d) I-t curves

표 (a) Nyquist, (b) photoconversion efficiency, (c) IPCE, (d) stability

표 Ti3C2Tx MXene nanosheets 합성 공정

표 MXene의 TEM image

표 Fe-Co-S/MXene 복합체의 SEM 사진(좌)과 슈퍼커패시터 GCD 곡선(우)

표 Fe-Co-S/MXene 복합체의 전류에 따른 전기용량 변화: 철 함량 영향 (좌)과 복합체 양 영향 (우)

표 Ni-BDC (좌)와 중공형 Ni2P (우)의 SEM 사진

표 P-도핑 RGO 상에 성장된 중공형 NiCoS 나노 horn 합성 (좌) 및 SEM/TEM 형상 (우)

표 다른 형상의 MnCoS 합성법 (상)과 생성된 전극물질의 SEM 사진 (우)

표 합성된 MnCoS의 전기화학성질 (좌) 및 슈퍼커패시터 성능측정 결과 (우)

표 FESEM images of (a) Ti3C2Tx MXene sheet, (b) Fe2CoS nanoparticles, and (c) Fe2CoSMX25 hybrid composite

표 합성된 FeCoS@Ti3C2Tx의 전기화학성질 및 슈퍼커패시터 성능측정 결과

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표 CV and GCD curves for FeNiS synthesized at 4 h (a-b), 6 h (c-d), and 8 h (e-f)

표 SEM images of (a,b) MXene, (c,d) Co9S8, and (e,f) FeTiO3

표 Changes in (a) absorption spectra and (b) concentration over FeTiO3, Co9S8 and Co9S8/FeTiO3 for RhB

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