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표제지 2

초록 5

목차 7

1장 촉매 합성 및 CNF 성장 12

Ⅰ. 도입 12

Ⅱ. 실험 15

1. 시료 및 시약 15

2. 실험방법 16

3. 분석 장비 및 규격 19

Ⅲ. 결과 및 토론 21

1. 샘플 준비 21

2. 합금 금속 촉매와 CNF의 형태학적 및 구조적 분석 24

3. 헤링본 CNF의 전기화학적 특성 44

4. 유기 전해질(1M TEABF4/DMSO)에서 슈퍼 커패시터 장치의 전기화학적 평가 51

Ⅳ. 결론 68

Ⅴ. 참조 69

ABSTRACT 78

표목차 11

[표 1] Ni, Pd 원소의 특성 31

그림목차 8

[그림 1] RM 방법을 통한 Ni-Pd 합금 나노입자와 대기압 수평 CVD를... 23

[그림 2] Ni-Pd 합금 NP의 투과전자현미경 이미지 26

[그림 3] 계면활성제와 유기용매 비율에 따른 Ni나노입자의 TEM 이미지 27

[그림 4] Ni-Pd 합금 나노입자의 EDS 매핑 이미지 30

[그림 5] Ni-Pd 나노입자의 EDS 스펙트럼 31

[그림 6] DDAB, Ni-Pd 합금 나노입자의 TGA 곡선 및 나노입자의 열처... 33

[그림 7] CNF의 광학 이미지 37

[그림 8] 헤링본 탄소나노섬유의 SEM, TEM 이미지 및 라만 스펙트럼... 38

[그림 9] Ni 촉매를 사용하여 합성된 원통형 MWCNT의 TEM 이미지 (평... 39

[그림 10] Pd 촉매를 사용하여 합성된 원통형 MWCNT의 TEM 이미지(평... 39

[그림 11] 상업적으로 판매되는 MWCNT의 TEM 이미지(평균 직경은... 42

[그림 12] 탄소나노튜브 및 탄소나노섬유 샘플에 대한 BET 데이터 42

[그림 13] CNF의 열중량 곡선(공기 조건) 43

[그림 14] 3전극 구성에서 1M 수용성 KCl 전해질을 사용하여 Ni-Pd 촉... 46

[그림 15] CNF 전극의 순환 안정성 플롯(10,000 GCD 사이클 완료 후... 49

[그림 16] 탄소나노섬유 샘플에 대한 나이퀴스트 플롯 및 전극의 계산... 50

[그림 17] ZnCoO/HfO₂, ZnCoO/HfO₂@CNF 및 ZnCoO/HfO₂@MWCNT의 SEM 이미지 53

[그림 18] ZnCoO/HfO₂, ZnCoO/HfO₂@CNF 및 ZnCoO/HfO₂@MWCNT의 TEM 이미지 54

[그림 19] ZnCoO/HfO₂@CNF EDS 매핑 이미지 55

[그림 20] 3M KOH 수용액 전해질에서 3전극 구성을 이용한 모든 전극... 61

[그림 21] 유기 전해질에서 ASC 소자의 전기화학적 성능 66

초록보기

 금속 나노입자(NP) 촉매는 탄소나노튜브, 나노섬유, 나노와이어 등 나노물질의 화학기상증착(CVD) 합성에 필수적이다. 특히, 탄소나노섬유(CNF)는 전기 전도성, 기계적 강도, 열전도성 등 우수한 특성으로 인해 에너지 저장 장치, 전자소자 등 다양한 응용 분야에서 주목 받고 있다. 이들의 촉매 제작에 있어 촉매의 크기, 형태 및 구성을 정밀하게 제어하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 역미셀(RM) 방법을 사용하여 바이메탈 니켈(Ni)-팔라듐(Pd) 합금 나노입자를 합성하여 평균 직경이 2.8 nm인 균일한 NP를 합성하였다. Pd를 Ni에 통합함으로써 성장 모드가 표면에서 벌크 확산으로 전환되어, 직경이 크게 감소된 헤링본 탄소나노섬유의 합성이 촉진되었다.

CVD 공정을 통해 평균 직경 9 nm의 CNF를 합성하였으며, 이는 기존 합성 방법에 비해 상당히 작은 직경의 크기이다. 이러한 헤링본 구조의 CNF는 증가된 표면적과 그래핀 가장자리를 따라 더 많은 수의 활성 사이트로 인해 향상된 전하 저장 특성을 나타냈다. 전기화학적 특성 분석 결과, Ni-Pd 나노촉매에서 성장한 CNF는 245 F/g의 높은 비축전 용량을 보여 시중에서 판매되는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 및 단일 금속 촉매를 능가하는 성능을 보였다.

추가적으로, 본 연구에서는 CNF의 실제 배터리 응용 가능성을 평가하기 위해 ZnCoO/HfO₂ 산화물과 ZnCoO/HfO₂@CNF 및 ZnCoO/HfO₂@MWCNT 복합체를 제작하고, 이를 기반으로 디바이스를 설계하여성능을 테스트하였다. ZnCoO/HfO₂@CNF는 단독 ZnCoO/HfO₂ 및 ZnCoO/HfO₂@MWCNT과 비교하여 배터리 전극 소재로서의 높은 가능성을 보였으며, 우수한 전기화학적 안정성과 에너지 저장 능력을 기대할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 바이메탈 나노촉매를 활용한 나노재료 합성 공정의 최적화 가능성을 강조하며, 차세대 슈퍼커패시터 및 배터리와 같은 에너지 저장 시스템에서 고성능 전극 소재로 활용될 수 있는 새로운 접근법을 제안한다. 이를 통해 에너지 효율을 극대화하고, 보다 지속 가능한 에너지 저장을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

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