Research on efficient energy storage and conversion is essential to meet the increasing global energy demand.
Electrical energy produced by renewable energy sources can be stored in energy storage devices or converted to chemical energy using energy conversion devices. Aqueous electrolytes are more environmentally friendly than non-aqueous electrolytes that have been studied in the past, and they are cost competitive because they do not require complicated processes. However, the aqueous environment has problems of its intrinsic limited operating voltage and the damage of electrodes because of the dissolved oxygen and water. To solve these problems, it is very important to design a material having high activity and improved stability in the aqueous system. In this thesis, I designed materials that can be applied to energy storage and conversion devices in the aqueous system. In addition, the in-situ analyses were developed to verify the mechanisms when the materials are operated in the aqueous system.
In Chapter 2, nickel and iron solid solution oxide was synthesized and their characteristics as a water oxidation catalyst were investigated. Nickel-iron solid solution oxide has a distorted structure due to the aliovalent species. It was found that the structural specificity improves the activity of oxygen evolution. From this result, it confirmed the close relationship between the structural specificity and the oxygen evolution activity of the material.
In Chapter 3, the surface modified lithium cobalt oxide, which is applicable to aqueous and non-aqueous electrolytes, was studied. The lithium cobalt oxide is degraded very rapidly due to side reactions between the electrolyte and the active material when the lithium cobalt oxide is operated up to high voltage condition or in an aqueous electrolyte. In this study, lithium cobalt oxide with spinel oxide surface was synthesized by the off-stoichiometric synthesis and confirmed the improved electrochemical properties.
In Chapter 4, the layered double hydroxide was applied as a cathode material for zinc batteries. Also, the interlayer distance and crystallinity of layered double hydroxides were controlled by introducing various anions. This study verified the influence of the crystallinity of the material on the electrochemical performance in the aqueous environment.
In Chapter 5, the graphene oxide was synthesized and its performance was confirmed as a CO$_2$ adsorbent. As a result, it was confirmed that a very high selectivity of graphene oxide was obtained. It was originated from combining CO$_2$ affinity of the abundant functional group and N$_2$-phobicity due to large pore. This study suggests the design principle of CO$_2$ adsorbent with high selectivity.
전 세계적으로 증가하고 있는 에너지 요구량을 충족시키기 위하여, 효율적인 에너지 저장과 변환에 대한 연구는 필수적이라 할 수 있다. 신재생에너지로 생산된 여분의 전기에너지는 에너지 저장장치에 저장되거나, 혹은 에너지 변환장치를 이용하여 화학적인 에너지로 변환되어 사용될 수 있다. 기존에 연구되고 있던 유계전해질에서의 반응에 비해 수계전해질은 친환경적이며 까다로운 공정이 필요하지 않으므로 가격경쟁력이 있다. 그러나 수계 환경은 고유의 제한적인 작동전압과 용존 산소, 물에 의한 전극의 손상이 크다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 수계에서 높은 활성과 향상된 재료 안정성을 동시에 갖는 재료를 디자인하는 것이 매우 중요하다. 본 학위논문에서는 수계환경에서의 에너지 저장과 변환장치에 적용 가능한 재료를 디자인하고, 실시간 분석법을 고안하여 수계환경에서 재료가 구동될 때 어떠한 메커니즘을 보이는지에 대해서 고찰하고자 한다.
제 2장에서는 니켈과 철을 포함한 고용체 산화물을 합성하고, 산소발생촉매로서의 특성을 확인하였다. 니켈-철 고용체 산화물은 “다른 산화수를 갖는 화학종”으로 인해 뒤틀린 구조를 갖는다. 이러한 구조 특이성이 산소발생의 활성을 향상시킨다는 것을 알 수 있었으며, 이를 통해 재료의 구조 특이성과 활성 간의 밀접한 관련이 있다는 사실을 확인 하였다.
제 3장에서는 유/수계 전해질에서 모두 적용 가능한 양극재 리튬코발트옥사이드의 표면 개질에 대한 연구를 수행했다. 리튬코발트옥사이드는 유계전해질 고전압조건, 혹은 수계전해질에서 구동될 경우, 전해질과 활물질 사이에서 일어나는 부반응으로 인하여 열화가 매우 빠르게 일어나게 된다. 따라서, 위의 점을 최소화할 수 있는 재료 디자인이 필요하다. 이번 연구에서는 비양론적 합성법으로 한번에 산화물 막을 갖는 LCO를 처음으로 합성하고 향상된 전기화학적 특성을 확인하였다.
제 4장에서는 층상이중수산화물을 징크배터리의 양극재로 적용하였다. 또한 다양한 음이온을 도입하여 층간 거리와 결정성을 조절하였으며, 이를 통해 수계환경에서 재료의 결정성이 전기화학적인 성능에 미치는 영향을 파악 할 수 있었다.
제 5장에서는 작용기가 풍부한 그래핀옥사이드를 합성하고, CO$_2$ 흡착제로 적용하여 특성을 확인하였다. 그 결과, 그래핀옥사이드의 매우 높은 선택도를 확인할 수 있었는데, 이는 풍부한 작용기에서 기인하는 높은 CO$_2$ 친화성과 큰 기공에 의한 질소 비친화성에서 비롯된다는 것을 확인하였고, 이를 통해 CO$_2$ 흡착제의 디자인 원리를 제시할 수 있었다.
