Due to the global phenomenon of industrialization, there has been a rapid escalation in energy consumption, giving rise to pressing concerns related to environmental pollution and global warming. Addressing these issues and striving toward a clean future, extensive efforts are necessary. In order to achieve an eco-friendly and sustainable future, the development of various devices such as fuel cells, water electrolyzers, batteries, and sensors, as alternatives to existing conventional systems, becomes imperative. However, the commercialization of these technologies depends on high-performance catalysis, defined not only by enhanced activity but also by the incorporation of additional functionalities such as thermal/chemical stability, selectivity, reproducibility, and mass production capabilities. Metal oxides are fundamental materials applied to various devices that require high-performance catalysis based on their outstanding stability and electrical properties. In particular, the formation of heterostructures by integrating metal catalysts with metal oxides can profoundly enhance overall device performance through metal-support interactions (MSI). To maximize the performance driven by MSI, it is important to modulate the physicochemical properties of the constituent metal oxide. However, in typical heterostructures, it is challenging to manipulate specific factors independently due to structural complexity and randomly distributed interfaces. Moreover, the distinction of the intrinsic contribution of modulated properties toward improved catalysis is difficult because all other factors can affect overall performance simultaneously. Thus, here, in this dissertation, we report a novel strategy to precisely elucidate the role and influence of certain factors on high-performance catalysis. This is accomplished through the utilization of a well-defined platform, allowing for independent modulation of the chemical compositions of the metal oxide while fixing all other variables. Based on this, it was applied to real-life applications encompassing high-performance sensors, water electrolyzers, and energy conversion devices. The strategy demonstrated in this thesis can be expanded to various fields where the physicochemical properties of metal oxides play an important role, and are expected to effectively contribute to improving the overall performance with enhanced catalysis.
전 세계적인 산업화로 인해 에너지 소비량이 급증했고 이에 따른 환경 오염 문제나 지구 온난화 문제가 크게 대두되고 있다. 이러한 문제들을 해결하고 깨끗한 미래를 영위하기 위해서는 다양한 노력이 필수적이다. 친환경적이고 지속가능한 미래를 구축하기 위해서는 기존 체제를 대체할 연료전지, 수전해, 배터리, 그리고 센서 등 다양한 소자의 발전이 요구되는데 이러한 소자들의 상용화를 위해서는 공통적으로 고성능의 촉매 작용이 뒷받침 되어야한다. 고성능 촉매 작용은 단순히 높은 활성도뿐만 아니라 열적 안정성, 화학적 안정성, 선택성, 재현성, 그리고 양산성 등 다양한 부가 기능의 수반을 의미한다. 금속 산화물은 기본적으로 우수한 안정성 및 전기적 특성을 바탕으로 고성능 촉매 작용을 필요로 하는 다양한 소자에 응용되고 있다. 특히, 금속 촉매와 결합하여 헤테로 구조를 형성하면 금속-산화물 상호작용에 기반하여 소자의 전체적인 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 헤테로 구조 기반 소자의 성능을 극대화하기 위해서는 구성 물질인 금속산화물의 물리적/화학적 성질을 제어하는 것이 중요하다. 하지만, 일반적으로 이런 헤테로 구조에서는 특정 요인을 독립적으로 제어할 수 없을 뿐만 아니라 제어된 성질들이 복합적으로 전체 촉매 작용에 영향을 주기 때문에 특정 요인이 향상된 촉매 작용에 있어 가지는 실질적인 기여도를 구별하는 것이 매우 어렵다. 따라서, 본 학위논문에서는 정렬된 금속 산화물 나노선 시스템을 활용, 다른 물리적 변수들은 모두 고정한 채 금속산화물의 화학적 조성만을 독립적으로 조절하여 해당 요인이 고성능 촉매 작용에 미치는 역할 및 영향을 정확하게 규명하고자 하였다. 이를 바탕으로 실생활에서 사용되는 다양한 소자에 응용하여, 구체적으로는 고성능의 센서, 수전해, 에너지 변환 소자를 구현하였다. 본 학위논문에서 제시한 전략은 금속 산화물의 물리적/화학적 성질이 중요한 역할을 하는 다양한 소자 분야로 확장될 수 있고, 전체적인 소자 성능 향상에 효과적으로 기여할 것으로 기대된다.
