Nanostructured materials have been intensively studied in recent years because the physical properties of those materials are quite different from those of the bulk. A variety of chemical and physical preparative methods have been developed to produce nanostructured materials. The main objective of this study is to fabricate inorganic nanostructured materials for electrode using sonochemistry and amphiphilic systems. Sonochemistry arises from acoustic cavitations, the formation, growth, and implosive collapse of bubbles in a liquid. It is possible to produce the 1-dimensional nano materials during cavitations, permitting stable nanocolloids by preventing their agglomeration. The self-assembly of nano-building blocks using a bottom-up approach has been proposed to control their direct structures at a nanometer length scale for the energy storage electrode.
In chapter 2, Nanostructured MnO2 was synthesized by the sonochemical method and used to fabricate an electrode for electrochemical capacitors. Nanostructures of MnO2 had flower-like and nanowire morphologies, which can be affected by the different concentration of hydroxyl radicals induced by the change of pH. MnO2 nanowires showed a maximum specific capacitance of 300 Fg-1 at a scan rate of 5mVs-1 in 1.0 M Na2SO4 solution and a minimum charge transfer resistance of 0.4Ω.
In chapter 3, Nanoporous RuO2 was synthesized with surfactant templates of sodium dodecyl sulfates (SDS). The surface area of these materials amounted to 220 m2 g-1 while the maximum specific capacitance obtained was 567 Fg-1 at a scan rate of 5mVg-1 in a 1.0 M H2SO4 solution. These nanoporous materials would be useful for diffusing the electrolytes onto the surface and could lead to better electrical conduction when prepared at a low temperature.
In chapter 4, Layered and hexagonal hydrous RuO2 by self-assembly was synthesized with a surfactant template using P123. The molar ratio of Ruthemium precursor/SDS /water, i.e. 1/ 4/ 130, shows the pattern of layered structure, and the ratio of 1/ 2/ 60 shows the pattern of hexagonal structure. The specific surface is amount to 202 cm3/g, whereas the specific surface area of layer structure too low to be neglected. The pore size distribution of hexagonal structure showed the 3.9nm of pore diameter. The hexagon materials have excellent potential for application in electrochemical capacitors.
In chapter 5, Cobalt hydroxide carbonate with orthorhombic crystalline was synthesized with a surfactant template using block copolymer, i.e. P123. Cobalt hydroxide carbonate displays clustered bundles of nanorods, varying size from 60 to 133nm of middle diameter, and 34 to 58nm of sharp end. Uniformly shaped nanorods were easily synthesized by a building block as structure-directing agents. The cobalt hydroxide carbonate is calcination over 300℃, converted into the cubic spinel Co3O4 phase with strings of Co3O4 nanoparicles. The nanorods of cobalts hydroxide carbonate exhibited the specific capacitance of 213 F/g, but the strings of Co3O4 nanoparicles showed the specific capacitance of 27 F/g at a scan rate of 5 mVs-1. The relatively higher capacitance of cobalt hydroxide carbonate than that of crystalline Co3O4 may be attributed to the anhydrous nature and the properties of nanostructures.
본 연구에서는 무기 나노물질을 초음파 방법과 자기 조립의 원리를 이용하여 나노 구조 물질을 합성하고 그 구조와 전극 재료로의 특성을 연구하였다. 초음파 방법으로는 액상에서 버플 파괴에 따른 급격한 온도 상승과 냉각으로 인해 1차원적인 나노 입자를 합성할 수 있었다. 또한, 양친성 자기 조립의 원리를 이용하여 다양한 나노 구조체를 합성하였고, 에너지 저장용 전극재료로 응용 하였다.
2장에서는 초음파 방법을 이용하여 나노 구조체를 갖는 이산화 망간(IV)을 합성하였다. 나노선, 꽃 같은 다양한 나노 구조체를 pH를 조절하여 합성할 수 있었다. 합성된 나노 망간 구조체를 활용하여 전기화학적 캐페시터 물성을 평가한 결과 5mVg-1의 인가 전압에서 300 Fg-1의 우수한 전지화학적 특성을 나타냄을 확인하고였고, 1차원적 나노구조의 제어를 통하여 낮은 저항특성을 갖는 전극을 제조할 수 있었다.
3장에서는 양친성 분자의 자기 조립에 의한 방법으로 나노포아를 갖는 산화루테늄을 합성하였다. 합성된 나노 포아 산화루테늄의 비표면적은 200 m2 g-1으로 넓으며, 5mVg-1의 인가 전압에서 567 Fg-1의 전지화학적 특성을 갖고 있다. 금속산화물에 나노포아 구조를 만들어 줌으로 인해서 전해질과 전극표면에서의 이온 확산 속도를 높이고, 낮은 온도에서 합성함공정 개발로 인해 수산화기 함유에 따른 전기전도도를 높여 전극의 성능을 향상 시켰다.
4장에서는 층상 구조과 육방구조를 갖는 산화루테늄을 양친성 분자를 이용한 자기조립에 의한 방법으로 합성하였다. 루테늄의 전구체과 양친성 고분자 그리고 수용액의 비율에 따라 층간 구조에서 육방 구조로의 상이 변화됨을 X-ray 분석을 통하여 확인하였으며, 투과 현미경을 이용하여 상 변화에 따른 형상에 대한 특성을 분석하였다. 최종적으로 비표면적이 202 cm3/g인 육방 구조체를 얻을 수 있었다.
5장에서는 사방결정계를 갖는 수산화코발트 탄산염계 나노 구조체를 고분자 블록 공중합체를 통하여 합성하였다. 수산화코발트 탄산염체 구조체를 나노선 모양으로 다량 합성할 수 있는 방법을 개발하였다. 합성된 수산화코발트 탄산염계를 300°에서 산화시킬 경우 입방 스피넬 구조로 갖는 산화 코발트로 변화됨을 확인하였다. 이들 구조체들에 대한 전기화학적 특성을 평가를 수행하였고, 산화 코발트는 27 F/g의 낮은 용량을 갖고 있는 반면, 코발트 수산화 탄산염계는 213F/g의 높은 용량을 갖고 있음을 확인하였다. 이들 원인은 나노 구조체의 수화 성질에 기인됨을 확인하였다.
