Nanomaterials with diameters in the range of 1~20 nm have been extensively stu-died over the last decade. The small dimensions of these materials, so-called ‘nanoparticles’, result in different chemical and physical properties from those observed in the cor-responding macro-crystalline, ‘bulk’ materials. In this paper, we introduce ‘Tin-doped In-dium Oxide (ITO)’ nanoparticles and their optical properties which controlled by the vari-ous sizes with variable tin content. We also prepare the morphology controlled PtCo nano-crystals and the application for catalytic activity toward oxygen reduction reaction (ORR) of polymer-exchange-membrane fuel cells (PEMFCs).
In part 2, we present synthesis and characterization of ITO nanoparticles, as well as their optical properties. The size and metal composition controlled ITO nanoparticles are easily obtained by colloidal system, which is composed of isolated particles with stabilizing by surfactant molecules and dispersed in solvent media. The optical properties of the ITO nanoparticles were analyzed with photoluminescence (PL) spectroscopy, and those results reveal that the exciton Bohr diameter is around 7-9 nm and the PL emission maxima are blue-shifted as the particle size decreases and the Sn content increases.
We introduce synthesis of Pt9Co nanocubes (NCs) with significantly enhanced ORR activity in part 3. Recent reports reveal that the Pt-based bimetallic particles and the Pt par-ticles with controlled surface arrangement have shown enhanced ORR activity than pure Pt particles. In these regards, we herein report the Pt9Co NCs dominantly bound by {100} planes and the catalytic activity of the Pt9Co NCs in H2SO4 media. The onset potential of the Pt9Co NCs has a more positive value than those of the other catalysts and the current density at half-wave potential of the Pt9Co NCs is about 4, 1.6, and 1.9 times higher than that of the commercial Pt/C catalyst, the spherical Pt9Co, and the cubic Pt NCs.
In part 4, we describe the synthesis of Pt3Co NCs and nano-truncated octahedral (NTO) of which surfaces are dominated by {100} and {111}/{100} planes. Different from part 3, investigation of catalysts based on the Pt3Co NTO in HClO4 have shown that the catalytic activity is higher on the Pt3Co {111} planes than that on the {100} planes, respec-tively. At 0.9 V vs. RHE, the specific mass activity of Pt3Co NTO was 1.7, and 6.8 times greater than the Pt3Co NCs and commercial Pt/C. The present facile morphology control of catalysts might provide a promising strategy for the development of efficient cathode cata-lysts for PEMFCs.
나노물질은 지난 10여 년간 큰 주목을 받으며 연구되고 있는 분야로서, 기존의 벌크(bulk) 상태의 물질과는 확연히 다른, 나노물질만의 독특한 특성들이 가지는 가치로 인해 중요하게 여겨지고 있다. 입자의 크기가 나노 수준의 크기로 줄어듦에 따라 벌크 물질에서는 볼 수 없었던 전기적, 광학적, 자기적, 그리고 화학적 특성 등의 매우 흥미로운 결과들이 나타나고 있으며, 기술적 응용에도 활발한 시도가 진행 중이다.
본 논문에서 소개하는 ‘인듐 주석 산화물 (Indium Tin Oxide, ITO)’ 나노입자의 경우, 그 크기가 조절됨에 따라, 그리고 구성 물질의 성분비가 조절됨에 따라 구조적, 광학적 특성이 달라지게 되는 결과를 얻을 수 있었으며, ITO 물질의 경우 태양전지와 평판 디스플레이 등의 투명전극으로 널리 응용되고 있기 때문에 산업적 측면에서도 큰 의미를 가지는 연구 결과라 할 수 있겠다. 또한 ‘백금 코발트 (Platinum-Cobalt, PtCo)’ 나노물질의 경우, 입자의 형상을 조절함에 따라 달라지는 산소환원 촉매로서의 반응성을 측정하였고, 흥미로운 결과를 얻을 수 있었다. 특히, 산소 환원 반응 (Oxygen Reduction Reaction, ORR) 은 전세계적으로 심도 있게 연구되고 있는 ‘고분자-교환-막 연료전지 (Polymer-Exchange-Membrane Fuel Cells, PEMFCs)’ 의 양극 촉매 반응으로서, 촉매의 활성을 향상시켜 연료전지의 성능을 높이기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
먼저, ITO 나노 물질의 합성과 분석, 그리고 광학적 특성에 대해 본 논문의 2장에서 소개를 하고 있으며, 그 합성법은 선구 물질을 열분해 시켜 7 nm 크기의 ITO 나노 입자를 얻게 되는 콜로이드 방법이라 할 수 있다. 다양한 입자의 크기 (3 nm, 5 nm, 7 nm, 그리고 9 nm) 도 조절할 수 있었으며, 인듐과 주석의 성분비를 99 : 1, 97 : 3, 95 : 5, 그리고 90 : 10 으로 조절하여 합성 할 수 있었다. 다양한 크기와 성분비를 가지는 ITO 나노입자들은 다양한 분석 기기들을 사용하여 그 구조와 입자 크기, 그리고 금속의 성분비를 확인 할 수 있었다. 그리고 UV-vis 광분석과 PL 분석을 통해 ITO 나노 물질이 가지는 광학적 특성을 연구 할 수 있었다. 나노입자의 크기가 증가함에 따라, 또는 7 nm 크기의 ITO 물질의 경우에는 인듐에 대한 주석의 성분비가 감소함에 따라 물질이 흡수하고 발광하는 빛의 파장이 증가하는 현상을 확인 할 수 있었다. 이것은 나노 크기의 물질이 가지는 중요한 물리적 특징으로서, 가전자대 (va-lence band) 와 정공과 전도대 (conduction band) 사이의 거리가 입자의 크기에 의해서, 그리고 인듐에 대한 주석의 성분비에 의해서 조절되는 현상으로 설명할 수 있다.
본 논문의 3장과 4장에서는 PEMFCs 의 ORR 연구와 관련된 PtCo 촉매에 대한 소개를 하고 있다. 먼저, 3장에서는 입자표면이 Pt {100} 결정면으로 도드라진 입방 (Cube) 모양의 Pt9Co 나노 입자를 콜로이드 방법으로 합성하여 구조와 성분비를 분석하였으며, 합성된 입자를 촉매용 활성 탄소에 잘 분산시켜 촉매를 얻은 뒤, 황산 (0.5 M H2SO4) 용액 하에서 ORR 을 측정하였다. 기존의 보고에 따르면, 순수한 Pt 보다 Co, Ni, Fe 등과 같은 전이금속과 합금 되어진 Pt 물질이 좋은 활성을 나타낸다는 결과가 보고되었고, 구형의 Pt 입자보다 특정 결정면을 보이는 Pt 입자의 경우 활성이 증가한다는 결과가 보고 되었기에 본 연구에서는 특정 결정면을 보이는 Pt-Co 합금 촉매를 합성하여 촉매의 성능을 비교 분석 해 보았다. 촉매의 활성을 비교하기 위해 산업용으로 많이 쓰이는 Johnson Matthey 사의 촉매와 구형의 Pt9Co 촉매, 입방 모양의 순수한 Pt 촉매를 함께 측정해 보았다. 그 결과 입방 모양의 Pt9Co 촉매를 위에서 언급된 촉매들과 활성을 비교한 결과, 산업용 대비 4배, 구형의 Pt9Co 대비 1.6 배, 입방 모양의 Pt 대비 1.9 배의 향상된 결과를 얻을 수 있었다.
4장에서는 Pt {111}/{100} 면이 도드라진 깎은 정팔면체 (Truncated Octahedron, TO) 모양과 Pt{100} 면이 도드라진 입방 모양의 Pt3Co 나노 입자를 콜로이드 방법으로 합성하였고, 다양한 분석 기기를 통해 구조와 성분비를 얻을 수 있었다. 앞서 3장에서의 조건과 달리, 하이포아 염소산 (0.1 M HClO4) 용액 하에서 ORR 을 측정하였으며, 이 용액 하에서는 황산에서와 달리 Pt {111} 면이 {100} 면보다 더 좋은 활성을 보이는 것으로 보고가 되었기 때문에 이와 같이 측정 조건을 변경하였다. 촉매 활성을 비교하기 위해 Johnson Matthey 사의 촉매를 함께 측정해 본 결과, TO 모양의 Pt3Co 촉매가 입방 모양의 Pt3Co 대비 1.7배, 산업용 대비 6.8 배 높은, 매우 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 본 논문에서 소개 된 바와 같이 입자의 형상을 조절한 나노입자 연구롤 바탕으로 PEMFCs 의 촉매에 대한 더욱 효과적인 연구가 진행 될 것이라 기대해 본다.
