We synthesized multicomponent hybrid nanostrcutures by variation of chemical processing routes. The hybrid nanostructure is based on nitrogen doped CNT (nCNT), polyaniline (pani) and metal oxides (MnOx & RuOx). The interaction between nCNT and pani resulted in a strong bond between protonated pyridinic N and aniline radical. Such kind of bonding is explained by proposing a radical-cation coupling model (RCCM). The strong coupling between nCNT and pani is evident from the N1s deconvoluted XPS spectra where a new peak arises at 398.9eV. Raman spectra taken before and after solution processing of nCNT-pani showed the presence of pani peaks. Due to the close interaction and strong bonding, our hybrid nanostructure (nCNT-pani) showed specific capacitance value of 1,450 F/g and 515 F/g in neutral and acidic electrolyte respectively that is comparatively higher than reported before. Similarly the electrochemical performance is further enhanced by incorporation of metal oxides in nCNT-pani via one step and two-step process. We achieved a maximum specific capacitance value (1,817 F/g) for nCNT-pani/MnOx-1 in neutral solution. Similarly, in case of nCNT-pani/RuOx-2, a specific capacitance value of (1,155 F/g) was achieved in acidic solution almost double the value of nCNT-pani. The overall good electrochemical performance exhibited by our two and three component hybrid nanostructures is considered to be because of very close interactions among them.
본 연구는 수직배향된 질소도핑 CNT (N-CNT), 폴리아닐린(PANI), 그리고 금속산화물(MO)로 구성된 다성분계 복합나노구조물을 제조하여 서로간의 상호작용과 그 구조물에 대한 전기화학적 특성에 관한 것이다.
PANI 고분자는 N-CNT 표면에 균일하게 코팅 되었는데, N-CNT와 PANI 간에 높은 결합력(공유결합)이 있을 것으로 판단되었다. 두 물질 간에 서로 공유결합 하는 메커니즘에 대하여 라디칼-양이온 결합 모델(Radical-Cation Coupling Model)을 제시하였다. 이를 뒷받침하는 분석으로써 SEM, Raman, XPS, 그리고 CV 장비 등을 이용하여 확인하고자 하였다.
모든 실험 분석은PANI 사슬 성장 시작단계(중합개시 1분에서 5분 범위에서)에서 만들어진 샘플로 실험하였다. 여러 장비를 활용한 분석 결과를 통하여 두 물질간에 높은 상호작용(결합)이 있었음을 보여주었다.
짧은 시간 동안의 PANI 중합으로 인해N-CNT 표면에 얇은 PANI 필름이 형성되었으며, XPS 분석을 통하여 공유결합에 관련된 새로운 피크가 확인되었고, N-CNT 보다 더 높은 캐퍼시턴스 값을 얻은 것으로 보아 N-CNT 표면에 PANI 고분자와 공유결합으로 인한 두 물질 간 빠른 전하 이동이 이루어짐을 알 수 있었다.
이러한 분석 결과들로부터 제시한 가설과 반응 메커니즘 모델이 잘 들어 맞는 것으로 여겨진다. N-CNT/PANI 혼성 나노 구조물은 산성기 용액에서뿐만 아니라 중성 용액에서도 유사한 특성이 보임을 확인하였다.
문헌에서 보고되었던 캐퍼시턴스 값과 비교하여 중성과 산성 전해액 속에서 얻은 캐퍼시턴스 값이 각각 1450 F/g와 515F/g로 매우 높은 결과값을 얻었다.
N-CNT/PANI 나노구조물에 금속 산화물 (MnOx또는 RuOx)을 두가지 방법으로 흡착시킨 결과 이전보다 더 향상된 전기화학적 성능을 보였다.
중성 전해질 용액에서 N-CNT/PANI/MnOx-I 성분계 구조물에 대하여 최대 캐퍼시턴스 값으로 1817 F/g을 얻었고, N-CNT/PANI/RuOx-II 성분계 구조물에 대해서는 산성 전해질 용액에서 1155 F/g을 얻어 N-CNT/PANI 성분계 구조물에서 보다 2배 이상의 높은 특성을 보였다. 그러나, N-CNT/PANI/RuOx-I 성분계 구조물의 경우에는 산성 전해질 용액에서 캐퍼시턴스 특성이 높지는 않았지만, 보다 안정적으로 유지되는 캐퍼시턴스 값 572 F/g을 얻었다.
결론적으로, N-CNT/PANI 구조물은 두 물질이 서로 공유결합이 되어 있기 때문에 산성과 중성 전해질 용액에 대해서 매우 높은 전기적 성능을 갖게 하고, 또한 추가적인 단순 공정을 통해 금속 산화물(MnOx 또는RuOx)을 그 구조물 내로 흡착시켜 주어 보다 더 향상된 전기적 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
