Nanoparticles have attracted enormous attention due to their distinct physical, optical, electromagnetic properties, which are different from those of bulk materials. Particularly, controlled morphology of nanostruc-tures can provide insightful knowledge to improve their catalytic properties because of the different types of exposed facets on their surface of NPs. Accordingly, Catalyst-electrode design is very important for widespread use of fuel cells because the catalytic properties could depend on the size and morphology of the metal nano-particles. Although nanoparticles have their intrinsic properties, multi-metallic nanomaterials have received wide interests because they exhibit new chemical and physical properties, being distinct from those of the correspond-ing monometallic counterparts. In many cases, there have been significant efforts to generate multi-metallic nanoparticles with various size and shape due to synergistic effects, leading to draw great enhancement of catalytic activities. Therefore, the main objective of this dissertation focuses on developing the high qualified multi-metallic nanostructured materials via a facile one-pot aqueous method and their application to fuel cell.
In chapter 2, One-pot synthesis of carbon-supported Pd-Au alloy nanoparticles with well-defined dendritic shape (Pd-Auden/C) was achieved by co-reduction of K2PdCl4/HAuCl4 mixtures in a molar ratio of 1:1 with hydrazine in the presence of Vulcan XC-72R. The prepared Pd-Auden/C exhibited significantly enhanced per-formance in the electrocatalytic oxidation of ethanol compared with dendritic Pd nanoparticles and a commercial Pd/C catalyst. The Pd-Auden/C even showed higher durability in ethanol electro-oxidation than the supported catalyst prepared by the deposition of pre-synthesized dendritic Pd-Au NPs on the carbon support. The experimental results clearly indicate that enhanced interaction between nanoparticle catalysts and carbon support through the one-pot synthesis protocol can improve the durability of the electrocatalysts.
In chapter 3, The development of an efficient synthesis method to produce multi-metallic nanoparticles (NPs) with a desirable structure is strongly required to clarify the structure-composition-property relationship of NPs and to investigate their possible applications. However, the controlled synthesis of NPs consisting of multiple (n ≥ 3) noble metal components has been relatively unexplored in comparison to bimetallic NPs. In the present work, we have demonstrated a facile one-pot aqueous approach for the controlled synthesis of trimetallic Au@PdPt core-shell NPs with a well-defined octahedral Au core and a highly-crystalline dendritic Pd-Pt alloy shell (Auoct@PdPt NPs). The simultaneous reduction of multiple metal precursors with dual reducing agents, namely, ascorbic acid and hydrazine, gave a fine control over the nucleation and growth kinetics of NPs, resulting in the formation of novel Auoct@PdPt NPs. The prepared NPs showed excellent catalytic performance for methanol electrooxidation, which can be attributed to their optimized binding strength toward adsorbate molecules due to the improved charge transfer between core and shell of the NPs. The present strategy can offer a convenient and valuable way to fabricate multi-component nanostructures with desired structures and functions.
나노 입자는 벌크 물질과는 확연히 구분되는 물리적, 광학적, 전기적, 자기적 성질로 인해 큰 각광을 많아 왔다. 특히, 구조가 조절된 나노 입자에서는 그 구조에 따라 표면에 노출된 결정면이 서로 다르기 때문에 나노입자가 가지는 촉매 활성이나 특징을 향상시킬 수 있는 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 나노입자의 사이즈나 조성, 모양에 따라 촉매 활성이 달라지므로 연료전지용 촉매의 상용화를 위해서는 무엇보다도 촉매 디자인이 매우 중요하다. 더 나아가, 나노 입자는 그 자체의 고유 전기적, 광학적, 자기적 성질이 존재하지만 다중금속의 경우에는 단일 금속과는 또 다른 여러 물리적 화학적 성질이 나타나므로 여러 분야에 응용할 물질로서 많은 관심을 받아왔다. 이로 인해, 다중 금속의 시너지 효과로 인한 여러 촉매 활성의 높은 향상을 이끌어 내기 위해 모양과 크기가 조절된 다중 금속 나노입자의 합성에 많은 노력을 기울여왔다. 따라서, 본 학위 논문의 주제는 one-pot 수용액 합성법을 통한 고품질의 다중 금속 나노구조체의 합성과 연료전지분야에 적용하는 데에 있다.
2장에서는, 탄소구조체에 지지된 dendritic Pd-Au 합금 나노 입자를 Pd 전구체와 Au 전구체의 동시 한원법으로 one-pot에 합성하였다. 합성된 dendritic Pd-Au 합금 나노입자 (Pd-Auden/C)는 dendritic Pd 나노입자와 상용화된 Pd/C 입자와 비교하였을 때 에탄올 산화 반응에서 상당히 향상된 활성을 보여주었다. 심지어 Pd-Auden/C는 미리 합성된 Pd-Au 합금 나노입자를 탄소구조체에 지지했는 경우 보다 에탄올 산화반응에서 더 높은 안정성을 보여주었다. 따라서, one-pot합성법을 통한 나노입자와 탄소구조체 사이의 향상된 상호작용이 전기적 촉매의 안정성에 높은 기여를 함을 밝혀낼 수 있었다.
3장에서는, 3가지 이상을 포함하는 모양이 조절된 다중금속 나노입자를 합성하는 효율적인 방법을 개발해내었고, 이러한 나노입자의 합성을 통해 구조-조성-성질간의 관계를 밝혀냄으로써 여러 분야에 응용가능성을 조사해보았다. 그러나, 이중금속 나노입자와는 달리 3가지 이상을 포함하는 다중금속 나노입자의 연구는 상대적으로 많이 이뤄지지 않았다. 이 장에서는, 잘 제어된 팔면체 구조의 Au 코어와 높은 결정성을 가지는 dendritic Pd-Pt 합금 나노 입자로 이로어진 삼중금속 Au@PdPt 코어-쉘 입자를 one-pot 합성법으로 합성해었다. 이는, 두가지 환원제를 이용하여 핵 생성 및 성장의 역학적 조절을 통해서 세 가지 금속 전구체를 동시에 환원시킴으로써 합성하였다. 이렇게 합성된 입자는 코어와 쉘 간의 향상된 전하 전이능력 때문에 촉매 반응중 생기는 중간체와의 결합력을 최적화 시킴으로써 메탄올 산화 반응에 뛰어난 활성을 보였다. 이 방법은 원하는 구조와 기능을 가지는 다중 금속 나노입자를 모양을 조절하는데 편리하고 효율적인 방법을 제시할 수 있을 것이라고 기대된다.
