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Design of metal oxide nanostructures and their application as highly sensitive gas sensors and $CO_2$ conversion catalysis = 금속산화물 나노구조체 디자인과 이를 활용한 고감도 기체 센서 및 이산화탄소 전환 연구
서명 / 저자 Design of metal oxide nanostructures and their application as highly sensitive gas sensors and $CO_2$ conversion catalysis = 금속산화물 나노구조체 디자인과 이를 활용한 고감도 기체 센서 및 이산화탄소 전환 연구 / Jinmo Kim.
저자명 Kim, Jinmo ; 김진모
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

Recently, nanoparticles have been studied in various fields such as medical treatment, bioengineering, environment and energy, due to their high activity caused by large surface area. In special, metal oxide semiconductors have been used for gas sensors, photo- and electrocatalysts. These metal oxide semiconductor nanoparticles show distinct properties dependent upon morphology, sizes, and oxidation states, and thus numerous scientists have studied in many directions to enhance the sensitivity or selectivity for catalytic reactions. In charter 2, we suggested Co-rich $ZnCo_2O_4$ hollow nanospheres for the sensitive detection of formaldehyde gas. The resulting nanospheres show the lowest value of the detection limit ever reported. In addition, the selectivity of formaldehyde and durability were high, too. The composition and nanostructure of this material would be a good reference for enhancing a sensitivity, selectivity and stability of gas sensors with other semiconducting materials. In chapter 3, we synthesized ZnO-$Cu_2O$ hybrid nanostructures bearing uniform junctions and employed them to photochemical $CO_2$ reduction. The ZnO-$Cu_2O$ hybrid catalysts showed the methane generation with more than 99% selectivity and a high activity. This activity is the highest among photochemical $CO_2$ reduction studies in aqueous medium thus far. To identify the junction effect between ZnO and $Cu_2O$, the control experiments were conducted only with ZnO or $Cu_2O$ nanoparticles, confirming the fact that well-defined junctions could enhance the activity. Further, the mechanism studies were conducted to explain the photocatalytic properties of ZnO-$Cu_2O$ hybrid catalysts. For photochemical $CO_2$ conversion reactions, this result indicates that the photocatalysts other than TiO2 can exhibit high activity by the control of their structures and compositions. In addition, the Z-scheme like mechanism in this study would be a good reference for understanding other photocatalytic reactions using various semiconducting materials. In charter 4, we synthesized copper oxide nanoparticles with two different morphology and oxidation states, i. e. branched CuO and cube $Cu_2O$, and employed them for the electrocatalytic $CO_2$ reduction reaction. Particularly, branched CuO nanoparticles show over the selectivity of ethylene generation more than 70%, which is one of the highest values ever reported. This result figures out that the disintegration of copper nanoparticles significantly affects the selectivity in electrochemical $CO_2$ reduction reactions.

나노입자는 표면적이 넓어 활성이 높다는 장점을 지니고 있어 의료, 생명공학, 환경, 에너지 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 특히 금속산화물 반도체의 경우 가스센서 또는 광 및 전기촉매로써 쓰이고 있으며 종류 및 모양과 크기, 산화수 등에 따라 그 특성이 달라진다는 연구들이 많이 보고되고 있다. 이러한 특성을 이용하여 많은 과학자들이 가스센서의 감도나 광 및 전기촉매의 선택성 및 반응성을 향상시키기 위해 다방면으로 접근하는 연구가 이루어지고 있다. 제 2장에서는 속이 빈 코발트 과량 아연코발트산화물 나노구체입자를 합성하였고 포름알데하이드 가스를 고감도로 검출하는 센서로 활용하였다. 본 나노구체는 세계 최고의 한계감도 값과 높은 선택성을 보였으며, 안정성 또한 하루 이상으로 훌륭했다. 가스센서에 있어 감도 및 선택성, 안정성을 향상시키기 위해서 본 연구에서의 물질 및 나노입자 구조는 좋은 참고사항이 될 것이다. 제 3장에서는 산화아연-산화구리 혼성 나노구조체를 합성하였고 광화학적 이산화탄소 전환 반응에서 어떠한 특성을 보이는지 연구하였다. 그 결과 메탄에 대한 높은 선택성과 반응성을 보였는데, 수용액상에서 이루어진 연구들 중 가장 좋은 값을 보였다. 또한 두 물질이 접합을 이룸에 따라 반응성이 월등히 상승함을 확인할 수 있었다. 더불어 이러한 특성을 메커니즘 분석을 통해 설명하였다. 본 연구는 산화티타늄 외의 다른 물질들도 나노구조체의 특성에 따라 높은 광촉매적 활성을 보일 수 있다는 것을 보였고, 메커니즘 이해에도 큰 도움이 될 것이다. 제 4장에서는 가지형 산화구리(II) 나노입자와 입방체형 산화구리(I) 나노입자를 합성하였고, 이 두 산화구리 나노입자가 전기화학적 이산화탄소 환원에서 어떠한 특성을 보이는지 비교하였다. 특히, 가지형 산화구리 나노입자의 경우 에틸렌 생성에 있어 70% 이상의 선택성을 보였으며 현재 보고된 다른 연구들과 비교하였을 때 최고 값을 가진다. 본 연구는 이산화탄소 전환 전기촉매 연구에 있어, 기존에 많이 연구되던 구리 나노입자들이 부서지는 형태에 따라 선택성이 크게 달라짐을 보인다고 확인할 수 있었다.

서지기타정보

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청구기호 {DCH 18025
형태사항 vii, 88 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김진모
지도교수의 영문표기 : Hyunjoon Song
지도교수의 한글표기 : 송현준
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학과,
서지주기 Including references
주제 nanoparticles
$CO_2$ reduction
photocatalysts
electrocatalysts
gas sensors
나노입자
이산화탄소 환원
광촉매
전기촉매
가스센서
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