NiO-Bi2O3 나노복합체의 고속 충·방전 슈퍼커패시터 및 알칼리 수소발생 촉매 연구 = Tailoring NiO-Bi2O3 Nanocomposites for Fast-Charging Supercapacitors and Efficient Alkaline HER

국문 초록 (Abstract)

고성능 전극촉매를 저비용, 지속 가능하며 대량 생산이 가능한 방법으로 개발하는 것은 실용적인 에너지 저장·변환을 위한 귀금속계 촉매의 대체재 개발에 필수적이다. 본 연구에서는 니켈과 비스무트 전구체를 공침법으로 합성하여 NiO-Bi2O3 혼합 금속 산화물을 제조하였고, Ni:Bi 몰비를 변경(3:1, 1:1, 1:3, 1:5)하여 형성 메커니즘을 체계적으로 조사하였다. 제작된 소재는 XRD, FE-SEM, HR-TEM, BET, XPS, EDS 분석을 실시하여, 전구체 조성에 따라 생성물의 형태와 결정성에 뚜렷한 차이를 확인하였다. 특히 Ni:Bi = 1:3 조성의 NiO–Bi2O3 혼합 금속 산화물은 3차원 꽃모양 계층구조와 풍부한 산소 공공(산소 결함)의 형성을 관찰하였으며, 이 산소공공은 전자의 이동성과 관련된 격자결함임을 XPS 분석을 통해 확인하였다. 해당 전극은 6 M KOH 조건에서 1 A·g⁻¹의 전류밀도 시 1218.5 F·g⁻¹의 최대 비정전용량을 나타내어, 다른 조성 대비 우수한 성능을 나타내었다. 최적화된 NiO-Bi2O3(음극)와 NiCo-LDH(양극)로 비대칭 슈퍼커패시터를 제작하였고, 이 장치는 750 W·kg⁻¹ 전력밀도에서 114.62 Wh·kg⁻¹의 에너지밀도를 시현하며, 5,000회 충·방전 후에도 초기 용량의 98.3%를 유지하는 우수한 안정성을 보였다. 본 전극은 수소발생반응(HER)에서도 우수한 촉매 활성을 나타내었으며, 1 M KOH에서 10 및 50 mA·cm⁻² 조건에서 각각 73 및 138 mV의 과전압과 35 mV·dec⁻¹의 타펠기울기를 나타냈다. 이 결과는 NiO-Bi2O3 하이브리드 나노구조가 슈퍼커패시터 및 수소발생 분야에서 실질적 응용 잠재력을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Contents I
• List of Tables III
• List of Figures IV
• Abstract VII
• 1. Introduction 1
• 1.1. Overview of energy storages and catalysts based on transition- metal oxides 1
• 1.2. Supercapacitor based on Transition-metal oxides (TMOs) as active material 3
• 1.3. Hydrogen evolution reaction based on Transition-metal oxides (TMOs) as electrocatalysts 6
• 2. Experimental 10
• 2.1. Materials 10
• 2.2. Synthesis mechanism 11
• 2.2.1. Synthesis of NiCo-Layered Double Hydroxide(NiCo-LDH) 11
• 2.2.2. Synthesis of NiO-Bi2O3(NBO) hybrid composites 11
• 2.3. Materials characterizations 14
• 2.4. Electrochemical characterization 15
• 2.4.1. Electrochemical study of supercapacitor 15
• 2.4.2. Electrochemical study of Hydrogen Evolution Reaction 16
• 3. Results and discussion 19
• 3.1. TEM, HR-TEM 19
• 3.2. FESEM-EDX, Elements Mapping 23
• 3.3. XRD and XPS 25
• 3.4. FE-SEM 30
• 3.5. FT-IR and Raman 32
• 3.6. BET 34
• 3.7. Electrochemical performance 37
• 3.7.1. Supercapacitor performance in 3-electrode system 37
• 3.7.2. Supercapacitor performance in 2-electrode system 43
• 3.7.3. HER performance of NiO-Bi2O3 hybrid composites 47
• 4. Conclusions 53
• 5. References 55
• 국문 초록 70