양이온 치환을 통한 중공 구조 Pd3N 나노입자 합성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

From the past to the present, humanity has relied on fossil fuels for energy production. Fossil fuels emit carbon oxides, the primary cause of global warming, which trigger the greenhouse effect. To reduce the use of fossil fuels, the primary driver of global warming, interest in renewable energy is increasing. Among these, water electrolysis and fuel cell technologies, which store and produce energy through electrochemical reactions, are emerging as key alternatives due to their capability to achieve high-efficiency energy conversion without carbon emissions. Water electrolysis is the reaction that uses electrical energy to split water into hydrogen and oxygen, while a fuel cell is a system that converts the chemical energy stored in hydrogen into electrical energy to generate clean power. These two technologies enable cyclical energy conversion, playing a pivotal role in establishing hydrogen-based energy systems. However, these electrochemical reactions proceed slowly at the electrode surface, making catalysts with high activity and stability essential. Current commercial catalysts utilise precious metal-based materials such as Pt, IrO2, and RuO2, presenting limitations of high cost and resource scarcity that hinder widespread adoption. Consequently, developing catalysts that are cost-effective yet provide high electrochemical activity is critically important. For this reason, research into nanoparticles is actively being conducted, aiming to enhance efficiency by minimising the amount of precious metals used or maximising the surface area where catalytic reactions occur. Particularly noteworthy are hollow-structured nanoparticles with internal voids. These provide a significantly larger surface area per unit mass and allow reactants to penetrate into the particle interior, thereby maximising the exposure of active sites. This structural advantage leads to increased catalytic activity, enabling enhanced catalytic performance in electrochemical reactions.
Therefore, in this study, the Kirkendall effect, induced by the difference in ion diffusion rates between Cu+ diffusing outward and Pd2+ diffusing inward during the cation exchange reaction, was employed to synthesis hollow Pd3N nanoparticles with an internal void structure. This approach minimised the use of precious metals and maximised the accessible surface area. Furthermore, the effects of synthesis conditions—including the type of Pd precursor, reaction temperature, and solvent composition—on the phase, morphology, and evolution of the hollow structure in the final product were systematically investigated.

국문 초록 (Abstract)

과거부터 현재까지 인류는 에너지를 화석연료로부터 얻어왔다. 화석연료는 지구온난화의 가장 큰 원인인 탄소 산화물을 발생하며 이는 온실효과를 유발한다. 지구온난화의 주요 원인인 화석연료의 사용을 줄이기 위해 신재생에너지의 주목도가 증가하고 있다. 그 중 전기화학 반응을 통해 에너지를 저장 및 생산하는 수전해 (water electrolysis)와 연료전지 (fuel cell) 기술은 탄소 배출 없이 고효율 에너지 전환이 가능하다는 점에서 핵심적인 대안으로 떠오르고 있다. 수전해는 전기에너지를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 반응이고 연료전지는 수소가 지닌 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 청정 전력을 생산하는 장치이다. 이 두 기술은 순환적으로 에너지 변환을 가능하게 하여 수소 기반 에너지 시스템을 구축하는 데 핵심적인 역할을 담당한다. 그러나 이러한 전기화학 반응은 전극 표면에서 느리게 진행되므로 높은 활성과 안정성을 지닌 촉매가 필수적이다. 현재 상용 촉매는 Pt, IrO2, RuO2와 같은 귀금속 기반 물질을 사용하기 때문에 높은 비용과 자원 희소성이라는 한계로 상용화되기 어렵다. 따라서 비용 효율적이면서도 높은 전기 촉매 활성을 제공할 수 있는 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하다. 이러한 이유로 귀금속의 양을 최소화하거나 촉매반응이 일어나는 표면적을 극대화하여 효율을 높이는 나노입자 연구가 진행 중이다. 특히 내부가 비어있는 중공 구조 나노입자는 동일한 질량 대비 훨씬 큰 표면적을 제공하며 반응물이 입자 내부까지 침투할 수 있어 활성 부위의 노출을 극대화할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 이러한 구조적 이점은 촉매 활성 증가로 이어져 전기화학 반응에서 뛰어난 촉매 성능을 발휘할 수 있도록 한다.
따라서 본 연구에서는 양이온 치환 반응에서 외부로 확산되는 Cu+과 내부로 확산되는 Pd2+의 이온 확산 속도 차이로 인해 유도되는 kirkendall 효과를 활용하여 내부가 비어있는 중공 구조의 Pd3N 나노입자를 합성하여 귀금속의 사용을 줄이고 표면적을 극대화하였다. 또한 Pd 전구체의 종류, 반응 온도, 용매 조성 등 합성 조건이 생성물의 상, 모양, 중공 구조의 발달 과정에 미치는 영향을 조사하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 불균일 촉매 3
• 제 3 절 중공 구조 나노입자 합성 4
• 제 1 항 양이온 치환 반응 6
• 제 2 항 Kirkendall 효과 8
• 제 4 절 전이 금속 질화물 12
• 제 2 장 실험 방법 15
• 제 1 절 시약 및 기기 15
• 제 2 절 Cu3N 나노입자 합성 16
• 제 3 절 중공 구조 Pd3N 나노입자 합성 17
• 제 4 절 중공 구조 Cu3PdN 나노입자 합성 18
• 제 3 장 본 론 19
• 제 1 절 Cu3N 나노입자 분석 19
• 제 2 절 용매, Pd 전구체 종류에 따른 경향성 21
• 제 3 절 반응 온도에 따른 경향성 26
• 제 4 절 전구체 당량에 따른 경향성 30
• 제 4 장 결 론 32
• 참고문헌 34
• Abstract 37