KR20230143370A - 3d-on-1d hybrid nanoarchitecture and manufacturing method thereof, supercapacitor containing the same, catalyst for oxygen evolution reaction(oer) containing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물(3D-on-1D Hybrid Nanoarchitecture) 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 슈퍼캐패시터, 이를 포함하는 산소 발생 반응(OER)용 촉매 에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 장수명 하이브리드 셀 및 산소 발생 반응을 위한 1 단계 수열합성법 기반 CoNiP-CoP2 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 슈퍼캐패시터, 이를 포함하는 산소 발생 반응(OER)용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D-on-1D Hybrid Nanoarchitecture and a method of manufacturing the same, a supercapacitor including the same, and a catalyst for oxygen evolution reaction (OER) including the same, and more specifically, , The present invention provides a CoNiP-CoP 2 3D-on-1D hybrid nanostructure based on a one-step hydrothermal synthesis method for a long-life hybrid cell and oxygen evolution reaction, a method for manufacturing the same, a supercapacitor containing the same, and an oxygen evolution reaction (OER) containing the same. It's about catalysts.
최근 휴대용 전자기기 및 전기 자동차의 붐으로 인해 재충전 가능한 전기화학 시스템과 녹색 수소 생산의 중요성이 부각되고 있다. 활성 물질이 위에서 언급한 두 시스템 모두에서 핵심적인 역할을 한다는 것은 잘 알려진 바와 같다. 따라서, 전기화학 시스템의 비용은 활물질과 그 제조에 따라 달라진다.The recent boom in portable electronics and electric vehicles has highlighted the importance of rechargeable electrochemical systems and green hydrogen production. It is well known that active substances play a key role in both of the above-mentioned systems. Therefore, the cost of an electrochemical system depends on the active material and its preparation.
지금까지 화학기상증착법, 열증착법, 스퍼터링법, 잉크젯 인쇄법, 전기방사법 등 다양한 제조 방법을 사용하여 제조하였으나 이러한 방법은 고에너지 소비 장비, 유해 화학물질/용제, 중장비 및 복잡한 작업이 포함하기 때문에 전기화학 시스템의 생산 비용을 증가시킨다.So far, it has been manufactured using various manufacturing methods such as chemical vapor deposition, thermal evaporation, sputtering, inkjet printing, and electrospinning, but these methods involve high energy consumption equipment, hazardous chemicals/solvents, heavy equipment, and complex operations, so they require no electricity. Increases the production cost of chemical systems.
따라서, 전기화학 시스템의 생산 비용을 감소시키기 위해서는 전극 재료를 공정 단순화가 필요하며, 원가를 낮추고 환경 안전성을 높일 수 있는 연구가 필요하다.Therefore, in order to reduce the production cost of electrochemical systems, it is necessary to simplify the process of electrode materials, and research is needed to lower costs and increase environmental safety.
본 발명의 실시예는 탄소 천(CF) 상에 성장된 나노 콘 및 나노 입자를 포함하는 CoNiPCoP2(cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide)의 이중 금속 인화물(dual metal phosphides)을 포함하여 플렉서블(flexible) 특성을 갖는 동시에 높은 면적 용량 및 전기화학적 특성을 갖는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 슈퍼캐패시터, 이를 포함하는 산소 발생 반응(OER)용 촉매를 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention include dual metal phosphides of CoNiPCoP 2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide) containing nanocones and nanoparticles grown on carbon cloth (CF), thereby demonstrating their flexible properties. The aim is to provide a 3D-on-1D hybrid nanostructure having high area capacity and electrochemical properties, a method for manufacturing the same, a supercapacitor containing the same, and a catalyst for oxygen evolution reaction (OER) containing the same.
본 발명의 실시예는 1 단계 수열합성법을 이용하여 매우 유연한 탄소 천(CF) 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 직접 합성함으로써 공정을 단순화시키는 동시에 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 슈퍼캐패시터, 이를 포함하는 산소 발생 반응(OER)용 촉매를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is a 3D-on method that simplifies the process and improves electrochemical performance by directly synthesizing the dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 on highly flexible carbon cloth (CF) using a one-step hydrothermal synthesis method. -The aim is to provide a 1D hybrid nanostructure, a method for manufacturing the same, a supercapacitor containing the same, and a catalyst for oxygen evolution reaction (OER) containing the same.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 콘; 및 상기 나노 콘 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 입자;를 포함하고, 상기 나노 콘 및 상기 나노 입자는 CoNiP-CoP2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide)의 이중 금속 인화물(dual metal phosphides)을 포함한다.The 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes at least one nanocone grown on carbon cloth; and at least one nanoparticle grown on the nanocone, wherein the nanocone and the nanoparticle include dual metal phosphides of CoNiP-CoP 2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide). .
상기 CoNiP-CoP2는 CoNiP와 CoP2 가 이종접합(Heterojunction) 구조를 가질 수 있다.The CoNiP-CoP 2 may have a heterojunction structure of CoNiP and CoP 2 .
상기 나노 입자의 평균 크기는 850nm 내지 900nm일 수 있다.The average size of the nanoparticles may be 850 nm to 900 nm.
상기 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 접촉각은 0° 일 수 있다.The contact angle of the 3D-on-1D hybrid nanostructure may be 0°.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 양극(cathode); 음극(anode); 및 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 전해질;을 포함한다.A supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a cathode including a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention; cathode (anode); and an electrolyte disposed between the anode and the cathode.
본 발명의 실시예에 따른 산소 발생 반응(OER)용 전극 촉매는 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함한다.An electrode catalyst for oxygen evolution reaction (OER) according to an embodiment of the present invention includes a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 탄소 천을 준비하는 단계; 니켈 전구체, 코발트 전구체, 인 전구체 및 용매를 포함하는 성장 용액을 준비하는 단계; 상기 성장 용액에 상기 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes preparing a carbon cloth; Preparing a growth solution containing a nickel precursor, a cobalt precursor, a phosphorus precursor, and a solvent; It includes adding the carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis.
상기 성장 용액은 탄소 천 상에 형성된 Co-Ni 인화물 핵(Co-Ni phosphide nuclei)을 수직 성장시키는 계면활성제를 더 포함할 수 있다.The growth solution may further include a surfactant that vertically grows Co-Ni phosphide nuclei formed on the carbon cloth.
상기 성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계에서, 성장 온도는 130℃ 내지 170℃일 수 있다.In the step of adding a carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis, the growth temperature may be 130°C to 170°C.
상기 성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계에서, 성장 시간은 3시간 내지 7시간일 수 있다.In the step of adding a carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis, the growth time may be 3 to 7 hours.
상기 성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계(S130)는, 탄소 천 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Adding a carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis (S130) includes at least one nanocone and at least one nanoparticle grown on the carbon cloth. A step of drying the nanoparticles may be further included.
본 발명의 실시예에 따르면, 탄소 천(CF) 상에 성장된 나노 콘 및 나노 입자를 포함하는 CoNiP-CoP2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide)의 이중 금속 인화물(dual metal phosphides)을 포함하여 플렉서블(flexible) 특성을 갖는 동시에 높은 면적 용량 및 전기화학적 특성을 갖는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 슈퍼캐패시터, 이를 포함하는 산소 발생 반응(OER) 용 촉매를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a flexible phosphide comprising dual metal phosphides of CoNiP-CoP 2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide) containing nanocones and nanoparticles grown on carbon cloth (CF) It is possible to provide a 3D-on-1D hybrid nanostructure with flexible properties and high areal capacity and electrochemical properties, a method for manufacturing the same, a supercapacitor containing the same, and a catalyst for oxygen evolution reaction (OER) containing the same. there is.
본 발명의 실시예에 따르면, 1 단계 수열합성법을 이용하여 매우 유연한 탄소 천(CF) 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 직접 합성함으로써 공정을 단순화시키는 동시에 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 슈퍼캐패시터, 이를 포함하는 산소 발생 반응 (OER) 용 촉매를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 is directly synthesized on highly flexible carbon cloth (CF) using a one-step hydrothermal synthesis method, thereby simplifying the process and improving electrochemical performance. An -on-1D hybrid nanostructure and a method for manufacturing the same, a supercapacitor including the same, and a catalyst for oxygen evolution reaction (OER) including the same can be provided.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 이미지 및 저배율에서 고배율의 FE-SEM(field-emission scanning electron microscope) 측정 결과를 도시한 이미지이다.
도 5a는 탄소 천, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 접촉각 측정 결과를 도시한 이미지이다.
도 5b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 EDS(X-ray spectroscopy) 스펙트럼을 도시한 그래프이고, 도 5c는 원소 매핑 이미지이며, 도 5d는 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 도시한 그래프이고, 도 5e는 TEM(Transmission electron microscope) 이미지, SAED(selected area electron diffraction) 패턴 및 TEM 측정에서 기록된 원소 매핑 이미지이며, 도 5f는 Ni 2p, Co 2p 및 P 2p 요소의 HR XPS 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 6a은 비교예 1, 비교예 2 및 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 5mV s-1에서 CV 곡선을 도시한 그래프이고, 도 6b은 2mA cm-2에서 GCD(galvanostatic charge-discharge) 곡선을 도시한 그래프이며, 도 6c는 면적 용량 값을 도시한 그래프이다.
도 6d 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 다양한 스윕 속도(sweep rate)로 기록된 CV 곡선을 도시한 그래프이고, 도 6e는 스윕 속도의 로그(logarithm)와 피크 전류(peak currents) 사이의 관계를 도시한 그래프이며, 도 6f는 v1/2 대 i/v 1/2 간의 관계를 도시한 그래프이고, 도 6g는 측정된 스윕 속도에서 확산 및 용량 제어(Diffusion- and capacitive-controlled)된 전류 기여 결과를 도시한 그래프이며, 도 6h는 GCD 곡선을 도시한 그래프이고, 도 6i는 다른 전류 밀도에서 면적 용량 값을 도시한 그래프이며, 도 6j는 7 mA cm-2 및 10 mA cm-2에서 조사된 내구성 시험 결과를 도시한 그래프이고, 도 6k는 내구성 테스트 전후의 피팅된 나이퀴스트 선도(Fitted Nyquist plot)를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 오페란도 XANES(Operando X-ray absorption near-edge structure) 측정에 대한 개략도를 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 최적 전압 윈도우(optimum voltage window)를 추정하기 위해 해당 전압 윈도우(corresponding voltage window)에서 측정된 CNP-CP-150 및 AC 전극의 CV 곡선을 도시한 그래프이며, 도 9는 0-1.5V의 전압 윈도우 내에서의 CV 곡선을 도시한 그래프이고, 도 10은 0-1.5V의 전압 윈도우 내에서의 GCD 곡선을 도시한 그래프이며, 도 11은 Ni K-edge 및 Co K-edge에서의 XANES 스펙트럼(spectra)을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 상이한 전류 밀도에서의 비/면적 용량 값을 도시한 그래프이고, 도 13은 비/면적 에너지 및 전력 밀도 값을 도시한 그래프이며, 도 14는 속도 성능 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 15는 내구성 테스트 결과를 도시한 그래프이며, 도 16은 내구성 테스트 전후에 얻은 나이퀴스트 선도(Fitted Nyquist plot)을 도시한 그래프이고, 도 17은 다양한 스윕 속도에서의 CV 곡선을 도시한 그래프이며, 도 18은 다양한 스윕 속도에서의 GCD 곡선을 도시한 그래프이고, 도 19는 QSSD(quasi-solid-state device; 실시예 5)의 면적/특정 용량 값을 도시한 그래프이며, 도 20은 팔찌 형태로 디자인된(Bracelet-like set-up) QSSD(quasi-solid-state device)를 도시한 이미지이다.
도 21은 2 mV s-1의 낮은 스윕 속도에서의 비교예 1, 비교예 2 및 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매의 LSV(linear sweep voltammograms) 프로파일을 도시한 그래프이고, 도 22는 8.5 10mA cm-2 또는 10mA cm-2의 전류 밀도를 구동하는 데 필요한 촉매의 OP(onset overpotential) 값을 도시한 그래프이며, 도 23은 타펠 기울기(Tafel slope)을 도시한 그래프이고, 도 24는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매와 참고물질들의 의 타펠 기울기를 비교하여 도시한 그래프이며, 도 25는 24시간 동안 10mA cm-2에서 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매에 대해 수행된 시간 전위차계 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 26은 OER 안정성 테스트 후, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매의 나노입자의 TEM 결과 및 SAED 패턴을 도시한 이미지이고, 도 27은 나노콘의 TEM 결과 및 SAED 패턴을 도시한 이미지이며, 도 28은 EDS 스펙트럼을 도시한 그래프이며, 도 29는 HNA의 원소 매핑 이미지를 도시한 것이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an image showing an image of a 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention and the results of FE-SEM (field-emission scanning electron microscope) measurement at low to high magnification.
Figure 5a is an image showing the contact angle measurement results of carbon cloth and 3D-on-1D hybrid nanostructures manufactured according to Examples 1 to 3 of the present invention.
Figure 5b is a graph showing the EDS (X-ray spectroscopy) spectrum of the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention, Figure 5c is an element mapping image, and Figure 5d is an XRD (X -ray diffraction) pattern, Figure 5e is a transmission electron microscope (TEM) image, selected area electron diffraction (SAED) pattern, and element mapping image recorded in TEM measurements, Figure 5f is Ni 2p, Co 2p and This is a graph showing the HR XPS spectrum of P 2p element.
Figure 6a is a graph showing the CV curve at 5mV s -1 of the 3D-on-1D hybrid nanostructures prepared according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Examples 1 to 3 of the present invention, and Figure 6b is 2mA cm It is a graph showing the galvanostatic charge-discharge (GCD) curve at -2 , and Figure 6c is a graph showing area capacity values.
Figure 6d is a graph showing the CV curves recorded at various sweep rates of the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention, and Figure 6e is the logarithm of the sweep rate and A graph showing the relationship between peak currents, Figure 6f is a graph showing the relationship between v 1/2 versus i/v 1/2 , and Figure 6g is a graph showing the relationship between diffusion and capacity control ( It is a graph showing the results of current contribution (diffusion- and capacitive-controlled), Figure 6h is a graph showing the GCD curve, Figure 6i is a graph showing area capacitance values at different current densities, and Figure 6j is 7 mA cm. It is a graph showing the results of the durability test conducted at -2 and 10 mA cm -2 , and Figure 6k is a graph showing the fitted Nyquist plot before and after the durability test.
Figure 7 shows a schematic diagram of the Operando FIG. 9 is a graph showing the CV curves of CNP-CP-150 and AC electrodes measured in the corresponding voltage window to estimate the optimal voltage window of the supercapacitor manufactured according to 0. It is a graph showing the CV curve within a voltage window of -1.5V, Figure 10 is a graph showing the GCD curve within a voltage window of 0-1.5V, and Figure 11 is a graph showing the Ni K-edge and Co K-edge This is a graph showing the XANES spectrum.
FIG. 12 is a graph showing the specific/area capacitance values at different current densities of the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention, and FIG. 13 is a graph showing the specific/area energy and power density values. 14 is a graph showing the results of the speed performance test, Figure 15 is a graph showing the results of the durability test, Figure 16 is a graph showing the Nyquist plot obtained before and after the durability test, and Figure 17 is a graph showing the results of the durability test. It is a graph showing the CV curve at various sweep speeds, Figure 18 is a graph showing the GCD curve at various sweep speeds, and Figure 19 is the area/specific capacity of QSSD (quasi-solid-state device; Example 5). It is a graph showing the values, and Figure 20 is an image showing a QSSD (quasi-solid-state device) designed in the form of a bracelet (bracelet-like set-up).
Figure 21 shows the LSV ( linear It is a graph showing the sweep voltammograms profile, and Figure 22 is a graph showing the OP (onset overpotential) value of the catalyst required to drive a current density of 8.5 10 mA cm -2 or 10 mA cm -2 , and Figure 23 is the Tafel slope. It is a graph showing the (Tafel slope), and Figure 24 is a graph comparing the Tafel slope of the catalyst containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention and the reference materials, Figure 25 is a graph showing the results of a time potentiometer test performed on the catalyst containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention at 10 mA cm -2 for 24 hours.
Figure 26 is an image showing the TEM results and SAED pattern of catalyst nanoparticles containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention after the OER stability test, and Figure 27 is an image showing the nanocone This is an image showing the TEM results and SAED pattern, Figure 28 is a graph showing the EDS spectrum, and Figure 29 is an element mapping image of HNA.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing embodiments and is not intended to limit the invention. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context. As used in the specification, “comprises” and/or “comprising” does not exclude the presence or addition of one or more other components or steps.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, “embodiment,” “example,” “aspect,” “example,” etc. should be construed to mean that any aspect or design described is better or advantageous than other aspects or designs. It's not like that.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Additionally, the term 'or' means an inclusive OR 'inclusive or' rather than an exclusive OR 'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Additionally, as used in this specification and claims, the singular expressions “a” or “an” generally mean “one or more,” unless otherwise indicated or it is clear from the context that the singular refers to singular forms. It should be interpreted as
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be different terms depending on technological developments and/or changes, customs, technicians' preferences, etc. Accordingly, the terms used in the description below should not be understood as limiting the technical idea, but should be understood as illustrative terms for describing embodiments.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the detailed meaning will be described in the relevant description. Therefore, the terms used in the description below should be understood based on the meaning of the term and the overall content of the specification, not just the name of the term.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express the embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the user or operator or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 도시한 개략도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천(110) 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 나노 콘 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 포함하고, 나노 콘(122) 및 나노 입자(123)는 CoNiP-CoP2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide)의 이중 금속 인화물(dual metal phosphides)을 포함한다.The 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes at least one nanocone 122 grown on carbon cloth 110 and at least one nanoparticle 123 grown on the nanocone. And the nanocones 122 and nanoparticles 123 include dual metal phosphides of CoNiP-CoP 2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide).
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천(CF; 220) 상에 성장된 나노(122) 콘 및 나노 입자(123)를 포함하는 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 포함하여 플렉서블(flexible) 특성을 갖는 동시에 높은 면적 용량 및 전기화학적 특성을 가질 수 있다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention is a double metal of CoNiP-CoP 2 including nano 122 cones and nanoparticles 123 grown on carbon cloth (CF; 220). By including phosphide, it can have flexible properties and at the same time have high area capacity and electrochemical properties.
CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물은 CoNiP와 CoP2 가 이종접합(Heterojunction) 구조를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 CoNiP와 CoP2 가 이종접합이 형성되어 빠른 전자 전달을 촉진하고, 물질의 활성 사이트(active site)의 전자 구조를 변화시켜 전하 이동 저항을 감소시키고 슈퍼캐패시터 및 전기 촉매 활성 성능을 향상시킬 수 있다.In the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 , CoNiP and CoP 2 may have a heterojunction structure. Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention promotes rapid electron transfer by forming a heterojunction between CoNiP and CoP 2 and changes the electronic structure of the active site of the material to generate charge. It can reduce movement resistance and improve supercapacitor and electrocatalytic activity performance.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천(110)을 포함한다.The 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes carbon cloth 110.
탄소 천(110)은 기판으로 사용될 수 있고, 직물 형태로 형성되어 유연성을 갖질 수 있다.Carbon cloth 110 can be used as a substrate and can be formed into a fabric form to have flexibility.
따라서, 탄소 천(110)은 유연한 에너지 저장 장치에서 우수한 전기 전도성으로 효율적인 집전체 역할을 할 수 있다,Therefore, the carbon cloth 110 can serve as an efficient current collector with excellent electrical conductivity in a flexible energy storage device.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천(110) 상에 형성된 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 포함하고, CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물은 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 나노 콘 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 포함한다.The 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 formed on carbon cloth 110, and the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 has at least one nanocone. (122) and at least one nanoparticle (123) grown on the nanocone.
나노 콘(122)은 탄소 천(110)에 맞닿은 일단 및 탄소 천(110)과 맞닿지 않은 타단을 포함하고, 타단은 날카로운 모서리를 갖도록 탄소 천(110)에서 수직 성장되어 높은 표면적을 제공할 수 있다.The nanocone 122 includes one end in contact with the carbon cloth 110 and the other end not in contact with the carbon cloth 110, and the other end is vertically grown in the carbon cloth 110 to have a sharp edge to provide a high surface area. there is.
나노 입자(123)은 캐슈 과일(cashew fruit) 형상을 가질 수 있고, 캐슈 과일 형상은 나노 입자의 양 끝단을 기준으로, 일단에서 타단으로 너비가 변화되는 너비 프로파일을 가질 수 있다.The nanoparticles 123 may have a cashew fruit shape, and the cashew fruit shape may have a width profile in which the width changes from one end to the other based on both ends of the nanoparticle.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 나노 콘(122) 및 나노 입자(123)에 의해 표면 거칠기가 증가되어 외부 표면이 거친 나노 시트를 형성할 수 있다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention has increased surface roughness by the nanocones 122 and nanoparticles 123, so that it can form a nanosheet with a rough outer surface.
3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 형상은 슈퍼캐패시터 또는 산소발생반응(OER)에서 전기화학적 특성을 조절하는 중요한 매개변수로, 형태학적 크기, 표면적, 다공성 및 합리적인 구조의 특성은 활성 부위의 접근성, 질량 확산 및 전하 수송 과정을 제어할 수 있다. 모든 형태의 크기를 나노 규모 범위로 축소하면 표면적이 상당히 증가하고, 이는 전기화학적 활성 사이트의 수를 조절할 수 있다.The shape of 3D-on-1D hybrid nanostructures is an important parameter controlling the electrochemical properties in supercapacitors or oxygen evolution reaction (OER). The morphological size, surface area, porosity and reasonable structural properties are related to the accessibility of active sites, Mass diffusion and charge transport processes can be controlled. Reducing the size of any form to the nanoscale range significantly increases the surface area, which can control the number of electrochemically active sites.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물이 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 포함하기 때문에, 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 형상의 표면적이 증가되어 전기화학적 활성 사이트의 수가 증가됨으로써 전기화학적 특성이 향상될 수 있다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention has a 3D structure because the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 includes at least one nanocone 122 and at least one nanoparticle 123. Electrochemical properties can be improved by increasing the surface area of the -on-1D hybrid nanostructure shape and increasing the number of electrochemically active sites.
나노 콘의 평균 길이(높이)는 나노미터 내지 마이크로미터일 수 있고, 바람직하게는, 나노 콘의 평균 길이(높이)는 1.1 ㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 나노 콘의 평균 길이가 마이크로 크기를 가지면 전기화학 반응에서 기여하는 전체 활성 사이트를 제공하지 않을 수 있기 때문에, 나노 사이즈를 가지면 활성 표면적을 증가시켜 보다 많은 활성 사이트를 제공하여 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.The average length (height) of the nano cones may be nanometers to micrometers, and preferably, the average length (height) of the nano cones may be 1.1 ㎛. For example, if the average length of a nanocone is micro-sized, it may not provide all the active sites that contribute in the electrochemical reaction, so having a nano-sized size increases the active surface area and provides more active sites to improve electrochemical performance. can be improved.
나노 입자의 평균 크기(너비)는 나노 크기를 가질 수 있고, 바람직하게는, 850nm 내지 900nm일 수 있다. 예를 들어, 나노 입자의 평균 크기가 마이크로 크기를 가지면 전기화학 반응에서 기여하는 전체 활성 사이트를 제공하지 않을 수 있기 때문에, 나노 사이즈를 가짐으로써 보다 많은 활성 사이트를 제공할 수 있다.The average size (width) of the nanoparticles may be nano-sized, and preferably may be 850 nm to 900 nm. For example, if the average size of nanoparticles is micro, it may not provide all active sites contributing to the electrochemical reaction, so having a nano size can provide more active sites.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 접촉각은 0° 일 수 있다.The contact angle of the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention may be 0°.
보다 구체적으로, 전극은 소수성을 가지면 전해질을 흡수할 수 없기 때문에 에너지 저장 또는 변환 분야에서 전기화학 반응을 실행하기 위해서는 전극이 액체/겔 전해질과 접촉해야 하므로 친수성은 전극의 중요한 특성이다. 베어 탄소 천은 123°의 높은 접촉각을 나타내어 높은 소수성을 나타내나, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 0°의 접촉각을 나타내기 때문에 높은 친수성을 가져 전기화학적 특성을 측정하면서 활성 물질과 전해질 사이의 상호 작용을 개선하기 때문에 활물질이 전해질에 의해 완전히 젖어 많은 전기화학 반응을 일으킬 수 있다.More specifically, hydrophilicity is an important property of electrodes because electrodes cannot absorb electrolytes if they are hydrophobic, so to carry out electrochemical reactions in energy storage or conversion fields, electrodes must be in contact with liquid/gel electrolytes. Bare carbon cloth exhibits a high contact angle of 123°, showing high hydrophobicity, but the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention exhibits a contact angle of 0°, so it has high hydrophilicity and can be used while measuring electrochemical properties. Because it improves the interaction between the active material and the electrolyte, the active material can be completely wetted by the electrolyte and cause many electrochemical reactions.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 소수성을 갖는 탄소 천(110) 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 형성함으로써, 높은 친수성을 통해 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물과 전해질 사이의 상호작용이 개선되어 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물이 전해질에 의해 완전히 젖어 더 많은 전기화학 반응을 유발할 수 있다,Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to the embodiment of the present invention forms a double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 on the hydrophobic carbon cloth 110, thereby providing high hydrophilicity to the embodiment of the present invention. The interaction between the 3D-on-1D hybrid nanostructure and the electrolyte is improved, so that the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention can be completely wetted by the electrolyte, causing more electrochemical reactions.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 높은 산화 환원 화학, 형태 및 빠른 동전기 덕분에 우수한 OER 활성뿐만 아니라 에너지 저장 성능을 나타낼 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 10mA cm-2에서 수행된 안정성 테스트에서 24시간 동안 안정적인 전기촉매 활성을 나타내고, 30000 사이클 이상에서 탁월한 내구성을 나타낼 수 있기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 실용성은 준고체 하이브리드 셀을 제작한 후 전자 부품에 전원을 공급하여 응용될 수 있다.3D-on-1D hybrid nanostructures according to embodiments of the present invention can exhibit not only excellent OER activity but also energy storage performance thanks to their high redox chemistry, morphology, and fast electrokinetics. That is, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention exhibits stable electrocatalytic activity for 24 hours in a stability test conducted at 10 mA cm -2 and can exhibit excellent durability over 30,000 cycles or more. The practicality of the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention can be applied by manufacturing a quasi-solid hybrid cell and then supplying power to electronic components.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 에너지 저장 소자 또는 OER 소자의 전극 또는 전극 촉매로 사용될 수 있고, 이에 제한되지 않고, 에너지 저장 및 촉매 응용을 위한 각종 에너지 소재에 포함될 수 있다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention can be used as an electrode or electrode catalyst for an energy storage device or an OER device, but is not limited thereto, and can be used in various energy materials for energy storage and catalyst applications. may be included.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 슈퍼캐패시터의 전극 또는 OER 소자의 전극 촉매로 사용될 수 있다.Preferably, the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention can be used as an electrode of a supercapacitor or an electrode catalyst of an OER device.
보다 구체적으로, 최근 몇 년 동안 웨어러블 및 휴대용 전자 장치의 번창은 유연하고 오래 지속되는 전력 장치에 대한 탐구를 자극했다. 슈퍼커패시터(SC) 및 리튬 이온 배터리(LIB)는 다른 에너지 저장 시스템 중에서 휴대용 전자 제품에 전력을 공급하는 데 앞장서고 있다.More specifically, the flourishing of wearable and portable electronics in recent years has stimulated the exploration of flexible and long-lasting powered devices. Supercapacitors (SCs) and lithium-ion batteries (LIBs), among other energy storage systems, are leading the way in powering portable electronics.
특히, 슈퍼커패시터(SC)는 안전성, 내구성, 전력 밀도 및 유연성 측면에서 리튬 이온 배터리(LIB)에 대한 관심이 증가하고 있다. 높은 산화 환원 활성 배터리 유형 재료와 다공성 탄소 관련 재료를 양극 및 음극으로 사용하는 하이브리드 셀 구성의 슈퍼커패시터(SC)는 각각 더 높은 에너지 밀도를 달성한다.In particular, supercapacitors (SCs) are receiving increasing attention over lithium-ion batteries (LIBs) in terms of safety, durability, power density, and flexibility. Supercapacitors (SCs) with hybrid cell configurations using highly redox-active battery-type materials and porous carbon-related materials as anodes and cathodes respectively achieve higher energy densities.
유연한 전자 장치에서 슈퍼커패시터(SC)의 적응성은 높은 유연성 전극으로 제작된 경우에만 생각할 수 있다. 유연한 섬유와 짜여진 질감을 가진 전도성 섬유/직물 기반 기질은 인상적인 모양 탄력성, 높은 전기 전도성 및 경량으로 인해 유연한 슈퍼커패시터(SC)를 제조하기 위한 적절한 집전체로 매료되었다. 여러 전도성 섬유/직물 중에서 탄소 섬유(CF)는 위에서 언급한 특성 외에도 높은 기계적 강도, 화학적 안정성, 내식성 및 열전도성을 나타낸다. 이러한 탄소 섬유(CF)의 특성을 고려할 때, 바인더와 첨가제를 제거하여 표면에 직접 활물질을 형성하는 것이 유리하며, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 1 단계 수열합성법을 이용하여 탄소 천(110) 상에 직접적으로 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 합성함으로써, 집전체, 바인더 및 첨가제를 제거하여 공정 단순화 및 공정 코스트를 감소시키는 동시에 전극의 유연성 및 전기화학적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.The adaptability of supercapacitors (SCs) in flexible electronics is only conceivable if they are fabricated with highly flexible electrodes. Conductive fiber/fabric-based substrates with flexible fibers and woven textures have been attracted as suitable current collectors for fabricating flexible supercapacitors (SCs) due to their impressive shape elasticity, high electrical conductivity and light weight. Among several conductive fibers/fabrics, carbon fiber (CF) exhibits high mechanical strength, chemical stability, corrosion resistance, and thermal conductivity in addition to the above-mentioned properties. Considering these characteristics of carbon fiber (CF), it is advantageous to form the active material directly on the surface by removing the binder and additives, and the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention is made using a one-step hydrothermal synthesis method. By synthesizing the dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 directly on the carbon cloth 110, the current collector, binder, and additives are eliminated to simplify the process and reduce the process cost, while simultaneously maintaining the flexibility and electrochemical properties of the electrode. It can be improved.
또한, 에너지 저장과 별도로 녹색 에너지원을 생산하는 것도 화석 연료의 급속한 소비와 환경 문제의 시나리오에서 필수 불가결하다. 일산화탄소를 환경으로 배출하지 않고 전기화학적 물분해 기술로 수소(H2)를 생산하는 것은 미래 에너지의 이상적인 원천으로 여겨진다. 물 분해 과정은 두 가지 핵심 산화환원 반응, 즉 양극과 음극에서 각각 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응으로 구성된다. 따라서 OER 활성이 높은 촉매는 생태 희소성과 생산 비용을 줄이기 위해 손쉬운 합성 경로를 통해 귀금속을 포함하지 않고 제조되어야 한다.Additionally, apart from energy storage, producing green energy sources is also indispensable in the scenario of rapid consumption of fossil fuels and environmental problems. Producing hydrogen (H 2 ) using electrochemical water splitting technology without emitting carbon monoxide into the environment is considered an ideal source of future energy. The water splitting process consists of two key redox reactions: oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction at the anode and cathode, respectively. Therefore, catalysts with high OER activity should be prepared without noble metals through facile synthetic routes to reduce ecological scarcity and production costs.
높은 전기화학적 활성, 준금속 구조, 높은 화학적 안정성 및 다중 전자 궤도를 갖는 전이 금속 인화물(TMP)은 최근 에너지 저장, 물 분해 등의 잠재적 전극 후보로 각광받고 있다.Transition metal phosphides (TMPs), which have high electrochemical activity, metalloid structure, high chemical stability, and multiple electronic orbitals, have recently attracted attention as potential electrode candidates for energy storage, water splitting, etc.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천 상에 성장된 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 포함하고, 전이 금속 인화물(TMP)인 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물은 코발트 전이 금속으로 구성되어 있고, 더 가까운 원자 및 전자 구조를 가지고 있으며, 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)이 높은 산화 환원 화학, 다가 상태, 높은 전기 전도도 및 우수한 내구성을 갖기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 에너지 저장 분야의 전극 재료 및 물 분해 기술의 잠재적 촉매로 사용될 수 있다.The 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 grown on carbon cloth, and the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 , which is a transition metal phosphide (TMP), is Because cobalt is composed of transition metals, has closer atomic and electronic structures, and cobalt (Co) or nickel (Ni) has high redox chemistry, multivalent states, high electrical conductivity, and excellent durability, the practice of the present invention The 3D-on-1D hybrid nanostructure according to the example can be used as an electrode material in the field of energy storage and as a potential catalyst in water splitting technology.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 산소 발생 반응(OER) 용 전극 촉매는 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함한다.Accordingly, the electrode catalyst for oxygen evolution reaction (OER) according to an embodiment of the present invention includes a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터를 도시한 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a supercapacitor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 양극(cathode), 음극(anode) 및 양극과 음극 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.A supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes an anode (cathode) including a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention, a cathode (anode), and an electrolyte disposed between the anode and the cathode.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 양극(cathode)을 포함한다.A supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a cathode including a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 도 1에서 설명한 바와 동일하기에 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention is the same as that described in FIG. 1, description of the same components will be omitted.
종래에는 니켈 폼/포일, 구리 폼/호일, 티타늄 포일, 스테인리스 스틸 포일, 흑연 시트 등과 같은 다양한 전도성 기판을 집전체로 사용하여 양극을 제조하였으나, 전도성 기판은 강성과 비유연성을 가져 유연한 에너지 저장 시스템을 제조하지 못하는 문제가 있었다.Conventionally, various conductive substrates such as nickel foam/foil, copper foam/foil, titanium foil, stainless steel foil, graphite sheet, etc. were used as current collectors to manufacture the anode. However, the conductive substrate is rigid and inflexible, making it a flexible energy storage system. There was a problem with not being able to manufacture.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 탄소 천 상에 성장된 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 포함하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 양극으로 사용하기 때문에, 전도성 기판으로 탄소 천이 사용되고, 활물질로 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 사용함으로써, 굽힘, 롤링, 비틀림, 접힘 등 다양한 물리적 변형 조건에 유연성을 갖는 유연한 에너지 저장 시스템을 제조할 수 있다.However, since the supercapacitor according to an embodiment of the present invention uses a 3D-on-1D hybrid nanostructure containing a double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 grown on carbon cloth as an anode, carbon cloth is used as a conductive substrate. , by using the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 as an active material, a flexible energy storage system with flexibility in various physical deformation conditions such as bending, rolling, twisting, and folding can be manufactured.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 음극(anode)을 포함한다.A supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes a cathode (anode).
음극은 음극 집전체 상에 코팅된 음극 코팅층을 포함할 수 있다.The negative electrode may include a negative electrode coating layer coated on the negative electrode current collector.
음극 코팅층은 활물질을 포함할 수 있고, 활물질은 탄소를 포함하는 탄소 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 활물질은 석유계 피치(pitch), 석탄계 피치(pitch), 생 코크스(그린 코크스), 칼시네이션(calcination) 코크스 및 코크스 더스트 등의 탄소 재료를 이용하여 형성될 수 있다.The negative electrode coating layer may include an active material, and the active material may be formed of a carbon material containing carbon. For example, the active material may include petroleum pitch, coal-based pitch, raw coke, Calcination can be formed using carbon materials such as coke and coke dust.
탄소 재료로 형성된 활물질은 활성탄, 흑연(graphite), 풀러렌(fullerene, C60), 소프트 카본(soft carbons) 및 카본 블랙(carbon black) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 활물질에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.The active material formed of a carbon material may include, but is not limited to, at least one of activated carbon, graphite, fullerene (C60), soft carbon, and carbon black. It may contain materials that can meet the required properties.
실시예에 따라, 음극 코팅층은 바인더를 더 포함할 수 있고, 바인더는 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 선형(Linear) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 가지(Branched) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리비닐알콜(PVA) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 바인더에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 소재를 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, the cathode coating layer may further include a binder, and the binder may be carboxymethylcellulose (CMC), linear polyvinylidene fluoride (PVDF), or branched polyvinylidene fluoride (PVDF). , polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene rubber (SBR), polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polyvinyl alcohol (PVA). However, the embodiment is not limited thereto and may include materials that can satisfy the properties required for the binder.
실시예에 따라, 음극 코팅층은 도전제를 더 포함할 수 있고, 도전제는 카본 블랙(CB ; carbon black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 캐첸 블랙(ketjen black), 흑연 또는 슈퍼-피(super-p) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Depending on the embodiment, the cathode coating layer may further include a conductive agent, and the conductive agent is carbon black (CB), acetylene black, ketjen black, graphite, or super-P. -p) may be included.
집전체는 도전성 금속을 포함할 수 있고, 도전성 금속은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 스테인리스스틸(STS), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 이들의 조합으로 이루어진 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The current collector may include a conductive metal, and the conductive metal is made of aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), stainless steel (STS), nickel (Ni), copper (Cu), and combinations thereof. It may include at least one of the alloys.
본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 양극과 음극 사이에 배치되는 전해질을 포함한다.A supercapacitor according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte disposed between an anode and a cathode.
전해질은 전해액 또는 겔 전해질일 수 있다. 만약, 겔 전해질을 사용하는 경우, 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 전해질은 고체전해질을 포함할 수 있다.The electrolyte may be an electrolyte solution or a gel electrolyte. If a gel electrolyte is used, stability can be improved. Additionally, the electrolyte may include a solid electrolyte.
전해액은 수계 전해액 또는 비수계 전해액일 수 있다. 수계 전해액은 전기적 특성이 우수하다. 자세하게, 수계 전해액은 전기 전도도가 우수하여 전해액을 사용한 슈퍼캐패시터는 내부 저항을 감소시킬 수 있다. 그러나, 수계 전해액을 사용할 경우 슈퍼캐패시터의 사용 전압 즉, 구동 전압이 낮아 슈퍼캐패시터의 에너지 밀도가 낮아지는 단점이 있다.The electrolyte solution may be an aqueous electrolyte solution or a non-aqueous electrolyte solution. Aqueous electrolytes have excellent electrical properties. In detail, aqueous electrolytes have excellent electrical conductivity, so supercapacitors using electrolytes can reduce internal resistance. However, when using an aqueous electrolyte, the operating voltage of the supercapacitor, that is, the driving voltage, is low, which has the disadvantage of lowering the energy density of the supercapacitor.
반면, 비수계 전해액은 수계 전해액에 비해 전기 전도도가 낮고 점도가 높지만, 적용 가능한 전위차가 높아 고온 및 고전압의 환경에서 슈퍼캐패시터에 적용되어 이용될 수 있다. 또한, 비수계 전해액을 사용할 경우 슈퍼캐패시터를 소형화할 수 있다.On the other hand, non-aqueous electrolytes have lower electrical conductivity and higher viscosity than aqueous electrolytes, but can be used in supercapacitors in high temperature and high voltage environments due to the high applicable potential difference. Additionally, when using a non-aqueous electrolyte, the supercapacitor can be miniaturized.
전해액은 용매(solvent) 및 전해질 염(salt)을 포함할 수 있으며, 용매(solvent) 및 전해질 염(salt)은 특별히 제한되지 않고, 슈퍼캐패시터에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다.The electrolyte solution may include a solvent and an electrolyte salt, and the solvent and electrolyte salt are not particularly limited and may include materials that can meet the characteristics required for a supercapacitor. there is.
겔 전해질은 고분자(polymer)와 액상 전해질을 포함할 수 있다Gel electrolytes may include polymers and liquid electrolytes.
고분자는 폴리피닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리아크릴아미도메틸프로판설폰산(poly2-Acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, PAMPS), 폴리아크릴산(Polyacrlic Acid), 폴리피롤리돈(Poly(N-pyrrolidone)), 폴리사카라이드(Polysaccharide), 하이드록시에틸 메타크릴레이트(hydroxyethyl methacrylate, HEMA), 아크릴 아마이드(acryl amide) 및 디메틸아크릴아마이드(dimethylacrylamide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Polymers include polyvinyl alcohol, poly2-Acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (PAMPS), polyacrlic acid, and poly(N-pyrrolidone). )), polysaccharide, hydroxyethyl methacrylate (HEMA), acryl amide, and dimethylacrylamide.
액상 전해질은 액상 전해질은 이온성 액체(ionic liquid) 또는 유기 전해질을 포함할 수 있다.The liquid electrolyte may include an ionic liquid or an organic electrolyte.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 슈퍼캐패시터는 양극과 음극 사이에 배치되는 분리막을 더 포함할 수 있다. 분리막은 별도로 포함되거나 전해질과 일체로 형성될 수 있다.Depending on the embodiment, the supercapacitor according to the embodiment of the present invention may further include a separator disposed between the anode and the cathode. The separator may be included separately or may be formed integrally with the electrolyte.
전해질이 겔 전해질 또는 고체 전해질이 사용되는 경우, 양극 및 음극 각각에 코팅되어 양극 및 음극이 상호 전기적으로 절연되도록 배치될 수 있다.When a gel electrolyte or a solid electrolyte is used as the electrolyte, each of the anode and cathode may be coated and disposed so that the anode and cathode are electrically insulated from each other.
분리막은 폴리에틸렌 부직포, 폴리프로필렌 부직포, 폴리에스테르 부직포, 폴리아크릴로니트릴 다공성 격리막, 폴리(비닐리덴 플루오라이드) 헥사플루오로프로판 공중합체 다공성 격리막, 셀룰로스 다공성 격리막, 크라프트지 및 레이온 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 분리막(230)은 슈퍼캐패시터의 분리막에 요구되는 특성을 충족시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다The separator is made of at least one of polyethylene nonwoven fabric, polypropylene nonwoven fabric, polyester nonwoven fabric, polyacrylonitrile porous separator, poly(vinylidene fluoride) hexafluoropropane copolymer porous separator, cellulose porous separator, kraft paper, and rayon fiber. It may include, but is not limited to, the separator 230 may include a material that can satisfy the characteristics required for the separator of a supercapacitor.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법을 도시한 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 탄소 천(110)을 준비하는 단계(S110), 니켈 전구체, 코발트 전구체, 인 전구체 및 용매를 포함하는 성장 용액을 준비하는 단계(S120) 및 성장 용액에 탄소 천(110)을 넣어 수열합성법으로 탄소 천(110) 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 성장시키는 단계(S130)를 포함한다.The method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention includes preparing a carbon cloth 110 (S110), preparing a growth solution containing a nickel precursor, a cobalt precursor, a phosphorus precursor, and a solvent. A step (S120) and a step (S130) of adding carbon cloth 110 to a growth solution and growing at least one nanocone 122 and at least one nanoparticle 123 on the carbon cloth 110 by hydrothermal synthesis. Includes.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 전극 물질의 제조에 있어서 손쉽고 효율적인 방법인 수열합성법을 이용한 1 단계 수열합성법으로 매우 유연한 탄소 천(110) 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 직접 합성하여 공정을 단순화시키는 동시에 전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다.Therefore, the method for manufacturing 3D-on-1D hybrid nanostructures according to an embodiment of the present invention is a one-step hydrothermal synthesis method using hydrothermal synthesis, which is an easy and efficient method for manufacturing electrode materials, and CoNiP is formed on a very flexible carbon cloth 110. By directly synthesizing the dual metal phosphide of -CoP 2 , the process can be simplified and the electrochemical performance can be improved at the same time.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 탄소 천(carbon cloth; 110)을 준비하는 단계(S110)를 진행한다.The method for manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention proceeds with the step of preparing carbon cloth (110) (S110).
탄소 천(110)은 바람직하게는, 탄소 천 섬유일 수 있고, 탄소 천(110)에 포함되는 탄소 소재는 특별히 제한되지 않는다.The carbon cloth 110 may preferably be a carbon cloth fiber, and the carbon material included in the carbon cloth 110 is not particularly limited.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 니켈 전구체, 코발트 전구체, 인 전구체 및 용매를 포함하는 성장 용액을 준비하는 단계(S120)를 진행한다.The method for manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention proceeds with a step (S120) of preparing a growth solution containing a nickel precursor, a cobalt precursor, a phosphorus precursor, and a solvent.
니켈 전구체는 니켈염을 포함할 수 있고, 예를 들어, 니켈염은 NiCl2 , Ni(NO3)2·6H2O, Ni(CH3CO2)·H2O 및 NiSO4·6H2O 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는, 니켈 전구체는 NiCl2를 포함할 수 있다.Nickel precursors may include nickel salts, for example, NiCl 2 , Ni(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, Ni(CH 3 CO 2 )·H 2 O, and NiSO 4 ·6H 2 O. It may include at least one of, but is not limited to, and preferably, the nickel precursor may include NiCl 2 .
코발트 전구체는 코발트염을 포함할 수 있고, 예를 들어, 코발트염은 CoCl2, Co(NO3)2·6 H2O, Co(CH3CO2)·4 H₂O 및 CoSO4·6H2O 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는, 코발트 전구체는 CoCl2 를 포함할 수 있다.The cobalt precursor may include a cobalt salt, for example, CoCl 2, Co(NO 3 ) 2 ·6 H 2 O, Co(CH 3 CO 2 )·4 H₂O, and CoSO 4 ·6H 2 O. It may include at least one of, but is not limited to, and preferably, the cobalt precursor may include CoCl 2 .
인 전구체는 NaPO2H2, Na3PO4 및 ((NH4)3PO4 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는, 인 전구체는 NaPO2H2를 포함할 수 있다.The phosphorus precursor may include, but is not limited to, at least one of NaPO 2 H 2, Na 3 PO 4 , and ((NH 4 ) 3 PO 4. Preferably, the phosphorus precursor is It may include NaPO 2 H 2 .
용매는 당분야에서 사용되는 물질이 제한없이 사용될 수 있다,The solvent may be any substance used in the art without limitation.
성장 용액은 탄소 천(110) 상에 형성된 Co-Ni 인화물 핵(Co-Ni phosphide nuclei)을 수직 성장시키는 계면활성제를 더 포함할 수 있다.The growth solution may further include a surfactant that vertically grows Co-Ni phosphide nuclei formed on the carbon cloth 110.
계면활성제는 요소, NH4F, EDTA(C10H16N2O8) 및 HMTA(C6H12N4) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 바람직하게는, 계면활성제는 요소를 포함할 수 있다.The surfactant may include at least one of urea, NH 4 F, EDTA (C 10 H 16 N 2 O 8 ), and HMTA (C 6 H 12 N 4 ), but is not limited thereto, and is preferably used as a surfactant. The activator may include urea.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 성장 용액에 탄소 천(110)을 넣어 수열합성법으로 탄소(110) 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 성장시키는 단계(S130)를 진행한다.The method for manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention is to place carbon cloth 110 in a growth solution and form at least one nanocone 122 and at least one nanocone 122 on the carbon 110 cloth by hydrothermal synthesis. The step (S130) of growing the above nanoparticles 123 is performed.
단계 130은 탄소 천(110) 상에 Co-Ni 인화물 박막(121)을 형성하는 단계(S131), Co-Ni 인화물 박막(121)의 Co-Ni 인화물 핵이 수직 성장하여 적어도 하나 이상의 나노 콘(122)을 형성하는 단계(S132) 및 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 상에 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 형성하는 단계(S133)를 포함할 수 있다.Step 130 is a step of forming a Co-Ni phosphide thin film 121 on the carbon cloth 110 (S131), in which the Co-Ni phosphide nuclei of the Co-Ni phosphide thin film 121 grow vertically to form at least one nanocone ( 122) may include forming (S132) and forming at least one nanoparticle 123 on at least one nanocone 122 (S133).
또한, Co-Ni 인화물 박막(121)은 탄소(110) 천 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 형성하기 위한 시드층(seed layer)으로 사용되어, Co-Ni 인화물 박막(121)에서 연속적으로 나노 콘(122) 및 나노 입자(123)가 성장될 수 있다.In addition, the Co-Ni phosphide thin film 121 is used as a seed layer to form a dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 on carbon (110) cloth, and is continuously formed in the Co-Ni phosphide thin film 121. Nano cones 122 and nanoparticles 123 can be grown.
보다 구체적으로, 단계 S130은 수열합성법을 통해 니켈 전구체 및 코발트 전구체에서 유리된 금속 양이온(CO2+ 및 Ni2+)은 H2PO2 - 이온과 반응하여 탄소 천(110) 표면에 Co-Ni 인화물 박막(121)이 형성된다.More specifically, in step S130, metal cations (CO 2+ and Ni 2+ ) liberated from the nickel precursor and cobalt precursor through hydrothermal synthesis react with H 2 PO 2 - ions to form Co-Ni on the surface of the carbon cloth (110). A phosphide thin film 121 is formed.
이후, 반응 시간이 지남에 따라 반응 매질(reaction medium)에서 염기도(basicity)가 점점 증가되어 Co-Ni 인화물 핵의 침전이 더욱 가속화되고, 이 때, 계면활성제는 Co-Ni 인화물 핵을 수직 성장시켜 나노 콘(122)을 형성할 수 있다.Thereafter, as the reaction time passes, the basicity gradually increases in the reaction medium, further accelerating the precipitation of Co-Ni phosphide nuclei, and at this time, the surfactant causes the Co-Ni phosphide nuclei to grow vertically. A nano cone 122 can be formed.
또한, 나노 콘(122)이 형성된 후에도 수많은 금속 양이온(CO2+ 및 Ni2+)은 H2PO2 - 이온이 존재하여 접근성이 증가되나, 탄소 천(110) 표면으로는 확산되지 않기 때문에 과도한 이온으로 인해 나노 콘(122) 상에 캐슈 열매 형상의 나노 입자(123)가 특정 방향 없이 무작위로 증착될 수 있다.In addition, even after the nanocone 122 is formed, the accessibility of numerous metal cations (CO 2+ and Ni 2+ ) is increased due to the presence of H 2 PO 2 - ions, but they do not diffuse to the surface of the carbon cloth 110, causing excessive Due to the ions, cashew fruit-shaped nanoparticles 123 may be randomly deposited on the nano cone 122 without a specific direction.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 캐슈 과일 형상의 나노 입자(123)와 나노 콘(122)의 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물를 사용하여 1 단계 수열합성법으로 매우 유연한 탄소 천(110) 기판 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 직접 합성할 수 있다.Therefore, the method for manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention uses a 3D-on-1D hybrid nanostructure of cashew fruit-shaped nanoparticles 123 and nano cones 122 through a one-step sequence. The dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 can be synthesized directly on a highly flexible carbon cloth (110) substrate using a synthetic method.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 성장 온도에 따라 전기화학적 특성이 조절될 수 있다.In the method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention, electrochemical properties can be adjusted depending on the growth temperature.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 성장 온도가 증가됨에 따라 나노 입자(123)가 형성될수는 있으나, 성장 온도가 너무 높아지면 균열 및 오버코팅이 발생될 수 있다. 예를 들어, 성장 온도가 너무 낮으면(예; 150℃) 나노 입자(123)가 형성되지 않아, 활성 사이트가 줄어들고, 성장 온도가 너무 높으면(예; 170℃) 균열 및 오버코팅으로 인해 전기화학 반응을 전달할 수 없어 균열이 전하 수송 및 내구성을 저해할 수 있다.In the method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention, nanoparticles 123 can be formed as the growth temperature increases, but if the growth temperature is too high, cracks and overcoating may occur. there is. For example, if the growth temperature is too low (e.g., 150°C), nanoparticles 123 are not formed, resulting in fewer active sites, and if the growth temperature is too high (e.g., 170°C), electrochemical damage occurs due to cracking and overcoating. Unable to carry out reactions, cracks can impede charge transport and durability.
즉, 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 반응은 더 높은 침착 활성 질량(나노콘 및 나노입자) 및 하이브리드 형태에 기인하기 때문에 나노 입자(123)는 나노콘(122) 외에 보조 활성 부위를 제공하여 전기화학 반응을 유도할 수 있으므로 나노 콘(122) 및 나노 입자(123)의 활성 부위가 알칼리 전해질에서 측정된 전위 범위에서 수많은 가역적 산화환원 반응을 가능하게 할 수 있다.That is, since the response of 3D-on-1D hybrid nanostructures is due to the higher deposition active mass (nanocones and nanoparticles) and hybrid morphology, nanoparticles (123) provide auxiliary active sites in addition to nanocones (122), thereby Since electrochemical reactions can be induced, the active sites of nanocones 122 and nanoparticles 123 can enable numerous reversible redox reactions in the potential range measured in an alkaline electrolyte.
본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 성장 온도에 따라 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물의 구조가 조절될 수 있다.In the method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure according to an embodiment of the present invention, the structure of the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 can be adjusted depending on the growth temperature.
성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계(S130)에서, 성장 온도는 130℃ 내지 170℃일 수 있다. 만약, 성장 온도가 130℃ 미만이면 너무 낮은 성장 온도로 인해 나노 입자가 형성되지 않고, 성장 온도가 170℃를 초과하면 과성장으로 인해 균열이 발생되는 문제가 있다.In the step (S130) of adding a carbon cloth to a growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis, the growth temperature may be 130°C to 170°C. If the growth temperature is less than 130°C, nanoparticles are not formed due to too low a growth temperature, and if the growth temperature exceeds 170°C, there is a problem of cracks occurring due to overgrowth.
보다 구체적으로, 만약, 성장 온도가 130℃ 미만인 경우, 나노 콘(120)만이 형성되기 때문에 나노막을 제외하고는 나노구조가 형성되지 않는다. 반면에, 성장 온도가 170℃를 초과하는 경우, 전제적으로 다수의 균열이 발생되어 심각한 크랙이 발생하거나 오버코팅이 발생할 수 있다.More specifically, if the growth temperature is less than 130°C, only the nanocone 120 is formed, so no nanostructure is formed except the nanomembrane. On the other hand, if the growth temperature exceeds 170°C, a large number of cracks are generated, which may lead to serious cracking or overcoating.
성장 용액에 탄소 천(110)을 넣어 수열합성법으로 탄소(110) 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 성장시키는 단계(S130)에서, 성장 시간은 3시간 내지 7시간일 수 있고, 바람직하게는, 성장 시간은 5시간일 수 있다.In the step (S130) of growing at least one nanocone 122 and at least one nanoparticle 123 on the carbon (110) cloth by hydrothermal synthesis by adding the carbon cloth (110) to the growth solution, the growth time is 3 It can be from 1 hour to 7 hours, preferably, the growth time can be 5 hours.
만약, 성장 시간이 3시간 미만이면 잘 정의된 나노 콘(122)과 나노 캐슈 과일의 형상의 나노입자(120)이 생성이 낮아 개수가 적어 효과가 미비해지는 문제가 있고, 7시간을 초과하면, 탄소 천(110) 상에 오버코팅/균열 또는 덩어리가 형성되어 전해질 침투 및 전하 속도를 방해할 수 있다.If the growth time is less than 3 hours, the production of well-defined nano cones 122 and nanoparticles 120 in the shape of nano cashew fruits is low, so the effect is insignificant due to the small number, and if it exceeds 7 hours, Overcoatings/cracks or lumps may form on the carbon cloth 110, impeding electrolyte penetration and charge rate.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 저온(예; 150℃)에서 성장이 진행되기 때문에 별도의 냉각과정을 필요로 하지 않아, 공정 단순화가 가능하다.In addition, the method for manufacturing 3D-on-1D hybrid nanostructures according to an embodiment of the present invention does not require a separate cooling process because growth proceeds at low temperature (e.g., 150°C), enabling process simplification.
성장 용액에 탄소 천(110)을 넣어 수열합성법으로 탄소(110) 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘(122) 및 적어도 하나 이상의 나노 입자(123)를 성장시키는 단계(S130)는, 탄소 천 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The step (S130) of growing at least one nanocone 122 and at least one nanoparticle 123 on the carbon cloth 110 by hydrothermal synthesis by adding the carbon cloth 110 to the growth solution is performed on the carbon cloth. It may further include drying the grown at least one nanocone and at least one nanoparticle.
건조 단계는 열풍 오븐을 이용하여 진행될 수 있다.The drying step may be performed using a hot air oven.
실시예 1 : CNP-CP-130Example 1: CNP-CP-130
코발트(CoCl2·6H2O, 0.43g) 및 니켈(NiCl2·6H2O, 0.48g)의 염화물 염을 60mL의 탈염수(DMW; demineralized Water)를 포함하는 테플론 라이너(Teflon liner)에서 혼합하였다. 그런 다음, 차아인산나트륨(NaPO2H2, 0.14g)과 요소(CH4N2O, 0.47g)를 위의 용액에 첨가하고, 이 성장 용액을 모든 화학물질이 완전히 용해될 때까지 약 10분 동안 방치하였다.Chloride salts of cobalt (CoCl 2 ·6H 2 O, 0.43 g) and nickel (NiCl 2 ·6H 2 O, 0.48 g) were mixed in a Teflon liner containing 60 mL of demineralized water (DMW). . Then, sodium hypophosphite (NaPO 2 H 2 , 0.14 g) and urea (CH 4 N 2 O, 0.47 g) were added to the above solution, and this growth solution was incubated for about 10 minutes until all chemicals were completely dissolved. It was left for a minute.
한편, 탄소 천(CF) 기판은 1 Х 1 cm2 표면적에만 활물질이 성장될 수 있도록 테프론 테이프를 사용하여 유리 슬라이드에 부착한 다음, CF 기판을 친수성으로 만들기 위해 머플 로(muffle furnace)에서 산화시켰다.Meanwhile, the carbon cloth (CF) substrate was attached to a glass slide using Teflon tape to allow the active material to grow only on a surface area of 1 Х 1 cm 2 , and then oxidized in a muffle furnace to make the CF substrate hydrophilic. .
성장 용액에 CF를 침지시키고, 성장 용액을 130℃의 오토클레이브 반응 시스템(autoclave reaction system)에서 가열하고, 5시간 동안 유지하였다.CF was immersed in the growth solution, and the growth solution was heated in an autoclave reaction system at 130°C and maintained for 5 hours.
오토클레이브(autoclave)를 냉각시킨 후 CNP-CP가 장착된 CF 기판을 DMW로 여러 번 세척한 다음 오븐에서 밤새 건조하였다.After cooling the autoclave, the CF substrate loaded with CNP-CP was washed several times with DMW and then dried in an oven overnight.
실시예 2: CNP-CP-150Example 2: CNP-CP-150
성장 온도가 150℃인 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 제조되었다.It was prepared in the same manner as Example 1, except that the growth temperature was 150°C.
실시예 3: CNP-CP-170Example 3: CNP-CP-170
성장 온도가 170℃인 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 제조되었다.It was prepared in the same manner as Example 1 except that the growth temperature was 170°C.
비교예 1: CP-150 Comparative Example 1: CP-150
코발트(CoCl2·6H2O, 0.43g)의 염화물 염을 60mL의 탈염수(DMW; demineralized Water)를 포함하는 테플론 라이너(Teflon liner)에서 혼합하였다. 그런 다음, 차아인산나트륨(NaPO2H2, 0.14g)과 요소(CH4N2O, 0.47g)를 위의 용액에 첨가하고, 이 성장 용액을 모든 화학물질이 완전히 용해될 때까지 약 10분 동안 방치하였다.The chloride salt of cobalt (CoCl 2 ·6H 2 O, 0.43 g) was mixed in a Teflon liner containing 60 mL of demineralized water (DMW). Then, sodium hypophosphite (NaPO 2 H 2 , 0.14 g) and urea (CH 4 N 2 O, 0.47 g) were added to the above solution, and this growth solution was incubated for about 10 minutes until all chemicals were completely dissolved. It was left for a minute.
한편, CF 기판은 1 Х 1 cm2 표면적에만 활물질이 성장될 수 있도록 테프론 테이프를 사용하여 유리 슬라이드에 부착한 다음, CF 기판을 친수성으로 만들기 위해 머플 로(muffle furnace)에서 산화시켰다.Meanwhile, the CF substrate was attached to a glass slide using Teflon tape so that the active material could be grown only on a surface area of 1 Х 1 cm 2 and then oxidized in a muffle furnace to make the CF substrate hydrophilic.
성장 용액에 CF를 침지시키고, 성장 용액을 130℃의 오토클레이브 반응 시스템(autoclave reaction system)에서 가열하고, 5시간 동안 유지하였다.CF was immersed in the growth solution, and the growth solution was heated in an autoclave reaction system at 130°C and maintained for 5 hours.
오토클레이브(autoclave)를 냉각시킨 후 CNP-CP가 장착된 CF 기판을 DMW로 여러 번 세척한 다음 오븐에서 밤새 건조하였다.After cooling the autoclave, the CF substrate loaded with CNP-CP was washed several times with DMW and then dried in an oven overnight.
즉, 종래의 인화 코발트(cobalt phosphide)는 실시예 1에서 니켈 전구체를 추가하지 않는 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 제조될 수 있다.That is, conventional cobalt phosphide can be produced in the same manner as Example 1, except that the nickel precursor is not added in Example 1.
비교예 2: NP-150Comparative Example 2: NP-150
니켈(NiCl2·6H2O, 0.48g)의 염화물 염을 60mL의 탈염수(DMW; demineralized Water)를 포함하는 테플론 라이너(Teflon liner)에서 혼합하였다. 그런 다음, 차아인산나트륨(NaPO2H2, 0.14g)과 요소(CH4N2O, 0.47g)를 위의 용액에 첨가하고, 이 성장 용액을 모든 화학물질이 완전히 용해될 때까지 약 10분 동안 방치하였다.The chloride salt of nickel (NiCl 2 ·6H 2 O, 0.48 g) was mixed in a Teflon liner containing 60 mL of demineralized water (DMW). Then, sodium hypophosphite (NaPO 2 H 2 , 0.14 g) and urea (CH 4 N 2 O, 0.47 g) were added to the above solution, and this growth solution was incubated for about 10 minutes until all chemicals were completely dissolved. It was left for a minute.
한편, CF 기판은 1 Х 1 cm2 표면적에만 활물질이 성장될 수 있도록 테프론 테이프를 사용하여 유리 슬라이드에 부착한 다음, CF 기판을 친수성으로 만들기 위해 머플 로(muffle furnace)에서 산화시켰다.Meanwhile, the CF substrate was attached to a glass slide using Teflon tape so that the active material could be grown only on a surface area of 1 Х 1 cm 2 and then oxidized in a muffle furnace to make the CF substrate hydrophilic.
성장 용액에 CF를 침지시키고, 성장 용액을 130℃의 오토클레이브 반응 시스템(autoclave reaction system)에서 가열하고, 5시간 동안 유지하였다.CF was immersed in the growth solution, and the growth solution was heated in an autoclave reaction system at 130°C and maintained for 5 hours.
오토클레이브(autoclave)를 냉각시킨 후 CNP-CP가 장착된 CF 기판을 DMW로 여러 번 세척한 다음 오븐에서 밤새 건조하였다.After cooling the autoclave, the CF substrate loaded with CNP-CP was washed several times with DMW and then dried in an oven overnight.
즉, 종래의 인화 니켈(nickel phosphide)은 실시예 1에서 코발트 전구체를 추가하지 않는 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 제조될 수 있다.That is, conventional nickel phosphide can be produced in the same manner as Example 1, except that the cobalt precursor is not added in Example 1.
실시예 4: 하이브리드 셀(hybrid cell) 구성의 슈퍼캐패시터Example 4: Supercapacitor with hybrid cell configuration
실시예2에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물(CNP-CP-150), 미세 다공성 여과지, 활성탄 담지 CF 기질(AC@CF) 및 2m KOH 용액이 각각 양극, 분리막, 음극 및 전해질 역할을 하는 하이브리드 셀을 조립하였다.The 3D-on-1D hybrid nanostructure (CNP-CP-150) according to Example 2, microporous filter paper, activated carbon-supported CF substrate (AC@CF), and 2m KOH solution serve as an anode, separator, cathode, and electrolyte, respectively. Hybrid cells were assembled.
활성탄(AC) 분말, 슈퍼 P 카본 블랙 및 PVDF 분말을 각각 80:10:10의 중량비로 혼합한 혼합물을 마노 절구(agate mortar)에 넣었다. 이어서, 혼합물을 약 30분 동안 잘 분쇄한 이후, 혼합물에 충분한 양의 NMP 용매를 적하하고, 10분 더 분쇄하였다. 마지막으로 점성 슬러리를 1X1 cm2의 활성 영역 내에서 세척된 탄소 천(CF) 기판에 로드한 다음, 80 ℃에서 밤새 건조시킨 후, 혼합물이 탄소 천(CF) 기판에 강하게 접촉되도록 프레스 기구를 사용하여 AC 로딩된 CF(AC@CF) 전극(음극)을 ~3 MPa로 압착하였다. 탄소 천(CF) 기판 상의 AC 물질의 질량은 ~3.5 mg cm-2이다.A mixture of activated carbon (AC) powder, Super P carbon black, and PVDF powder at a weight ratio of 80:10:10, respectively, was placed in an agate mortar. Next, the mixture was well pulverized for about 30 minutes, then a sufficient amount of NMP solvent was added dropwise to the mixture, and the mixture was pulverized for another 10 minutes. Finally, the viscous slurry was loaded onto the cleaned CF substrate within an active area of 1 The AC loaded CF (AC@CF) electrode (cathode) was compressed to ~3 MPa. The mass of the AC material on a carbon cloth (CF) substrate is ~3.5 mg cm -2 .
실시예 5: QSSDExample 5: QSSD
KOH 용액 대신 PVA-KOH 겔폴리머-전해질을 사용하는 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 제조되었다.It was prepared in the same manner as Example 4, except that PVA-KOH gel polymer-electrolyte was used instead of KOH solution.
PVA-KOH 겔폴리머-전해질은 하기와 같이 제조되었다.PVA-KOH gel polymer-electrolyte was prepared as follows.
2g의 PVA를 20mL의 DMW에 첨가하고 용액을 약 5분 동안 자기 비드를 이용하여 격렬하게 교반한 다음, 교반 용액의 PVA가 DMW에 완전히 용해될 때까지 80℃ 에서 가열하였다.2 g of PVA was added to 20 mL of DMW, the solution was vigorously stirred using magnetic beads for about 5 minutes, and then heated at 80°C until the PVA in the stirred solution was completely dissolved in DMW.
이어서, 교반 용액에 KOH 용액(10mL DMW 중 2m)을 적가하고, 전체 용액을 교반 하에 다시 가열함으로써, 과도한 물의 증발로 인해 겔을 형성하고, 겔을 냉각 후, 양극 및 음극 모두에 도포하였다.Then, KOH solution (2 m in 10 mL DMW) was added dropwise to the stirred solution, and the entire solution was heated again under stirring to form a gel due to evaporation of excess water, and the gel was applied to both the anode and cathode after cooling.
마지막으로, 두 전극을 서로 겹쳐서 파라핀 필름으로 포장하였다.Finally, the two electrodes were overlapped with each other and packed with paraffin film.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 이미지 및 저배율에서 고배율의 FE-SEM(field-emission scanning electron microscope) 측정 결과를 도시한 이미지이다.Figure 4 is an image showing an image of a 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention and the results of FE-SEM (field-emission scanning electron microscope) measurement at low to high magnification.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 롤링, 굽힘, 비틀림과 같은 다양한 물리적 변형에 유리한 유연성을 갖는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention has flexibility favorable for various physical deformations such as rolling, bending, and twisting.
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 매끄러운 탄소 천 섬유 표면과 달리 수열합성법에 의해 탄소 천 섬유 표면에 캐슈 과일 형상의 나노 입자와 나노 콘이 형성되어 거친 표면을 갖는 것을 알 수 있다.In addition, the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention, unlike the smooth surface of the carbon cloth fiber, has cashew fruit-shaped nanoparticles and nanocones formed on the surface of the carbon cloth fiber by hydrothermal synthesis, resulting in a rough surface. It can be seen that it has a surface.
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 탄소 천 섬유 표면에 균열 없이 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물이 균일하게 형성된 것을 알 수 있다.In addition, in the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention, it can be seen that the double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 was formed uniformly without cracks on the surface of the carbon cloth fiber.
도 5a는 탄소 천, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 접촉각 측정 결과를 도시한 이미지이다.Figure 5a is an image showing the contact angle measurement results of carbon cloth and 3D-on-1D hybrid nanostructures manufactured according to Examples 1 to 3 of the present invention.
도 5a를 참조하면, 탄소 천 섬유 기판은 소수성 특성을 나타내는 123°의 높은 접촉각을 나타내나, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 0°의 낮은 접촉각을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 5A, the carbon cloth fiber substrate exhibits hydrophobic properties. Although it shows a high contact angle of 123°, the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Examples 1 to 3 of the present invention shows a low contact angle of 0°.
따라서, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 높은 친수성을 통해 활물질과 전해질 사이의 상호작용이 개선되어 활물질이 전해질에 의해 완전히 젖어 더 많은 전기화학 반응을 유발하는 것을 알 수 있다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructures prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention have improved interaction between the active material and the electrolyte through high hydrophilicity, so that the active material is completely wetted by the electrolyte, resulting in more electrochemical activity. It can be seen that it triggers a reaction.
도 5b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 EDS(X-ray spectroscopy) 스펙트럼을 도시한 그래프이고, 도 5c는 원소 매핑 이미지이며, 도 5d는 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 도시한 그래프이고, 도 5e는 TEM(Transmission electron microscope) 이미지, SAED(selected area electron diffraction) 패턴 및 TEM 측정에서 기록된 원소 매핑 이미지이며, 도 5f는 Ni 2p, Co 2p 및 P 2p 요소의 HR XPS 스펙트럼을 도시한 그래프이다.Figure 5b is a graph showing the EDS (X-ray spectroscopy) spectrum of the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention, Figure 5c is an element mapping image, and Figure 5d is an XRD (X -ray diffraction) pattern, Figure 5e is a transmission electron microscope (TEM) image, selected area electron diffraction (SAED) pattern, and element mapping image recorded in TEM measurements, Figure 5f is Ni 2p, Co 2p and This is a graph showing the HR XPS spectrum of P 2p element.
도 5b 내지 도 5f를 참조하면, 25.8°에서 높은 강도의 넓은 피크가 검출되고, 43.4° 및 55.7°에서 다른 두 피크가 검출되는 것으로 보아, 탄소 천 기판을 확인할 수 있고, 다른 날카로운 회절 피크는 아나타제(anatase) CoNiP(#71-2336) 및 CoP2(#77-0263) 상의 특징적인 피크가 검출되는 것으로 보아, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물이 탄소 천 및 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물을 포함하는 것을 알 수 있다.Referring to Figures 5b to 5f, A broad peak of high intensity is detected at 25.8°, 43.4° and The detection of two other peaks at 55.7° confirms the carbon cloth substrate, and the other sharp diffraction peaks are characteristic peaks for anatase CoNiP (#71-2336) and CoP 2 (#77-0263). From the detection results, it can be seen that the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention includes carbon cloth and a double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 .
또한, 나노 콘의 내부는 나노 입자에 비해 상대적으로 투명하게 나타나는 것은, CoP2 상의 결정구조가 지배적이기 때문이다.In addition, the inside of the nanocone appears relatively transparent compared to the nanoparticle because the crystal structure of the CoP 2 phase is dominant.
도 6a은 비교예 1, 비교예 2 및 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 5mV s-1에서 CV 곡선을 도시한 그래프이고, 도 6b은 2mA cm-2에서 GCD(galvanostatic charge-discharge) 곡선을 도시한 그래프이며, 도 6c는 면적 용량 값을 도시한 그래프이다.Figure 6a is a graph showing the CV curve at 5mV s -1 of the 3D-on-1D hybrid nanostructures prepared according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Examples 1 to 3 of the present invention, and Figure 6b is 2mA cm It is a graph showing the galvanostatic charge-discharge (GCD) curve at -2 , and Figure 6c is a graph showing area capacity values.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물에서 가장 큰 CV 영역 및 더 높은 양극 및 음극 전류로 산화환원 반응을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6A to 6C, it can be seen that the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention exhibits a redox reaction with the largest CV area and higher anode and cathode currents.
따라서, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 나노 콘 및 나노 입자를 포함하여 보조 활성 사이트를 형성하기 때문에 전기화학 반응을 증가시키고, 특히, CoNiP 및 CoP2 활성 사이트가 알칼리 전해질에서 측정된 전위 범위에서 수많은 가역적 산화환원 반응(하기 식 1 및 식 2 참조)을 가능하게 한다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention includes nanocones and nanoparticles to form auxiliary active sites, thereby increasing electrochemical reactions, especially CoNiP and CoP 2 activities. The site enables numerous reversible redox reactions (see Equations 1 and 2 below) in the range of potentials measured in alkaline electrolytes.
[식 1][Equation 1]
CoNiP + 2OH- CoPxOH + NiP1x OH + 2e CoNiP + 2OH - CoP x OH + NiP 1x OH + 2e
[식 2][Equation 2]
CoPxOH + OH- CoPxO + H2O + eCoP x OH + OH - CoP x O + H 2 O + e
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 비교예 1, 비교예 2, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 대비 긴 충방전 시간을 갖는 것을 알 수 있다.In addition, the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention is compared to the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Examples 1 and 2 of the present invention. It can be seen that it has a long charge and discharge time.
이는, 탄소 천 상에 형성되는 나노 콘 및 나노 입자가 더 많은 전기활성 사이트를 생성하여 사역적 산화환원 반응을 향상시키는 것을 알 수 있다.This shows that the nanocones and nanoparticles formed on the carbon cloth create more electroactive sites and improve the partial redox reaction.
본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 2mA cm-2에서 82.8 μAh cm-2의 더 높은 면적 용량(areal capacity)을 나타내는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 비용량(specific capacity) 값은 82.8 mAh g-1을 갖는 것을 알 수 있다.It can be seen that the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention exhibits a higher areal capacity of 82.8 μAh cm -2 at 2mA cm -2 . It can be seen that the specific capacity of the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention is 82.8 mAh g -1 .
도 6d 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 다양한 스윕 속도(sweep rate)로 기록된 CV 곡선을 도시한 그래프이고, 도 6e는 스윕 속도의 로그(logarithm)와 피크 전류(peak currents) 사이의 관계를 도시한 그래프이며, 도 6f는 v1/2 대 i/v 1/2 간의 관계를 도시한 그래프이고, 도 6g는 측정된 스윕 속도에서 확산 및 용량 제어(Diffusion- and capacitive-controlled)된 전류 기여 결과를 도시한 그래프이며, 도 6h는 GCD 곡선을 도시한 그래프이고, 도 6i는 다른 전류 밀도에서 면적 용량 값을 도시한 그래프이며, 도 6j는 7 mA cm-2 및 10 mA cm-2에서 조사된 내구성 시험 결과를 도시한 그래프이고, 도 6k는 내구성 테스트 전후의 피팅된 나이퀴스트 선도(Fitted Nyquist plot)를 도시한 그래프이다.Figure 6d is a graph showing the CV curves recorded at various sweep rates of the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention, and Figure 6e is the logarithm of the sweep rate and A graph showing the relationship between peak currents, Figure 6f is a graph showing the relationship between v 1/2 versus i/v 1/2 , and Figure 6g is a graph showing the relationship between diffusion and capacity control ( It is a graph showing the results of current contribution (diffusion- and capacitive-controlled), Figure 6h is a graph showing the GCD curve, Figure 6i is a graph showing area capacitance values at different current densities, and Figure 6j is 7 mA cm. It is a graph showing the results of the durability test conducted at -2 and 10 mA cm -2 , and Figure 6k is a graph showing the fitted Nyquist plot before and after the durability test.
도 6d 내지 도 6k를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 산화 환원 피크는 특히 20mVs-1의 높은 스캔 속도에서 모든 CV 프로파일이 잘 유지되어 우수한 전기 화학적 가역성을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6D to 6K, the redox peak of the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention shows excellent electrical properties as all CV profiles are well maintained, especially at a high scan rate of 20mVs -1 . It can be seen that it shows chemical reversibility.
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 용량 값은 82.8 μAh cm-2로, 기존에 보고된 금속 인화물 기반 재료와 비교하여 높은 값을 갖는 것을 알 수 있다.In addition, the capacity value of the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention is 82.8 μAh cm -2 , which is higher than the previously reported metal phosphide-based material. .
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 내구성 시험 종료 시, 7 mAcm-2 및 10mAcm-2의 전류 밀도에서 사이클링 안정성을 나타내고, 7000 사이클의 끝에서 각각 초기 용량의 96.9% 및 90.3%를 유지하며, 안정성 테스트 전에 측정한 나이퀴스트 선도의 Rs 값과 Rct 값(각각 2.4 Ω cm-2 및 4.7 Ω cm-2)과 안정성 테스트 후 이 값(각각 2.65 Ω cm-2 및 5.1 Ω cm-2)이 실질적으로 변화되지 않는 것으로 보아 우수한 전기 전도도 및 빠른 동전기(electrokinetics)를 나타내는 것을 알 수 있다.In addition, the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention exhibits cycling stability at current densities of 7 mAcm -2 and 10mAcm -2 at the end of the durability test, and the initial Maintaining 96.9% and 90.3% of capacity, the Rs and Rct values of the Nyquist diagram measured before the stability test (2.4 Ω cm -2 and 4.7 Ω cm -2 , respectively) and these values after the stability test (2.65 Ω, respectively) cm -2 and 5.1 Ω cm -2 ) do not change substantially, indicating excellent electrical conductivity and fast electrokinetics.
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 내구성 테스트 이후에도, 탄소 천 섬유 상에 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물이 조밀하게 코팅되어 박리되거나 균열이 발생하지 않는 것으로 보아, 탄소 천 섬유와 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물이 강한 접착을 나타내어 구조적 안정성이 뛰어난 것을 알 수 있다.In addition, the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention does not peel or crack due to the dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 being densely coated on the carbon cloth fiber even after the durability test. From this, it can be seen that the carbon cloth fiber and the dual metal phosphide of CoNiP-CoP 2 exhibit strong adhesion and have excellent structural stability.
따라서, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물은 일정한 스윕 속도(sweep rate)와 전류 밀도에서 수행된 순환 전압전류법 및 정전류 충방전 테스트에서 모두 우수한 전기화학적 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.Therefore, the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention showed excellent electrochemical performance in both cyclic voltammetry and constant current charge/discharge tests performed at a constant sweep rate and current density. You can see what it represents.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 오페란도 XANES(Operando X-ray absorption near-edge structure) 측정에 대한 개략도를 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 최적 전압 윈도우(optimum voltage window)를 추정하기 위해 해당 전압 윈도우(corresponding voltage window)에서 측정된 CNP-CP-150 및 AC 전극의 CV 곡선을 도시한 그래프이며, 도 9는 0-1.5V의 전압 윈도우 내에서의 CV 곡선을 도시한 그래프이고, 도 10은 0-1.5V의 전압 윈도우 내에서의 GCD 곡선을 도시한 그래프이며, 도 11은 Ni K-edge 및 Co K-edge에서의 XANES 스펙트럼(spectra)을 도시한 그래프이다.Figure 7 shows a schematic diagram of the Operando FIG. 9 is a graph showing the CV curves of CNP-CP-150 and AC electrodes measured in the corresponding voltage window to estimate the optimal voltage window of the supercapacitor manufactured according to 0. It is a graph showing the CV curve within a voltage window of -1.5V, Figure 10 is a graph showing the GCD curve within a voltage window of 0-1.5V, and Figure 11 is a graph showing the Ni K-edge and Co K-edge This is a graph showing the XANES spectrum.
도 7 내지 도 11은 실시간 전기화학적 측정 동안 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 전자 구조 변화에 대한 통찰력을 얻기 위해 HC 및 X선 흡수 근단부 구조(XANES) 기기를 사용하여 in situ/operando 측정을 진행하였다.7 to 11 show HC and In situ/operando measurements were performed using .
본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터는 CNP-CP-150 및 활성탄소를 양극과 음극으로 사용하여 하이브리드 전지(HC)를 제작하였다.The supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention was produced as a hybrid battery (HC) using CNP-CP-150 and activated carbon as the anode and cathode.
도 7을 참조하면, in situ/operando XANES 분석은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 전극 측에서 Ni 및 Co K-에지 스펙트럼을 조명함으로써 수행되고, in situ/operando XANES 스펙트럼은 인가된 셀 전압(즉, 1.5, 1.0, 0.5 및 0 V) 5mV s1의 낮은 sweep rate에서 CV 분석된다.Referring to FIG. 7, in situ/operando This is performed by illuminating the K - edge spectrum, and in situ/operando
도 8 내지 도 11을 참조하면, in situ/operando XANES 측정은 실시간 전기화학 측정 동안 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 Co 및 Ni 원소 원자가의 가역적 변화를 검증하였고, 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 내구성 시험 후, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물 상의 (Ni,Co)OOH 상으로의 변태가 ex situ XRD 및 X-선 광전자 분광법(XPS) 분석에 의해 확인되었다.Referring to Figures 8 to 11, in situ/operando After the durability test of the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention, the transformation to the (Ni,Co)OOH phase on the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention was ex. This was confirmed by situ XRD and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis.
본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 CV 및 GCD 프로파일은 높은 테스트 조건에서도 윤곽을 잘 유지하여 전하의 균형이 잘 잡혀 있고, 하이브리드 셀의 탁월한 가역성이 나타내는 것을 알 수 있다.It can be seen that the CV and GCD profiles of the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention maintain the contour well even under high test conditions, showing a well-balanced charge and excellent reversibility of the hybrid cell.
도 12는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터의 상이한 전류 밀도에서의 비/면적 용량 값을 도시한 그래프이고, 도 13은 비/면적 에너지 및 전력 밀도 값을 도시한 그래프이며, 도 14는 속도 성능 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 15는 내구성 테스트 결과를 도시한 그래프이며, 도 16은 내구성 테스트 전후에 얻은 나이퀴스트 선도(Fitted Nyquist plot)을 도시한 그래프이고, 도 17은 다양한 스윕 속도에서의 CV 곡선을 도시한 그래프이며, 도 18은 다양한 스윕 속도에서의 GCD 곡선을 도시한 그래프이고, 도 19는 QSSD(quasi-solid-state device; 실시예 5)의 면적/특정 용량 값을 도시한 그래프이며, 도 20은 팔찌 형태로 디자인된(Bracelet-like set-up) QSSD(quasi-solid-state device)를 도시한 이미지이다.FIG. 12 is a graph showing the specific/area capacitance values at different current densities of the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention, and FIG. 13 is a graph showing the specific/area energy and power density values. 14 is a graph showing the results of the speed performance test, Figure 15 is a graph showing the results of the durability test, Figure 16 is a graph showing the Nyquist plot obtained before and after the durability test, and Figure 17 is a graph showing the results of the durability test. It is a graph showing the CV curve at various sweep speeds, Figure 18 is a graph showing the GCD curve at various sweep speeds, and Figure 19 is the area/specific capacity of QSSD (quasi-solid-state device; Example 5). It is a graph showing the values, and Figure 20 is an image showing a QSSD (quasi-solid-state device) designed in the form of a bracelet (bracelet-like set-up).
준고체상태소자(quasi-solid-state device, QSSD)는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 전극으로 포함하지만, 분리막 및 액체 전해질은 폴리(비닐알코올)(PVA) 및 KOH 겔 전해질로 대체되고, QSSD는 23.7μAh cm-2의 면적 용량을 나타낸다.The quasi-solid-state device (QSSD) includes the 3D-on-1D hybrid nanostructure manufactured according to Example 2 of the present invention as an electrode, but the separator and liquid electrolyte are poly(vinyl alcohol) ( PVA) and KOH gel electrolyte, QSSD exhibits an areal capacity of 23.7μAh cm -2 .
또한, 전압 범위를 확장하기 위해 직렬 연결로 2개의 QSSD를 결합한 다음, 스카치 테이프로 감아 팔찌형 구성을 설계함으로써 QSSD의 실용성을 테스트하였으며, 팔찌와 같은 형태는 잠재적으로 녹색 발광 다이오드(LED)와 모터 팬에 전원을 공급할 수 있다.Additionally, the practicality of the QSSD was tested by designing a bracelet-like configuration by combining two QSSDs in a series connection to extend the voltage range and then wrapping them with scotch tape. The bracelet-like shape could potentially be used to connect a green light-emitting diode (LED) and a motor. It can supply power to the fan.
도 12 내지 도 20을 참조하면, 0-1.5V의 최대 작동 전압에서 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터는 2mA cm-2에서 최대 면적 용량(maximum areal capacity)이 43 μAh cm-2(17.23 mAh g-1)를 나타내고, 78.3%의 우수한 속도 성능과 함께 20mA cm-2의 높은 전류 밀도에서도 여전히 30.1 μAh cm-2(12 mAh g-1)를 유지하는 것을 알 수 있다. 12 to 20, the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention at a maximum operating voltage of 0-1.5V has a maximum areal capacity of 43 μAh cm -2 at 2mA cm -2. (17.23 mAh g -1 ), and it can be seen that it still maintains 30.1 μAh cm -2 (12 mAh g -1 ) even at a high current density of 20mA cm -2 with excellent speed performance of 78.3%.
또한, 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터는 50회 더 주기 동안 거의 동일한 값을 유지하여 높은 속도 성능을 드러냈습니다.Additionally, the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention maintained almost the same value for 50 more cycles, revealing high rate performance.
또한, 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 슈퍼캐패시터는 각각 31 μWh·cm-2와 10.9mW·cm-2의 최대 에너지 밀도와 전력 밀도 값을 나타내고, 30,000회 충방전 사이클 종료 시 95.8%의 유지율로 우수한 내구성을 나타내는 것을 알 수 있다.In addition, the supercapacitor manufactured according to Example 4 of the present invention exhibits maximum energy density and power density values of 31 μWh·cm -2 and 10.9 mW·cm -2 , respectively, and 95.8% at the end of 30,000 charge/discharge cycles. It can be seen that the maintenance rate shows excellent durability.
도 21 내지 도 29는 촉매를 이용한 OER(oxygen evolution reaction) 활성 테스트 결과를 도시하였다.Figures 21 to 29 show the results of an oxygen evolution reaction (OER) activity test using a catalyst.
도 21은 2 mV s-1의 낮은 스윕 속도에서의 비교예 1, 비교예 2 및 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매의 LSV(linear sweep voltammograms) 프로파일을 도시한 그래프이고, 도 22는 8.5 10mA cm-2 또는 10mA cm-2의 전류 밀도를 구동하는 데 필요한 촉매의 OP(onset overpotential) 값을 도시한 그래프이며, 도 23은 타펠 기울기(Tafel slope)를 도시한 그래프이고, 도 24는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매와 참고물질들의 의 타펠 기울기를 비교하여 도시한 그래프이며, 도 25는 24시간 동안 10mA cm-2에서 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매에 대해 수행된 시간 전위차계 테스트 결과를 도시한 그래프이다.Figure 21 shows the LSV ( linear It is a graph showing the sweep voltammograms profile, and Figure 22 is a graph showing the OP (onset overpotential) value of the catalyst required to drive a current density of 8.5 10 mA cm -2 or 10 mA cm -2 , and Figure 23 is the Tafel slope. It is a graph showing the (Tafel slope), and Figure 24 is a graph comparing the Tafel slope of the catalyst containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention and the reference materials, Figure 25 is a graph showing the results of a time potentiometer test performed on the catalyst containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention at 10 mA cm -2 for 24 hours.
비교예 1, 비교예 2 및 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매의 전기촉매 활성은 낮은 스위프 속도에서 2mV s-1에서 선형 스위프 전압전류도(LSV)를 측정하여 알칼리 매질에서 산소 발생 반응(OER)에 대해 테스트 하였다.The electrocatalytic activity of the catalyst containing the 3D-on-1D hybrid nanostructures prepared according to Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Examples 1 to 3 of the present invention was linear sweep voltammetry at 2 mV s -1 at a low sweep speed. The oxygen evolution reaction (OER) was tested in an alkaline medium by measuring the LSV.
도 21 내지 도 29를 참조하면, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매는 10mA cm-2의 전류 밀도를 구동하기 위해 230mV의 낮은 개시 과전위(OP) 값에서 가장 높은 OER 활성을 나타내는 것을 알 수 있다.21 to 29, the catalyst containing the 3D - on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention has a low onset overpotential of 230 mV ( It can be seen that the highest OER activity is observed in the OP) value.
본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매는 다른 촉매보다 38mV dec-1의 더 낮은 타펠(Tafel) 기울기와 더 안정적인 촉매 활성(24시간)을 나타내었다.The catalyst containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention showed a lower Tafel slope of 38mV dec -1 and more stable catalytic activity (24 hours) than other catalysts. .
도 26은 OER 안정성 테스트 후, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물을 포함하는 촉매의 나노입자의 TEM 결과 및 SAED 패턴을 도시한 이미지이고, 도 27은 나노콘의 TEM 결과 및 SAED 패턴을 도시한 이미지이며, 도 28은 EDS 스펙트럼을 도시한 그래프이며, 도 29는 HNA의 원소 매핑 이미지를 도시한 것이다.Figure 26 is an image showing the TEM results and SAED pattern of catalyst nanoparticles containing the 3D-on-1D hybrid nanostructure prepared according to Example 2 of the present invention after the OER stability test, and Figure 27 is an image showing the nanocone This is an image showing the TEM results and SAED pattern, Figure 28 is a graph showing the EDS spectrum, and Figure 29 is an elemental mapping image of HNA.
또한, OER 안정성 테스트 후, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 ex situ XPS 및 TEM 분석은 금속 인화물에서 금속 옥시수산화물((Ni,Co)OOH)로의 상 변화를 추가로 확인하고 금속 인화물 기반 물질의 "실제 활성 사이트(real-active sites)"가 (Ni,Co)OOH 종인 것을 알 수 있다.In addition, after the OER stability test, ex situ Further confirmation shows that the “real-active sites” of the metal phosphide-based material are (Ni,Co)OOH species.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법은 1 단계 수열합성법을 이용하여 에너지 저장 시스템 및 전기 촉매 활동을 위한 저렴한 전극 재료를 제조할 수 있는 동시에 향상된 전기화학적 성능을 가져, 다기능 응용 분야에서 적용될 수 있는 것을 알 수 있다.Therefore, the method for manufacturing 3D-on-1D hybrid nanostructures according to embodiments of the present invention can produce inexpensive electrode materials for energy storage systems and electrocatalytic activities using a one-step hydrothermal synthesis method, while improving electrochemical performance. It can be seen that it can be applied in multi-functional application fields.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described using limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations can be made from these descriptions by those skilled in the art. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the claims and equivalents thereof as well as the claims described later.
110: 탄소 천 121: 나노막
122: 나노 콘 123: 나노입자110: carbon cloth 121: nanomembrane
122: nano cone 123: nanoparticle
Claims (11)
상기 나노 콘 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 입자;
를 포함하고,
상기 나노 콘 및 상기 나노 입자는 CoNiP-CoP2(cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide)의 이중 금속 인화물(dual metal phosphides)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물(3D-on-1D Hybrid Nanoarchitecture).
At least one nanocone grown on carbon cloth; and
At least one nanoparticle grown on the nanocone;
Including,
The nanocone and the nanoparticle are 3D-on-1D hybrid nanostructures, characterized in that they contain dual metal phosphides of CoNiP-CoP 2 (cobalt nickel phosphide-cobalt phosphide) Hybrid Nanoarchitecture).
상기 CoNiP-CoP2의 이중 금속 인화물은 CoNiP와 CoP2 가 이종접합(Heterojunction) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물.
According to paragraph 1,
The double metal phosphide of CoNiP-CoP 2 is a 3D-on-1D hybrid nanostructure characterized in that CoNiP and CoP 2 have a heterojunction structure.
상기 나노 입자의 평균 크기는 850nm 내지 900nm인 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물.
According to paragraph 1,
A 3D-on-1D hybrid nanostructure, characterized in that the average size of the nanoparticles is 850 nm to 900 nm.
상기 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 접촉각은 0° 인 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물.
According to paragraph 1,
A 3D-on-1D hybrid nanostructure, characterized in that the contact angle of the 3D-on-1D hybrid nanostructure is 0°.
음극(anode); 및
상기 양극과 상기 음극 사이에 배치되는 전해질;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 슈퍼캐패시터.
An anode comprising the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to claim 1;
cathode (anode); and
an electrolyte disposed between the anode and the cathode;
A supercapacitor comprising:
An electrode catalyst for oxygen evolution reaction (OER) comprising the 3D-on-1D hybrid nanostructure according to claim 1.
니켈 전구체, 코발트 전구체, 인 전구체 및 용매를 포함하는 성장 용액을 준비하는 단계;
상기 성장 용액에 상기 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법.
Preparing carbon cloth;
Preparing a growth solution containing a nickel precursor, a cobalt precursor, a phosphorus precursor, and a solvent;
Adding the carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis;
A method of manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure comprising a.
상기 성장 용액은 탄소 천 상에 형성된 Co-Ni 인화물 핵(Co-Ni phosphide nuclei)을 수직 성장시키는 계면활성제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법.
In clause 7,
The growth solution is a method of producing a 3D-on-1D hybrid nanostructure, characterized in that it further contains a surfactant that vertically grows Co-Ni phosphide nuclei formed on the carbon cloth.
상기 성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계에서, 성장 온도는 130℃ 내지 170℃인 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법.
In clause 7,
In the step of adding carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis, the growth temperature is 130°C to 170°C. 3D-on-1D Method for manufacturing hybrid nanostructures.
상기 성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계에서, 성장 시간은 3시간 내지 7시간 인 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법.
In clause 7,
In the step of adding carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis, the growth time is 3 to 7 hours. 3D-on-1D Method for manufacturing hybrid nanostructures.
상기 성장 용액에 탄소 천을 넣어 수열합성법으로 상기 탄소 천 상에 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 성장시키는 단계(S130)는,
탄소 천 상에 성장된 적어도 하나 이상의 나노 콘 및 적어도 하나 이상의 나노 입자를 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D-on-1D 하이브리드 나노 구조물의 제조 방법.In clause 7,
The step (S130) of adding a carbon cloth to the growth solution and growing at least one nanocone and at least one nanoparticle on the carbon cloth by hydrothermal synthesis,
A method for manufacturing a 3D-on-1D hybrid nanostructure, further comprising drying at least one nanocone and at least one nanoparticle grown on a carbon cloth.
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KR101883005B1 (en) | 2012-01-10 | 2018-07-27 | 삼성전기주식회사 | Electrode, method for preparing the same, and super capacitor using the same |
KR20190042268A (en) | 2017-10-16 | 2019-04-24 | 엘지이노텍 주식회사 | Composition used for forming an electrode of super capacitor and the super capacitor using the same |
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