액체 계면 유도 합성법으로 2차원(2D) 메조다공성 VO₂ 마이크로어레이를 간편하게 제조했습니다. 이 어레이는 바늘 모양 VO₂ 입자로 구성되며, 표면 전체에 약 2 nm 크기의 균열형 기공이 20~100 nm 깊이로 균일하게 분포합니다. 유무기 계면이 소프트 템플릿 역할을 해 밀리미터 크기 시트(약 1 μm 두께) 형성을 유도합니다. 이 구조 덕분에 1 A/g에서 265 F/g의 높은 비정전용량, 10 A/g에서 182 F/g 유지(66% 유지율), 2 A/g에서 3000 사이클 후 239 F/g 유지(100% 유지율)의 우수한 사이클 안정성을 보입니다. 우수한 성능은 독특한 메조다공성 구조와 VO₂ 마이크로어레이의 고유 전도성에서 기인합니다.
슈퍼커패시터는 빠른 표면 전하 메커니즘 덕분에 기존 배터리보다 10배 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 제공하는 유망한 에너지 저장 소자입니다. 크게 메조다공성 탄소 기반 전기이중층 커패시터(EDLC)와 금속 산화물 또는 전도성 고분자의 패러데이 산화환원 반응을 이용하는 슈도커패시터로 나뉩니다. 슈도커패시턴스는 EDLC보다 10배 높을 수 있지만, 낮은 표면적과 열악한 전기 전도도로 인해 전력 밀도와 수명이 저하되곤 합니다.
RuO₂, MnO₂, Fe₂O₃, NiO, SnO₂ 등 전이금속 산화물(TMO)이 전극 소재로 광범위하게 연구되었습니다. 바나듐 산화물(V₂O₅, VO₂, V₆O₁₃)은 다양한 산화 상태, 저비용, 풍부한 매장량, 우수한 구조적 안정성으로 특히 매력적입니다. VO₂는 혼합 원자가(V³⁺/V⁵⁺) 전자 구조로 다른 바나듐 산화물보다 높은 전도성을 가집니다. 기존 연구에서 VO₂ 복합체의 인상적인 슈도커패시턴스가 보고되었습니다: VO₂/rGO(1 A/g에서 426 F/g), VO₂/CNT(2 A/g에서 485 F/g), ALD법 VO₂/CNT(1550 F/g). 하지만 순수 VO₂ 나노결정은 제어되지 않은 형태와 부족한 표면적으로 보통 100 F/g 미만의 낮은 정전용량을 보였습니다.
우리는 이전에 톨루엔-물 수열 시스템을 개발해 유무기 액체 계면에서 금속 산화물 나노결정의 제어된 성장을 가능케 했습니다. 이 시스템에서 핵생성은 수용액상에서 일어나고, 계면활성제 흡착이 결정을 유기상으로 끌어당기며, 액체 계면이 이방성 성장의 템플릿 역할을 합니다. 여기서는 이 접근법을 확장해 높은 전도성, 큰 표면적, 짧은 이온 확산 경로를 결합한 독특한 메조다공성 구조의 2D VO₂ 마이크로어레이를 합성했습니다.
V₂O₅, 30% H₂O₂, 톨루엔, 올레산, 터트-부틸아민을 Sigma Aldrich에서 구입해 정제 없이 사용했습니다. 탈이온수(Milli-Q)를 전반적으로 사용했습니다.
일반적인 실험에서 7.5 mL 30% H₂O₂를 150 mL DI 물에 섞고 0.534 g V₂O₅를 첨가했습니다. 상온에서 어두운 황금색 용액이 될 때까지 저어 수용상을 만들었습니다. 유기상은 30 mL 톨루엔, 12 mL 올레산, 1.5 mL 터트-부틸아민으로 구성했습니다. 두 상을 200 mL 오토클레이브에 넣고 200°C에서 48시간 가열했습니다. VO₂ 마이크로어레이가 액체 계면에서 핵생성해 수용액 층 위로 떠올랐습니다. 원심분리 후 세척하고 진공 하에서 200°C로 2시간 건조했습니다.
XRD는 D5005HR 디프랙토미터(Cu Kα, 40 kV, 40 mA)로 수행했습니다. TEM(JEM-2100F)과 FESEM(SU-70)에 EDS를 결합해 형태와 조성 데이터를 얻었습니다. XPS(ESCALAB 250)로 표면 화학을 분석했습니다. BET 표면적과 기공 분포는 77 K에서 질소 흡착법(Micrometritics ASAP 2020)으로 측정했습니다.
전극은 활성 물질 80 wt%, 아세틸렌 블랙(AB) 10 wt%, PVDF 10 wt%를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 섞어 슬러리를 만들고 Ni 포일에 코팅한 후 80°C에서 하룻밤 건조해 제조했습니다. 작업 전극은 1 M Na₂SO₄ 전해질에서 3전극 셀로 테스트했습니다. 순환 전압법(CV)은 PARSTAT 2273으로 다양한 주사 속도에서 기록했습니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 10 kHz~0.01 Hz(10 mV ac)에서 측정했습니다. 전도도는 분말을 30 MPa로 압축해 0.2 mm 두께 디스크로 만든 후 4점 프로브법(ST-2258A)으로 측정했습니다.
액체 계면 합성은 두 단계로 진행됩니다: (1) 계면에서 VO₂ 나노시트 핵생성; (2) 수용액상에서 나노시트 표면에 바늘 모양 VO₂ 유닛 성장. 반응이 진행되면서 나노시트는 불규칙한 입자 집합체로 변하고, 최종적으로 밀리미터 크기, 1 μm 두께의 2D 마이크로어레이가 됩니다(그림 1). 바늘 모양 유닛은 폭 약 350 nm, 길이 약 1 μm이며, 각각 깊이 20~100 nm의 약 2 nm 기공으로 이루어진 균일한 메조다공성 네트워크를 가집니다(그림 1c). BET 분석 결과 표면적 80 m²/g, 2.85 nm 중심의 좁은 기공 크기 분포를 보였습니다(그림 2a), 이는 빠른 이온 수송에 이상적입니다.
XRD 패턴은 VO₂(B)와 VO₂(R) 상의 혼합을 확인하며 B 상이 우세합니다(그림 2b). 이 상은 우수한 전자 전도성으로 관측된 높은 정전용량을 뒷받침합니다.
XPS 표면 화학 분석에서 V 2p 결합 에너지 516.7 eV로 V⁴⁺ 특성이 나타나 VO₂ 화학양론을 확인했습니다(그림 3).
전기화학 테스트에서 우수한 성능을 보였습니다. CV 곡선은 50 mV/s에서도 직사각형에 가까워 높은 가역적 산화환원 거동을 나타냅니다(그림 4a). EIS는 저주파에서 거의 수직선과 최소 반원호를 보여 등가 직렬 저항(ESR) 1.07 Ω을 나타냅니다(그림 4b).
0.5~10 A/g 갈바노스태틱 충방전 곡선에서 0.5 A/g 275 F/g, 1 A/g 265 F/g, 10 A/g 182 F/g의 비정전용량을 얻었으며 저속 대비 66% 유지했습니다(그림 5b). 2 A/g에서 3000 사이클 후 정전용량은 239 F/g로 100% 유지되었습니다(그림 5c). 반면 메조다공성 구조가 없는 마이크로어레이(VO₂-S, VO₂-F)는 현저히 낮은 정전용량과 급격한 감소를 보였습니다.
이 결과는 메조다공성 바늘 모양 구조와 VO₂(B)의 높은 고유 전도성이 우수한 슈도커패시턴스, 빠른 속도 특성, 내구성 있는 사이클 안정성을 달성하는 데 결정적임을 강조합니다.
균일한 메조다공성 바늘 모양 구조의 2D VO₂ 마이크로어레이를 제조하는 간단하고 확장 가능한 액체 계면 법을 개발했습니다. 결과 전극은 1 A/g에서 265 F/g 높은 비정전용량, 10 A/g에서 이 값의 66% 유지, 2 A/g에서 3000 사이클 후 239 F/g 유지를 보입니다. 큰 표면적, 짧은 이온 확산 경로, VO₂(B)의 고유 전도성 조합이 탁월한 성능을 설명하며, 이 마이크로어레이를 차세대 슈퍼커패시터 유망 후보로 자리매김시킵니다.
나노물질
요약 최근 고에너지밀도 리튬이온전지(LIB) 개발이 전기자동차와 스마트그리드 기술 수요 충족을 위한 중요한 연구 방향이 되었습니다. 현재 기존 LIB는 용량, 사이클 수명, 안정성 면에서 한계에 도달해 추가 개선과 현저히 향상된 특성을 가진 대체 물질 개발이 필요합니다. 본 연구에서는 질소 함유 탄소나노튜브(N-CNT)를 이금속 황화물(NiCo2S4) 호스트로 제안해 LIB용 매력적인 전기화학적 성능을 가진 음극으로 활용했습니다. 제조된 NiCo2S4/N-CNT 나노복합체는 향상된 사이클 안정성, 속도 특성, 0.1A g–1에서 1
초록 층상이중수산화물은 구조가 잘 조절되면 우수한 에너지 저장 성능을 보일 수 있는 전형적인 슈퍼커패시터 전극 소재다. 본 연구에서는 간단한 일단계 수열법으로 다양한 니켈-코발트 층상이중수산화물(NiCo-LDHs)을 제조했으며, 서로 다른 요소 함량으로 NiCo-LDHs 나노구조를 조절했다. 결과적으로 요소 함량 감소가 NiCo-LDHs 분산성 향상, 두께 조절, 내부 기공 구조 최적화를 통해 정전용량 성능을 높임을 보였다. 니켈(0.06 g) 대 코발트(0.02 g) 질량비 3:1 고정 조건에서 요소 함량을 0.03에서 0.007
