니오븀 산화물 나노 구조체 제조

Abstract

니오븀 산화물은 여러 형태로 제조 가능하며, 제조되는 형태에 따라 연료감응 태양전지, 바이오 소재, 수소발생 촉매, 및 커패시터 등의 여러 분야에 활용 가능하다. 본 연구는 니오븀 산화물의 표면적을 최대화시키기 위해 양극산화법 및 열처리 방법을 통해 다양한 형태의 나노구조체를 제조하는 것에 관한 것이다. 양극산화법을 이용한 니오븀 산화물 제조의 최적 조건을 찾기 위해 산의 조성, 온도, 전압을 변화시켜가며 실험을 행하였다. 최적화를 위한 조성은 1 M H₃PO₄ + 1 wt% HF가 가장 적절하며, 온도와 시간은 상온에서 1시간이 적절하다. 이러한 조성으로 제조된 산화물의 다공 크기는 약 12 nm이며, 산화막의 두께는 약 120 nm이다. 산화막의 두께를 더욱 증가시키기 위해서 양극산화 후 150 ℃에서 3시간 열처리하였다. 열처리 후 2차 양극산화 한 결과 다공의 크기는 약 12 nm로 유지되며 산화막의 두께는 약 540 nm로 증가되었다. 이러한 결과는 산화막의 열처리로 인해 양극산화시 HF로부터 산화막이 용출되는 것에 대한 억제력이 증가하기 때문으로 여겨진다. 또한 부동태 파괴현상을 이용하여 물을 첨가시키지 않은 상태에서 0.25 wt% NH4F (in ethylene glycol)로 5시간 양극산화시 니오븀 나노 파우더가 되었다. TEM 분석결과 파우더는 약 50 - 100 nm의 사이즈를 가진 Nb₂O_(5)이다. 기체-액체 평형 메커니즘을 이용하여 금속을 열처리하여 단결정 Nb₂O_(5) 나노와이어를 제조하였다. 나노와이어 제조 시 최적 조건은 3 torr 진공상태에서 900 ℃(10 ℃/min) 3시간 이상이다. 제조된 나노와이어는 직경 약 15 nm, 길이 10 - 20 ㎛이다.; Niobium oxides with different chemical and physical properties can be synthesized via various methods. It has received attention as a candidate material for dye-sensitized solar cell, photocatalysts to generate H2 gas, biocompatible implants, high-sensitivity biosensors, and large volume capacitors. In this study, electrochemical oxidation (anodization) and thermal oxidation for the preparation of various types of niobium oxides with enlarged surface area were described in detail. First of all, composition of electrolytes, temperature, and applied potential were optimized in order to electrochemically prepare functional niobium oxides. Nanoporous niobium oxide with an average diameter of 12 nm and thickness of around 120 nm was obtained under the optimized conditions (1M H₃PO₄ + 1 wt% HF, room temperature, 1 h anodizaton). Annealing of the anodically prepared nanoporous film at 150 ℃ for 3h and subsequent 2nd anodization lead to increase the thickness of nanoporous film up to 540 nm. It is due to that dissolution of the formed oxide by HF is greatly restricted by the annealing. Niobium oxide nanoparticles were successfully prepared based on the avalanche breakdown of nanoporous films at a high potential. Instead of using an aqueous electrolyte, ethylene glycol containing 0.25 wt% NH4F was employed as an electrolyte which stimulates the breakdown of the film. It was revealed from TEM analysis that the nanoparticles consist of monoclinic Nb₂O_(5) with a size of 50 ~ 100 nm. Finally, Nb₂O_(5) nanowires with a diameter of 15 nm and a length of 10 ~ 20 ㎛ were synthesized by annealing of Nb foils based on vapor-solid (VS) mechanism. Optimization of the annealing conditions (3 torr vacuum, annealing temperature of 900 ℃ for 3h) was described in detail.