전이금속 질화물의 결정구조와 물리화학적 특성에 관한 연구

Abstract

전이금속 질화물은 다양한 물리적, 화학적인 성질을 가지고 있기 때문에 새로운 재료로써 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 연구에서는 암염 구조, α-PbO2구조, 역페로브스카이트 구조, 육방정계 층상구조 그리고 η-carbide 구조를 갖는 여러 가지 전이금속 질화물을 합성하였다. 다양한 합성법과 전구체를 이용하여 질화물 입자크기를 조절하였다. X-선 회절분석법, 주사전자현미경, 열 중량 분석, 전기화학적 분석을 이용하여 화합물의 결정구조, 입자크기 및 물리•전기화학적 특성에 대해 연구하였다. α-PbO2구조의 Fe2.2N는 {00l}방향으로 질소 음이온이 빠져있는 터널을 가진 구조이다. 소듐 이온 배터리의 음극 물질로 Fe2.2N의 충•방전 특성을 평가한 결과, 첫 번째 사이클에서 70mAh/g을 보였고 이 후 30mAh/g의 용량이 유지되었다. 이는 최대 3개의 소듐 이온이 반응에 참여하는 이론용량 442mAh/g의 16%, 6.7%에 해당하며 0.47몰, 0.17몰의 소듐 이온이 반응하였다. 그 다음으로 암염구조를 갖는 VN의 충•방전 특성을 확인하였다. 첫 사이클에서 240mAh/g의 용량을 확인하였고, 세 번째 사이클 이후부터 60mAh/g 용량을 유지하였다. 이론용량 1,238mAh/g의 20%, 5%에 해당하는 결과이다. VN와 Ni3N은 슈퍼커패시터 전극 특성을 확인하기 위해 순환 전류-전압법과 정전류법을 이용하여 비정전용량을 측정하였다. 삼전극계를 이용하여 순환 전압-전류법 측정 결과 모두 전기 이중층 커패시턴스와 의사 커패시턴스 피크가 모두 관찰되었다. 주사속도 2mV/s일 때 600℃에서 합성한 VN는 340F/g, 700℃에서 합성한 VN은 105F/g의 용량을 나타내었다. 비교적 입자 크기가 작은 600℃에서 합성한 VN은 낮은 주사속도 2mV/s에서는 높은 용량을 갖지만 주사속도가 증가함에 따라 용량이 크게 감소하는 경향을 보였다. 입자 크기가 작을수록 산화•환원 반응이 가능한 표면적이 넓어 의사 커패시터 용량이 크다는 것을 알 수 있다. Ni3N의 전압-전류곡선은 주로 산화•환원 피크가 나타나며, 174F/g의 용량을 갖는다. 정전류 분석법을 이용하여 비정전용량을 확인한 결과 700℃에서 합성한 VN는 101F/g, Ni3N은 153F/g으로 순환 전압 전류법과 유사한 결과를 확인하였다. 전기화학적 암모니아 합성 촉매로써의 전이금속 질화물의 가능성을 확인하였다. 질소/산소 분위기에서의 온도에 따른 화학적 변화가 적은 Fe3Mo3N을 촉매로 선택하였다. Fe3Mo3N를 촉매로 사용하여 한국에너지기술연구원에서 전기화학적 암모니아를 합성하였다. 암모니아 제조 시 음극에 Fe3Mo3N 촉매를 사용하였을 때 Ru계 촉매보다 합성 수율이 향상되는 결과를 보였다.