탄소나노튜브로 코팅된 스테인리스강 기판에 구리와 구리(I) 산화물의 전기화학적 증착 특성 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6786(2023) 이 기사 인용

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탄소나노튜브와 다양한 형태의 구리로 구성된 나노복합체 코팅은 2단계 공정으로 제조되었습니다. 먼저, 탄소나노튜브를 정전류 전기영동 증착을 이용하여 스테인레스 스틸 기판에 코팅하였다. 그런 다음, 황산구리(II) 용액을 이용한 전기화학 증착 공정이 높은 과전위 조건에서 수행되었습니다. 용액 내 구리(II) 양이온 농도와 증착 시간의 변형으로 다양한 형태의 결정이 형성되었습니다. 시료와 그 단면은 전자분산분광법을 갖춘 주사전자현미경을 이용하여 관찰 및 검사하였다. 화학성분을 분석한 결과, 순수한 구리 결정 외에 구리와 산소가 존재하는 특징을 갖는 결정이 형성되어 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 이 산화구리의 알려지지 않은 화학량론을 결정하기 위해 라만 분광학을 적용했습니다. 정밀 분석을 통해 황산구리(II) 용액의 농도에 따라 다양한 크기의 결정 형태를 갖는 산화구리(I)가 확인되었습니다. 이러한 결과를 확인하기 위해 방목 입사 X선 회절 측정도 수행되었습니다. 적용된 방법의 조합은 제안된 구리(I) 산화물 형성 메커니즘을 갖춘 나노복합체 코팅의 제조에 대한 자세한 설명을 제공했습니다.

전기화학적 방법은 [물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD)과 같은] 다른 방법의 지속적인 개발에도 불구하고 여전히 복합 코팅 생산에 가장 유리한 기술 중 하나로 간주됩니다. 이는 얻은 제품의 특성에 대한 정밀한 제어와 함께 높은 다양성, 반복성 및 단순성으로 인해 다른 제품보다 돋보입니다1,2. 다른 장점으로는 저렴한 비용, 폐기물 양 감소, 전기화학 공정에 사용되는 장비의 쉬운 확장성 등이 있습니다. 또한 공정 매개변수를 변경하여 두께, 거칠기 및 형태와 같은 코팅의 중요한 특성을 맞춤화하는 것이 가능합니다3,4,5. 다양한 수용된 재료 및 그 응용과 함께 이러한 장점은 많은 과학 분야의 연구자에게 전기화학을 주목하게 합니다. 전도성 매트릭스의 입자가 금속, 고분자 또는 세라믹일 수 있는 복합 코팅은 전자, 표면 공학, 항공우주 또는 부식 방지에 성공적으로 사용되었습니다6,7,8,9,10,11. 전기화학적 증착(ECD) 공정은 19세기 초부터 알려졌지만, 그 메커니즘을 설명하기 위한 연구는 여전히 진행 중입니다. 전착 과정에서 발생하는 전기화학 반응은 여러 산화환원 방정식으로 균형을 맞추는 것이 상대적으로 쉽지만, 특정 메커니즘에 따라 실행되는 공정의 개별 단계는 여전히 연구 및 공정 모델링의 주제입니다12,13. 간단히 말하면, ECD는 용액에서 증착된 원하는 물질의 얇고 단단한 접착 코팅을 사용하여 전도성 기판 표면을 수정하는 것을 기반으로 합니다. 이는 폐쇄 전기 회로의 액체(전해질)와 고체(전극)의 두 상 경계면에서 발생합니다. 적용된 전위가 Nernst 방정식 또는 Pourbaix 다이어그램14에 의해 결정된 평형 값과 다를 수 있기 때문에 시스템은 화학 평형 상태와 거리가 멀 수 있습니다. 따라서 적용된 전위와 pH를 제어함으로써 동일한 용액에서 물질의 다양한 형태(화학적, 구조적 또는 결정학적)를 얻는 것이 가능합니다.

구리는 업계에서 가장 널리 사용되는 금속 중 하나이며 현재 ECD에 가장 많이 적용되는 재료입니다. 이는 주로 우수한 열 및 전기 전도성과 부식 방지 특성 때문입니다. 산성 용액에서 구리(II) 양이온(Cu2+)은 다음 반응에 따라 금속 구리(Cu)로 직접 환원됩니다.