나노 다공성 표면의 전기화학적 촉매효과와 그 응용

Abstract

본 연구에서의 나노 다공성 박막의 표면은 지름이 평균 3 nm인 수많은 동공으로 이루어져있다. 이런 특유한 구조로 인하여, 실제 면적이 평평한 표면보다 훨씬 커지고, 반응에 필요한 충돌 횟수가 증가될 것으로 예상된다. 증가된 면적에 의한 촉매 현상을 연구한 논문들은 다수 발표되어있지만, 동공 안에서 증가된 충돌수로 인한 촉매 현상을 실험적으로 증명한 논문은 발표되지 않았다. 그래서 Part I 에서는 나노 다공성 구조로 증가된 충돌횟수가 실제 반응에서 촉매작용의 한 요소로서 기여하는지를 알아보기 위하여 글루코오즈 (glucose), 과산화수소(hydrogen peroxide)의 산화반응과 pH 측정을 수행하였다. 상대적으로 반응이 느린 글루코오즈의 산화반응과 mass transport effect가 없는 pH 전위차 측정에서 나노 다공성 구조자체에 의한 촉매 현상을 확인하였다. Part Ⅱ에서는 나노 다공성 백금의 촉매능력을 마이크로 전극에 적용하여 glutamate 효소 센서를 만들었다. 이 센서의 원리는 glutamate가 효소에 의해 분해되고, 이 반응에서 생성된 과산화수소를 백금표면에서 산화시킴으로서 그 전류를 측정하는 것이다. 지름이 25 μm인 전극에 나노 다공성 백금을 전기화학적으로 도금하고 글루타민 효소를 비전도성 폴리머인 poly-m-PD를 전기 중합 방식으로 전극 표면에 고정하였다. 나노 다공성 마이크로 백금 전극이 평평한 전극보다 전류가 4배 이상 큰 것을 확인하였다. Part Ⅲ에서는 고체상 기준전극으로서 나노 다공성 백금의 가능성을 알아보고, 칩 상에서 구현하는 실험을 수행하였다. 나노 다공성 백금 산화물은 pH 반응에서 좋은 선형성과 낮은 이력현상을 보인다. 따라서 일정한 pH 환경 하에서 나노 다공성 백금은 기준전극으로서 거동할 것으로 예상된다. poly-m-PD막을 입혀서 백금 표면의 평형반응을 방해하는 물질을 차단했고, 마이크로 칩에 적용하여 고체상 기준전극으로서의 가능성을 확인하였다.|Nanoporous metal surfaces in this study are composed of numerous nanopores with diameter of 3 nm. Because of this unique structure, it is expected that active real surface and collision frequency could be remarkably enhanced. We investigated the apparent electrocatalysis that is observed at the nanoporous electrodes in terms of collision frequency as well as surface area. Based on the fundamental research on the origin of the apparent electrocatalytic behavior, two practical applications including micro-glutamate sensor and solid-state reference electrode were demonstrated. Overall, this thesis consists of three parts with respective issues as follows. Part I addressed the novel structural effect of nanoporous platinum surface to the amperometric responses to glucose and hydrogen peroxide, and potentiometric signals due to pH changes. Geometric effect of nanopores was verified in both faradaic reaction of sluggish glucose oxidation and non-faradaic system of open circuit potential responding to any pH change. In part Ⅱ, the apparent catalytic ability of nanoporous platinum was exploited to develope enzymatic glutamate micro-sensor. The oxidation current of hydrogen peroxide generated in enzymatic reaction was amplified by nanoporous platinum, which had been electroplated on a Pt/Ir alloy wire. 1,3-phenylenediamine was electropolymerized on the electrode for immobilization of glutamate oxidase (GLOx). The sensitivity of nanoporous platinum for glutamate was four times higher than that of flat platinum. Part Ⅲ reported the utilization of nanoporous platinum for a new kind of solid-state reference electrode. The anodized nanoporous platinum provides many electroanalytical characteristics such as near-nerntian behavior, low hysteresis, and a short response time in pH response that suggest the application to a solid-state reference electrode in a constant pH condition. In addition, Poly-m-PD layer on nanoporous platinum oxide effectively suppresses the interferences by redox-active species, which are often serious problems in the conventional IrOx system. It was showed that the solid-state reference electrode of poly-m-PD coated nanoporous platinum can be successfully integrated in the microfluidic system on a glass chip.