KR101804627B1 - Method for manufacturing morphology controlled metal nanoparticle yolk-shell nanocomposite and its application as nanocatalyst - Google Patents
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Abstract
본 발명은 형상 제어된 나노 입자를 준비하는 제1 단계; 상기 나노 입자에 실리카를 코팅하여 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 얻는 제2 단계; 상기 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체에 금속 산화물을 코팅하여 금속 산화물 코팅된 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 얻는 제3 단계; 및 상기 금속 산화물 코팅된 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 염기 처리함으로써 실리카를 제거하여 나노 입자 요크-금속 산화물 쉘 구조체를 얻는 제4 단계를 포함하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법 및 촉매로의 활용에 관한 것이다.The present invention provides a method for preparing nanoparticles comprising: a first step of preparing shape-controlled nanoparticles; A second step of coating the nanoparticles with silica to obtain a nanoparticle yoke-silica shell structure; A third step of coating a metal oxide on the nanoparticle yoke-silica shell structure to obtain a metal oxide coated nanoparticle yoke-silica shell structure; And a fourth step of removing the silica by treating the metal oxide coated nanoparticle yoke-silica shell structure with a base to obtain a nanoparticle yoke-metal oxide shell structure. Nanocomposites and their application as catalysts.
Description
본 발명은 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘(yolk-shell) 구조를 갖는 나노 복합체의 제조방법, 보다 구체적으로는 요크-쉘 구조를 갖는 나노복합체 형태로 형상 제어된 나노 입자를 안정적으로 고정화시켜 상기 나노 복합체를 촉매로서 활용하는 방안에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a nanocomposite having a yolk-shell structure including shape-controlled metal nanoparticles, more specifically, to a nanocomposite nanocomposite having a yoke- And a method for utilizing the nanocomposite as a catalyst.
나노 입자는 독특한 광학적, 전기적, 화학적 특성으로, 공학, 광학, 의학 등 다양한 분야에서 사용되는데, 콜로이드 기술의 발전에 따라 금속 나노 입자의 크기와 형상제어가 가능해지고, 이를 통해 나노 입자는 촉매, 센서, 약물 전달, 생체의학 등의 분야에서 다양하게 응용 되고 있다. Nanoparticles are used in various fields such as engineering, optics, and medicine due to their unique optical, electrical, and chemical properties. With the development of colloid technology, it is possible to control the size and shape of metal nanoparticles. , Drug delivery, and biomedicine.
현재, 나노 입자의 입자간 뭉침(aggregation), 용해(leaching), 안정성, 회수 및 재사용의 어려움 등이 나노 입자의 활용을 어렵게 하고 있다. At present, the difficulty of aggregation, leaching, stability, recovery and reuse of nanoparticles makes it difficult to utilize nanoparticles.
따라서, 이런 문제를 해결하기 위해 나노 입자를 효과적 및 안정적으로 활용하기 위한 방법으로 코어-쉘(core-shell) 또는 요크-쉘(yolk-shell) 구조를 갖는 나노복합체에 나노 입자를 고정화시키는 연구가 진행되었다. Therefore, as a method to effectively and stably utilize the nanoparticles in order to solve such a problem, a study in which nanoparticles are immobilized on a nanocomposite having a core-shell or yokk-shell structure It went on.
특히 촉매 분야에 나노 입자가 응용되고 있는데, 나노 입자의 촉매 특성은 나노 입자의 형상 및 크기에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. Particularly, nanoparticles are applied to the catalyst field. It is known that the catalytic properties of the nanoparticles are greatly influenced by the shape and size of the nanoparticles.
그러나 기존 방법들은 나노복합체 제조시 형상이 제어된 나노 입자열처리(calcination) 및 산처리(acid treatment) 과정을 거치기 때문에 나노 입자의 초기 형상을 유지하기 어려웠고, 따라서 나노 입자를 코어-쉘, 요크?쉘과 같은 구조체의 중심 금속으로 활용하기에는 한계가 있었다.However, existing methods have been difficult to maintain the initial shape of the nanoparticles because the nanoparticles have undergone shape controlled nanoparticle calcination and acid treatment during nanocomposite production. Therefore, it is difficult to maintain the nanoparticles in the core-shell, But it has limitations to utilize it as the center metal of the structure such as.
따라서, 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 또는 요크-쉘 구조의 나노복합체에서 나노 입자의 형상 및 크기를 제어함으로써 촉매의 활성 및 선택성 등을 조절하여 반응 생성물과 부산물의 생성을 효과적으로 제어하는 연구가 진행되었다.Therefore, researches have been conducted to control the formation of reaction products and by-products by controlling the activity and selectivity of the catalyst by controlling the shape and size of the nanoparticles in a nanocomposite comprising core-shell or yoke-shell structure containing nanoparticles .
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 형상 제어된 나노 입자의 형상을 유지한 채로 나노 입자를 고정화시켜 나노 입자의 손실을 최소화할 수 있는 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노복합체의 제조방법 및 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노복합체 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art, the present invention provides a nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite having a shape- It is an object of the present invention to provide a method for producing a nanocomposite and a yoke-shell nanocomposite catalyst containing shape-controlled metal nanoparticles.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 형상 제어된 코어 나노 입자를 준비하는 제1 단계; 상기 코어 나노 입자에 실리카를 코팅하여 코어-실리카 쉘 구조체를 얻는 제2 단계; 상기 코어-실리카 쉘 구조체에 금속 산화물을 코팅하여 금속 산화물 코팅된 코어-실리카 쉘 구조체를 얻는 제3 단계; 및 상기 금속 산화물 코팅된 코어-실리카 쉘 구조체를 염기 처리함으로써 실리카를 제거하여 나노 입자 요크-금속 산화물 쉘 구조체를 얻는 제4 단계를 포함하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for preparing a core nanoparticle comprising: a first step of preparing shape-controlled core nanoparticles; A second step of coating the core nanoparticles with silica to obtain a core-silica shell structure; A third step of coating a metal oxide on the core-silica shell structure to obtain a metal oxide coated core-silica shell structure; And a fourth step of removing the silica by treating the metal oxide coated core-silica shell structure with a base to obtain a nanoparticle yoke-metal oxide shell structure. The yoke-shell nanocomposite comprising shape-controlled metal nanoparticles Of the present invention.
또한, 본 발명은 형상 제어된 코어 나노 입자와, 상기 코어 나노 입자를 감싸는 금속산화물 쉘을 포함하되, 상기 코어 나노 입자와 금속산화물 쉘 사이에는 빈 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매를 제공한다.The present invention also provides a shape controlled nanoparticle comprising a shape controlled core nanoparticle and a metal oxide shell surrounding the core nanoparticle, wherein an empty space is formed between the core nanoparticle and the metal oxide shell. The present invention provides a yoke-shell nanocomposite catalyst comprising metal nanoparticles.
본 발명에 따라 제조한 요크-쉘 나노복합체는 코아 나노 입자의 형상 및 크기를 효과적으로 유지할 수 있다. The yoke-shell nanocomposite prepared according to the present invention can effectively maintain the shape and size of the core nanoparticles.
본 발명에 따라 제조한 요크-쉘 나노복합체는 코아 나노 입자를 안정적으로 고정화할 수 있다. The yoke-shell nanocomposite prepared according to the present invention can stably immobilize the core nanoparticles.
본 발명에 따라 제조한 요크-쉘 나노복합체는 회수율 및 재사용율이 높아 촉매로서 경제적인 활용이 가능하다.The yoke-shell nanocomposite prepared according to the present invention has high recovery and reuse ratio and thus can be economically used as a catalyst.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 제어된 금속 나노 입자 요크?금속산화물 쉘 나노 복합체 제조과정의 도식도이다.
도 2는 실시예 1의 제1 단계에서 제조된 큐브 형태의 팔라듐 나노 입자의 TEM 사진이다.
도 3는 실시예 1의 제2 단계에서 제조된 코어-쉘 나노복합체의 TEM 사진이다.
도 4 및 5는 실시예 1의 제3 단계 및 제4 단계에서 제조된 팔라듐 요크-지르코니아 쉘 나노 복합체의 TEM 사진이다.
도 6은 실시예 2에서 제조된 팔라듐 요크-티타니아 쉘 나노 복합체의 TEM 사진이다.
도 7은 실시예 1의 제2 단계 및 제4 단계에서 제조된 팔라듐 요크-지르코니아 쉘 나노 복합체의 질소 흡탈착 결과이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 팔라듐 요크-지르코니아 쉘 나노 복합체의 XPS 결과이다.1 is a schematic diagram of a process for fabricating shape-controlled metal nanoparticle yoke-metal oxide shell nanocomposites according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a TEM photograph of the cube-shaped palladium nanoparticles prepared in the first step of Example 1. Fig.
3 is a TEM photograph of the core-shell nanocomposite prepared in the second step of Example 1. FIG.
FIGS. 4 and 5 are TEM photographs of the palladium yoke-zirconia shell nanocomposite prepared in the third and fourth steps of Example 1. FIG.
6 is a TEM photograph of the palladium yoke-titania shell nanocomposite prepared in Example 2. Fig.
FIG. 7 shows the results of nitrogen adsorption and desorption of the palladium yoke-zirconia shell nanocomposite prepared in the second and fourth steps of Example 1. FIG.
8 is an XPS result of the palladium yoke-zirconia shell nanocomposite prepared in Example 1. Fig.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법은, 형상 제어된 코어 나노 입자를 준비하는 제1 단계; 상기 코어 나노 입자에 실리카를 코팅하여 코어-실리카 쉘 구조체를 얻는 제2 단계; 상기 코어-실리카 쉘 구조체에 금속 산화물을 코팅하여 금속 산화물 코팅된 코어-실리카 쉘 구조체를 얻는 제3 단계; 및 상기 금속 산화물 코팅된 코어-실리카 쉘 구조체를 염기 처리함으로써 실리카를 제거하여 나노 입자 요크-금속 산화물 쉘 구조체를 얻는 제4 단계를 포함한다.The method for manufacturing a yoke-shell nanocomposite including shape-controlled metal nanoparticles of the present invention comprises: a first step of preparing shape-controlled core nanoparticles; A second step of coating the core nanoparticles with silica to obtain a core-silica shell structure; A third step of coating a metal oxide on the core-silica shell structure to obtain a metal oxide coated core-silica shell structure; And a fourth step of removing the silica by treating the metal oxide coated core-silica shell structure with a base to obtain a nanoparticle yoke-metal oxide shell structure.
상기 나노 입자는 팔라듐(Pd), 플래티늄(Pt), 금(Au), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금의 금속 나노 입자일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. The nanoparticles may be selected from the group consisting of Pd, Pt, Au, Ag, Rh, Ru, Ni, Co, Cu, Metal nanoparticles of one or more kinds of alloys selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W), and tin (Sn).
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 요크-쉘 나노 복합체가 촉매로서 사용되므로 촉매로서 활용도가 높은 팔라듐(Pd)이 바람직하다.In a preferred embodiment of the present invention, since the yoke-shell nanocomposite is used as a catalyst, palladium (Pd) having high utilization as a catalyst is preferable.
상기 형상 제어된 나노 입자의 형상은 구형(sphere); 사면체(tetrahedron), 육면체(cube), 팔면체(octahedron) 또는 십이면체(dodecanhedron); 판형(plate); 원통형(cylinder), 별형(starlike); 또는 꽃형(flowerlike)일 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다.The shape of the shape-controlled nanoparticles may be a sphere; A tetrahedron, a cube, an octahedron or a dodecanhedron; A plate; Cylinder, starlike; Or flowerlike, but are not necessarily limited thereto.
요크-쉘 나노 복합체에 포함되는 나노 입자의 형상은 구조 민감성 반응에 중요한 인자가 될 수 있다. 예를 들어 요크-쉘 나노 복합체가 과산화수소(H202) 직접 합성반응의 촉매로서 사용되는 경우 요크-쉘 나노 복합체에 포함되는 나노 입자의 형상은 팔면체인 것이 가장 유리할 수 있다. 즉 팔면체 구조는 Pd {111}면으로 둘러싸여 있으며, 과산화수소 합성에서는 Pd{111}면이 Pd{100}면에 비해서 과산화수소의 선택도 및 수율이 높다.The shape of the nanoparticles contained in the yoke-shell nanocomposite can be an important factor in the structure sensitive reaction. For example, when the yoke-shell nanocomposite is used as a catalyst for direct synthesis of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), it is most advantageous that the morphology of the nanoparticles contained in the yoke-shell nanocomposite is octahedral. That is, the octahedral structure is surrounded by the Pd {111} plane, and the hydrogen peroxide selectivity and yield of Pd {111} plane are higher than those of Pd {100} plane in hydrogen peroxide synthesis.
상기 형상 제어된 나노 입자의 크기는 1 nm ~ 30 nm 인 것이 바람직하며, 적용하려는 반응에 따라 달라질 수 있다. 30nm를 초과하는 경우는 나노 입자의 표면적이 감소하여, 촉매로 작용할 수 있는 활성점이 감소할 수 있다.The size of the shape-controlled nanoparticles is preferably 1 nm to 30 nm, and may vary depending on the reaction to be applied. When it exceeds 30 nm, the surface area of the nanoparticles decreases, and the active sites that can act as catalysts can be reduced.
상기 나노 입자의 함량은 요크-쉘 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1 ~ 20 중량%인 것이 바람직하며, 적용하려는 반응에 따라 달라질 수 있다. 20 중량%를 초과할 경우 나노 입자의 크기가 너무 커서 중심 금속으로 효율적이지 못하다.The content of the nanoparticles is preferably 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the yoke-shell nanocomposite and may vary depending on the reaction to be applied. When it exceeds 20% by weight, the size of the nanoparticles is too large to be effective as a center metal.
상기 제2 단계는 상기 형상 제어된 나노 입자를 용매에 재분산시킨 후 실리카 전구체를 첨가하는 단계일 수 있다. 이때 분산용매는 물 및 에탄올 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The second step may include redispersing the shape-controlled nanoparticles in a solvent and then adding a silica precursor. The dispersion solvent may include at least one selected from water and ethanol.
상기 실리카 전구체로 테트라메틸 오르소실리케이트(TMOS), 테트라에틸 오르소실리케이트(TEOS), 테트라프로필 오르소실리케이트(TPOS) 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다.As the silica precursor, tetramethylorthosilicate (TMOS), tetraethylorthosilicate (TEOS), tetrapropylorthosilicate (TPOS) or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 제3 단계는 제2 단계 후 금속 산화물 용액을 첨가하여 상기 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체에 금속 산화물을 코팅하는 단계일 수 있다.The third step may include a step of adding a metal oxide solution after the second step and coating the metal oxide on the nanoparticle yoke-silica shell structure.
상기 금속 산화물은 알루미늄(Al) 산화물, 타이타늄(Ti) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 세륨(Ce) 산화물, 또는 이들 중 2종 이상이 혼합된 복합산화물일 수 있다.The metal oxide may be an aluminum (Al) oxide, a titanium (Ti) oxide, a zirconium (Zr) oxide, a cerium (Ce) oxide, or a composite oxide in which two or more thereof are mixed.
상기 제4 단계는 제3 단계에서 얻은 금속 산화물 코팅된 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 상온에서 30분~3시간 동안 염기성 용액으로 처리함으로써 실리카를 선택적으로 제거하는 단계일 수 있다. 상기 염기성 용액으로 수산화 나트륨(Sodium hydroxide) 또는 수산화 칼륨(Potassium hydroxide)을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다. The fourth step may be a step of selectively removing silica by treating the metal oxide coated nanoparticle yoke-silica shell structure obtained in the third step with a basic solution at room temperature for 30 minutes to 3 hours. Sodium hydroxide or potassium hydroxide may be used as the basic solution, but the present invention is not limited thereto.
상기 제4 단계 후 나노 입자 요크-금속 산화물 쉘 구조체가 얻어지는데, 이 때 나노 입자 요크의 형상은 제1 단계의 나노 입자의 형상과 동일하게 유지된다.After the fourth step, a nanoparticle yoke-metal oxide shell structure is obtained. At this time, the shape of the nanoparticle yoke is maintained to be the same as that of the nanoparticles of the first step.
본 발명의 다른 측면은 형상 제어된 나노 입자 요크와, 상기 나노 입자 요크를 감싸는 금속산화물 쉘을 포함하되, 상기 나노 입자 요크와 금속산화물 쉘 사이에는 빈 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a shape control method comprising: a shape-controlled nanoparticle yoke; and a metal oxide shell surrounding the nanoparticle yoke, wherein a void is formed between the nanoparticle yoke and the metal oxide shell. Shell nanocomposite catalyst comprising the metal nanoparticles.
상기 나노 입자는 팔라듐(Pd), 플래티늄(Pt), 금(Au), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금의 금속 나노 입자일 수 있다.The nanoparticles may be selected from the group consisting of Pd, Pt, Au, Ag, Rh, Ru, Ni, Co, Cu, Metal nanoparticles of one or more kinds of alloys selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W) and tin (Sn).
상기 형상 제어된 나노 입자 요크의 형상은 구형(sphere); 사면체(tetrahedron), 육면체(cube), 팔면체(octahedron) 또는 십이면체(dodecanhedron); 판형(plate); 원통형(cylinder), 별형(starlike); 또는 꽃형(flowerlike)일 수 있다.The shape of the shape controlled nanoparticle yoke may be a sphere; A tetrahedron, a cube, an octahedron or a dodecanhedron; A plate; Cylinder, starlike; Or flowerlike.
상기 형상 제어된 나노 입자 요크의 크기는 1 nm ~ 30 nm 인 것이 바람직하다.The size of the shape-controlled nanoparticle yoke is preferably 1 nm to 30 nm.
상기 나노 입자의 함량은 요크-쉘 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1 ~ 20 중량%인 것이 바람직하다.The content of the nanoparticles is preferably 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the yoke-shell nanocomposite.
상기 금속 산화물 쉘은 알루미늄(Al) 산화물, 타이타늄(Ti) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 세륨(Ce) 산화물, 또는 2종 이상이 혼합된 복합산화물을 포함할 수 있다.The metal oxide shell may include an aluminum (Al) oxide, a titanium (Ti) oxide, a zirconium (Zr) oxide, a cerium (Ce) oxide, or a composite oxide in which two or more kinds thereof are mixed.
상기 빈 공간은 코어 나노 입자와 금속산화물 쉘 사이에 형성된 1 nm 이상 300 nm 미만의 간격인 것이 바람직하다. 300nm 이상일 경우 빈 공간이 커짐에 따라서 입자에 비해 쉘이 커지게 되므로, 단위 부피당 중심금속의 밀도가 낮아지며, 금속 함량이 낮아지는 단점이 있다. 금속 함량이 낮을 경우 전체적인 반응기의 부피가 증가할 가능성이 있으므로 바람직하지 않다.It is preferable that the empty space is an interval of less than 1 nm and less than 300 nm formed between the core nanoparticles and the metal oxide shell. When the thickness is more than 300 nm, the shell is larger than the particles as the void increases, so that the density of the central metal per unit volume is lowered and the metal content is lowered. If the metal content is low, the overall reactor volume may increase, which is undesirable.
본 발명에 따라 제조한 요크-쉘 나노 복합체 촉매는 HPPO 합성공정(hydrogen peroxide to propylene oxide)에 적용시 과산화수소의 다이렉트 합성이 사용 지점에서 이루어질 수 있고, 전체 프로필렌 옥사이드의 제조비용이 절감될 수 있기 때문에 유리하다. 또한, 산소 환원 반응(ORR, 연료전지 분야), 포름산 산화반응, 일산화탄소 산화반응, 벤젠 수소화 반응 등의 구조 민감성 반응에 적용가능하다.The yoke-shell nanocomposite catalyst prepared according to the present invention can be produced at a point of use by direct synthesis of hydrogen peroxide when applied to a hydrogen peroxide to propylene oxide process, and the manufacturing cost of the entire propylene oxide can be reduced It is advantageous. It is also applicable to structural sensitive reactions such as oxygen reduction reaction (ORR, fuel cell field), formic acid oxidation reaction, carbon monoxide oxidation reaction, benzene hydrogenation reaction and the like.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the embodiments of the present invention described below are illustrative only and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated in the claims, and moreover, includes all changes within the meaning and range of equivalency of the claims.
<실시예 1>: 형상 제어된 팔라듐 요크-지르코니아 쉘(cubic Pd@Void@ZrO2) 나노 복합체의 제조Example 1: Preparation of shape controlled palladium yoke-zirconia shell (cubic Pd @ Void @ ZrO 2 ) nanocomposite
<제1 단계><First Step>
아스코브산(Ascorbic acid), PVP(poly vinylprolidone), 브롬화칼륨(KBr)을 3차 초순수물에 녹인 후 10℃~100℃에서 5분간 마그네틱 막대를 이용해서 교반하였다. 그 다음 디소듐 테트라클로로팔라데이트(Disodium tetrachloropalladate, Na2PdCl4) 용액을 넣고 80℃ 온도에서 3시간 동안 마그네틱 막대로 교반하여 반응을 진행시켰다. 반응 후 아세톤을 넣고 원심분리기를 통해 생성된 나노 입자를 회수한 후 3차 초순수물을 이용하여 수 차례 세척과정을 진행하여 팔라듐 큐브 나노 입자를 제조하였다.Ascorbic acid, polyvinylprolidone (PVP) and potassium bromide (KBr) were dissolved in tertiary ultrapure water and stirred at 10 ° C to 100 ° C for 5 minutes using a magnetic rod. Then, a solution of disodium tetrachloropalladate (Na 2 PdCl 4 ) was added thereto, and the mixture was stirred at 80 ° C. for 3 hours with a magnetic rod to proceed the reaction. After the reaction, acetone was added, and the nanoparticles produced through the centrifugal separator were recovered and washed several times with tertiary ultrapure water to prepare palladium cube nanoparticles.
<제2 단계><Second Step>
제1 단계에서 제조된 형상 제어된 팔라듐 큐브 나노 입자를 에탄올에 재분산 시킨 후 물과 암모니아수를 첨가하였다. 3시간 동안 교반 후 실리카 전구체를 첨가하고 24시간 교반 후 원심분리기를 통해 생성된 팔라듐 요크-실리카 쉘(cubic Pd@SiO2) 나노구조체를 회수하였다. 회수한 나노구조체를 에탄올을 이용하여 수 차례 세척과정을 진행하였다. The shape-controlled palladium cubic nanoparticles prepared in the first step were redispersed in ethanol and water and ammonia water were added. After stirring for 3 hours, a silica precursor was added, and after stirring for 24 hours, a palladium yoke-silica shell (cubic Pd @ SiO 2 ) nanostructure produced through a centrifugal separator was recovered. The recovered nanostructures were washed several times with ethanol.
<제3 단계><Step 3>
제2 단계에서 제조된 형상 제어된 팔라듐 요크-실리카 쉘 나노구조체를 에탄올에 재분산시켜 분산용액을 준비하였다. 루텐솔 AO5 (Lutensol AO5) 용액을 준비된 용액과 혼합한 후 1시간동안 마그네틱 막대로 교반하였다. 그 후 지르코늄 부톡사이드(Zirconium butoxide) 용액을 넣고 상온에서 하룻밤 동안 반응을 진행시킨 후 원심분리기를 이용해 합성된 지르코니아 코팅된 코어-쉘 나노복합체 (cubic Pd@SiO2@ZrO2)를 회수하였다. 회수된 물질을 3차 증류수로 세척하였다.The shape-controlled palladium yoke-silica shell nanostructure prepared in the second step was re-dispersed in ethanol to prepare a dispersion solution. The solution of rutensol AO5 (Lutensol AO5) was mixed with the prepared solution and stirred with a magnetic rod for 1 hour. After that, zirconium butoxide solution was added and the reaction was allowed to proceed at room temperature overnight. Then, a zirconia-coated core-shell nanocomposite (cubic Pd @ SiO 2 @ZrO 2 ) synthesized by centrifugal separation was recovered. The recovered material was washed with tertiary distilled water.
<제4 단계><Step 4>
제3 단계에서 제조한 나노 복합체(cubic Pd@SiO2@ZrO2)를 수산화 칼륨(Potassium hydroxide)으로 상온에서 30분 ~ 3시간 동안 처리하여 실리카만 선택적으로 녹여낸 다음, 3차 증류수를 이용해 수차례 세척한 후 건조시켜 형상 제어된 팔라듐 요크-지르코니아 쉘(cubic Pd@Void@ZrO2) 나노 복합체를 제조하였다.The nanocomposite (cubic Pd @ SiO 2 @ZrO 2 ) prepared in the third step was treated with potassium hydroxide for 30 minutes to 3 hours at room temperature to selectively dissolve only silica, Washed and dried to prepare a cubic Pd @ Void @ ZrO 2 nanocomposite having controlled shape.
<실시예 2>: 형상 제어된 팔라듐 요크-티타니아 쉘 나노 복합체(cubic Pd@Void@TiO2)의 제조Example 2: Preparation of shape controlled palladium yoke-titania shell nanocomposite (cubic Pd @ Void @ TiO 2 )
지르코늄 부톡사이드 대신 티타늄부톡사이드(Titanium butoxide)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 팔라듐 요크?티타니아 쉘(cubic Pd@Void@TiO2) 나노 복합체를 제조하였다.A cubic Pd @ Void @ TiO 2 nanocomposite was prepared in the same manner as in Example 1 except that titanium butoxide was used instead of zirconium butoxide.
<실험예 1>: TEM 분석Experimental Example 1: TEM analysis
투과 전자현미경(TEM)을 통해 실시예를 통해 제조된 팔라듐 나노입자 및 나노 복합체의 크기 및 형상 등을 확인하였다. The size and shape of the palladium nanoparticles and nanocomposite prepared through the examples were confirmed through a transmission electron microscope (TEM).
도 2에서는 실시예 1의 제1 단계에서 제조된 큐브 형태의 팔라듐 나노 입자를 확인할 수 있다. 도 3에서는 실시예 1의 제2 단계에서 제조된 코어-쉘 나노복합체를 확인할 수 있으며, 도 4 및 5에서는 실시예 1의 제3 단계 및 제4 단계에서 제조된 팔라듐 요크-지르코니아 쉘 나노복합체를 확인할 수 있다. 도6에서는 실시예 2에 따라 제조된 팔라듐 요크-티타니아 쉘 나노복합체를 확인할 수 있다. In FIG. 2, the cube-shaped palladium nanoparticles prepared in the first step of Example 1 can be identified. In FIG. 3, the core-shell nanocomposite prepared in the second step of Example 1 can be identified. In FIGS. 4 and 5, the palladium yoke-zirconia shell nanocomposite prepared in the third and fourth steps of Example 1 Can be confirmed. In FIG. 6, the palladium yoke-titania shell nanocomposite prepared according to Example 2 can be identified.
구체적으로 설명하면, 도 2에선 9nm의 균일한 크기를 갖는 큐브 형태의 팔라듐 나노 입자가 생성됨을 확인할 수 있고, 또한 면간 거리 (0.195 nm)와 FFT 패턴을 통해 큐브가 fcc 팔라듐 {100} 면으로 둘러 쌓여 있음을 확인할 수 있다.Specifically, FIG. 2 shows that a cube-shaped palladium nanoparticle having a uniform size of 9 nm is produced, and that the cube is surrounded by {100} faces of fcc through an interplanar distance (0.195 nm) It can be confirmed that it is piled up.
도 3과 도4를 통해서는 생성된 큐브 형태의 팔라듐 나노 입자가 실리카 및 실리카-지르코니아 쉘 중심에 크기 및 형상의 변화 없이 안정적으로 놓여 있음을 확인할 수 있으며, 도5에선 실리카의 선택적 제거 후, 큐브 형태의 팔라듐 나노 입자가 지르코니아 쉘 공동에 존재하는 요크-쉘 구조를 확인할 수 있다.3 and 4, it can be seen that the generated cube-shaped palladium nanoparticles are stably placed in the center of the silica and silica-zirconia shell without changing the size and shape. In FIG. 5, after selective removal of silica, Shell structure in which palladium nanoparticles in the form of zirconia shell are present in the cavities of the zirconia shell.
도6에선 팔라듐 나노 입자가 티타니아 쉘의 공동 안에 존재하는 요크-쉘 구조를 확인할 수 있다.6 shows the structure of the yoke-shell in which the palladium nanoparticles are present in the cavities of the titania shell.
<실험예 2>: 질소 흡탈착 분석Experimental Example 2: Nitrogen adsorption / desorption analysis
질소 흡탈착 분석을 통하여 실시예 1의 제2 단계 및 제4 단계에서 제조된 나노복합체를 관찰하여 그 결과를 도7에 나타냈다.The nanocomposites prepared in the second and fourth steps of Example 1 were observed through nitrogen adsorption / desorption analysis, and the results are shown in FIG.
도 7을 참조하면, 제4 단계에서 제조된 요크?쉘 나노복합체(cubic Pd@Void@ZrO2)는 제2 단계에서 제조된 코어-쉘 나노복합체(cubic Pd@SiO2)와 비교해서 질소 흡탈착 양이 증가했고 높은 비표면적과 기공 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 다공성(mesoporous)의 요크-쉘 구조가 형성되었음을 확인할 수 있으며, 촉매 반응 적용시 요크-쉘 나노복합체에 보다 향상된 물질전달 능력을 기대할 수 있음을 확인하였다.Referring to FIG. 7, the cubic Pd @ Void @ ZrO 2 produced in the fourth step has a nitrogen adsorption ratio as compared with the core-shell nanocomposite (cubic Pd @ SiO 2 ) prepared in the second step. The amount of desorption increases, and it can be confirmed that it has a high specific surface area and pore size. From this, it can be confirmed that a mesoporous yoke-shell structure is formed, and it is confirmed that a more improved mass transferring ability to the yoke-shell nanocomposite can be expected in the catalytic reaction application.
<실험예 3>: XPS 분석≪ Experimental Example 3 >: XPS analysis
XPS를 통하여 실시예 1에서 제조한 팔라듐 요크-지르코니아 쉘 나노 복합체를 관찰하여 그 결과를 도 8에 나타냈다. 도 8를 통해 실시예1의 촉매합성 시 사용되었던 PVP의 제거 정도를 확인할 수 있다. 입자 생성시 넣어준 PVP는 나노 입자의 표면에 존재시 입자의 고유 특성을 간섭할 수 있는데, 도8에서 PVP의 구성원소인 N의 Binding energy (399.6 eV) 피크가 나타나지 않았으므로 PVP가 제거되었음을 확인할 수 있다.The palladium yoke-zirconia shell nanocomposite prepared in Example 1 was observed through XPS and the results are shown in FIG. 8, the degree of removal of PVP used in the catalyst synthesis of Example 1 can be confirmed. PVP in the particle formation can interfere with the intrinsic properties of the particles when present on the surface of the nanoparticles. In FIG. 8, it can be seen that PVP is removed because the binding energy (399.6 eV) peak of N, the constituent of PVP, have.
<실험예 4>: 촉매 활성 평가<Experimental Example 4> Evaluation of catalytic activity
실시예1의 팔라듐 요크-지르코니아 쉘 나노 복합체를 산소와 수소로부터 과산화수소를 합성하는 반응에 적용한 후 촉매 활성 평가를 실시하여 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.The palladium yoke-zirconia shell nanocomposite of Example 1 was applied to a reaction for synthesizing hydrogen peroxide from oxygen and hydrogen, and the catalytic activity was evaluated. The results are shown in Table 1 below.
(mmolㆍgPd -1ㆍh-1)H 2 O 2 Productivity
(mmol ㆍ g Pd -1 h -1 )
*반응 매질: 탈이온수 혼합물(20% ethanol, 0.03 M H3PO4) 150mL- reaction medium: deionized water mixture (20% ethanol, 0.03 MH 3 PO 4) 150mL
*온도:20°C; 압력: 1 atm; 시간: 2 h; 총 유속(total flow rate): 50 mL/min; H2/O2/N2비: 2/10/38 * Temperature: 20 ° C; Pressure: 1 atm; Time: 2 h; Total flow rate: 50 mL / min; H 2 / O 2 / N 2 ratio: 2/10/38
*촉매량: 0.2 g* Catalyst amount: 0.2 g
상기 표 1에서 보는 바와 같이 실시예 1의 복합체를 산소와 수소로부터 과산화수소 합성 반응에 적용한 결과 촉매 활성을 나타냄을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, when the complex of Example 1 was applied to hydrogen peroxide synthesis reaction from oxygen and hydrogen, it can be confirmed that the catalyst activity is exhibited.
<실험예 5>: ICP 분석Experimental Example 5: ICP analysis
실시예 1에서 제조된 형상 제어된 팔라듐 요크?지르코니아 쉘(cubic Pd@Void@ZrO2) 나노 복합체를 촉매 반응에 적용한 후, 촉매 반응 적용 전 후의 팔라듐 함량을 ICP 분석을 통해 확인하여 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.The cubic Pd @ Void @ ZrO 2 nanocomposite prepared in Example 1 was subjected to the catalytic reaction, and the palladium content before and after the catalytic reaction was confirmed by ICP analysis. Table 2 shows the results.
상기 표 2에서 보는 바와 같이 실시예 1의 팔라듐 요크?지르코니아 쉘(cubic Pd@Void@ZrO2) 나노 복합체는 반응 전과 후의 팔라듐 함량에 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법은 형상 제어된 나노 입자를 안정적으로 고정화시킬 수 있음을 확인하였다.As shown in Table 2, it was confirmed that the palladium yttrium-zirconia shell (cubic Pd @ Void @ ZrO 2 ) nanocomposite of Example 1 had no change in the palladium content before and after the reaction. Thus, it has been confirmed that the method of manufacturing the yoke-shell nanocomposite including the shape-controlled metal nanoparticles of the present invention can stably fix the shape-controlled nanoparticles.
Claims (12)
상기 나노 입자에 실리카를 코팅하여 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 얻는 제2 단계;
상기 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체에 금속 산화물을 코팅하여 금속 산화물 코팅된 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 얻는 제3 단계; 및
상기 금속 산화물 코팅된 나노 입자 요크-실리카 쉘 구조체를 염기 처리함으로써 실리카를 제거한 후, 세척 및 건조시켜 나노 입자 요크-금속 산화물 쉘 구조체를 얻는 제4 단계를 포함하고,
상기 세척에 의해 상기 나노 입자 요크-금속 산화물 쉘 구조체에 기공이 형성되며,
상기 제4 단계 후의 나노 입자 요크 형상은 상기 제1 단계의 나노 입자 형상과 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.A first step of preparing shape-controlled nanoparticles;
A second step of coating the nanoparticles with silica to obtain a nanoparticle yoke-silica shell structure;
A third step of coating a metal oxide on the nanoparticle yoke-silica shell structure to obtain a metal oxide coated nanoparticle yoke-silica shell structure; And
And a fourth step of removing the silica by treating the metal oxide coated nanoparticle yoke-silica shell structure with a base, followed by washing and drying to obtain a nanoparticle yoke-metal oxide shell structure,
The pores are formed in the nanoparticle yoke-metal oxide shell structure by the washing,
Wherein the shape of the nanoparticle yoke after the fourth step is the same as the shape of the nanoparticle of the first step.
상기 나노 입자는 팔라듐(Pd), 플래티늄(Pt), 금(Au), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합금의 금속 나노 입자인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
The nanoparticles may be selected from the group consisting of Pd, Pt, Au, Ag, Rh, Ru, Ni, Co, Cu, Shell nanocomposite comprising shape-controlled metal nanoparticles, characterized in that the metal nanoparticles are metal nanoparticles of one or more alloys selected from the group consisting of molybdenum (Mo), tungsten (W) and tin (Sn) ≪ / RTI >
상기 형상 제어된 나노 입자의 형상은 구형(sphere); 사면체(tetrahedron), 육면체(cube), 팔면체(octahedron) 또는 십이면체(dodecanhedron); 판형(plate); 원통형(cylinder), 별형(starlike); 또는 꽃형(flowerlike)인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
The shape of the shape-controlled nanoparticles may be a sphere; A tetrahedron, a cube, an octahedron or a dodecanhedron; A plate; Cylinder, starlike; Characterized in that the metal nanoparticles are shape-controlled or flower-like.
상기 형상 제어된 나노 입자의 크기는 1 nm ~ 30 nm 인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the shape-controlled nanoparticles have a size of 1 nm to 30 nm. 2. The method of claim 1, wherein the shape-controlled nanoparticles have a size of 1 nm to 30 nm.
상기 나노 입자의 함량은 요크-쉘 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1 ~ 20 중량%인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the content of the nanoparticles is 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the yoke-shell nanocomposite.
상기 금속 산화물은 알루미늄(Al) 산화물, 타이타늄(Ti) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 세륨(Ce) 산화물, 또는 이들 중 2종 이상이 혼합된 복합산화물인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
Characterized in that the metal oxide is a composite oxide of aluminum (Al) oxide, titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, cerium (Ce) oxide, Shell nanocomposite comprising the particles.
상기 염기 처리는 상온에서 30분~3시간 동안 수산화 칼륨 처리하는 단계인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the base treatment is a step of treating potassium hydroxide at room temperature for 30 minutes to 3 hours, and the shape-controlled metal nanoparticles.
형상 제어된 나노 입자 요크와, 상기 나노 입자 요크를 감싸는 금속산화물 쉘을 포함하되, 상기 나노 입자 요크와 금속산화물 쉘 사이에는 빈 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매.As manufactured by the manufacturing method of claim 1,
Controlled nanoparticle yoke, and a metal oxide shell surrounding the nanoparticle yoke, wherein a void space is formed between the nanoparticle yoke and the metal oxide shell. A yoke-shell nanocomposite catalyst.
상기 형상 제어된 나노 입자 요크의 형상은 구형(sphere); 사면체(tetrahedron), 육면체(cube), 팔면체(octahedron) 또는 십이면체(dodecanhedron); 판형(plate); 원통형(cylinder), 별형(starlike); 또는 꽃형(flowerlike)인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매.The method of claim 8,
The shape of the shape controlled nanoparticle yoke may be a sphere; A tetrahedron, a cube, an octahedron or a dodecanhedron; A plate; Cylinder, starlike; Characterized in that the shape-controlled metal nanoparticles are water-soluble or flower-like.
상기 형상 제어된 나노 입자 요크의 크기는 1 nm ~ 30 nm 인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매.The method of claim 8,
Wherein the shape controlled nanoparticle yoke has a size of 1 nm to 30 nm.
상기 나노 입자의 함량은 요크-쉘 나노 복합체 총 중량에 대하여 0.1 ~ 20 중량%인 것을 특징으로 하는, 형상 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매.The method of claim 8,
Wherein the content of the nanoparticles is 0.1 to 20% by weight based on the total weight of the yoke-shell nanocomposite. The yoke-shell nanocomposite catalyst comprising the shape-controlled metal nanoparticles.
상기 빈 공간은 코어 나노 입자와 금속산화물 쉘 사이에 형성된 1 nm 이상 300 nm 미만의 간격인 것을 특징으로 하는, 형성 제어된 금속 나노 입자를 포함하는 요크-쉘 나노 복합체 촉매.The method of claim 8,
Shell nanocomposite catalyst comprising the formation-controlled metal nanoparticles, wherein the voids are spaced from the core nanoparticles to the metal oxide shell by less than 1 nm and less than 300 nm.
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Pablo M.Arnal et al. Angewwandte Chemie, vol.118, 2006, pp.8404-8407.* |
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