KR101581331B1 - Method for manufacturing metal or metal oxide having micro-nano sizes using ultra-wave and metal or metal oxide thereby - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파를 이용한 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법 및 그에 의해 제조된 금속 또는 금속 산화물에 관한 것으로, 계면활성제 없이 간단한 초음파 조사를 통하여 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조함으로써 종래에 계면활성제를 사용하여 나노입자를 제조할 때와 비교할 때, 수율이 낮아지는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 700 내지 900nm 및 2 내지 4 ㎛ 의 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물이 한꺼번에 제조되고, 상기 크기를 가짐으로서 2 ~ 3 nm 크기의 나노입자들이 막이나 탄소 담지체에 깊숙이 스며드는 문제를 방지할 수 있으며, 작은 입자들끼리 뭉치는 현상을 감소시켜 내구성을 향상시킨다.
나아가, 초음파를 이용하여 상온에서 빠른 시간에 백금 나노입자들을 팔각형 형상으로 제조하며, 이는 실질적으로는 2-3nm 크기의 입자들로 이루어진 촉매와 유사한 표면적의 증대 효과가 있다.The present invention relates to a method for producing a metal or a metal oxide having a micro-nano size using ultrasonic waves and a metal or a metal oxide produced thereby, and a method for producing a metal or a metal oxide having micro- It is possible to prevent the yield from lowering as compared with the case where nanoparticles are conventionally produced using a surfactant.
In addition, in the present invention, a metal or metal oxide having a micro-nano size of 700 to 900 nm and 2 to 4 탆 is produced at a time, and the nanoparticles having a size of 2 to 3 nm are deeply embedded in a film or a carbon carrier It is possible to prevent the problem of penetration and to reduce the phenomenon of bundling of small particles to improve the durability.
Further, the platinum nanoparticles are formed into an octagonal shape at a high temperature at room temperature using ultrasonic waves, which substantially increases the surface area similar to that of a catalyst composed of particles of 2-3 nm in size.
Description
본 발명은 초음파를 이용한 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법 및 그에 의해 제조된 금속 또는 금속 산화물에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a metal or metal oxide having micro-nano size using ultrasonic waves, and a metal or metal oxide produced thereby.
일반적으로 나노입자를 제조하는 방법은 크게 고상법, 기상법 및 액상법으로 나눌 수 있다.Generally, nanoparticles can be divided into a solid state method, a vapor phase method and a liquid phase method.
고상법으로는 100 nm 이하의 직경을 가지는 나노입자를 제조하는데 한계점이 있다. 따라서 입자의 직경이 작은 기능성 나노입자를 제조하기 위해서는 기상법과 액상법이 유용하게 이용된다.The solid phase method has a limitation in manufacturing nanoparticles having a diameter of 100 nm or less. Therefore, the vapor phase method and the liquid phase method are useful for producing functional nanoparticles having small particle diameters.
기상법은 크게 고온증기의 냉각에 의한 물리적 기상 증착법(PVD)과 화학적 기상 증착법(CVD)으로 구분되고 대표적인 제조방법에는 가스증발-응축법(Gas Evaporation Method)과 기상합성법(Mixed Gas Method) 등이 있다. 기상법을 사용하여 나노입자를 제조할 경우 불순물이 적고 고순도이면서 작은 입자 크기로 나노입자를 제조할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 휴대전화 등에 쓰이는 세라믹스 콘덴서 전극 재료용 니켈 나노 입자는 화학적 기상 증착법으로 제조된 고순도의 것이 사용되고 있다. 그러나 다성분계의 재료를 써서 나노입자를 제조하는 경우 원료의 선택이 대단히 어렵기 때문에 조성이 제어된 나노입자의 제조가 쉽지 않다는 단점을 가진다. The vaporization process is largely divided into physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) by cooling of high-temperature steam. Typical manufacturing methods include gas evaporation method and mixed gas method . When the nanoparticles are produced using the vapor phase method, there is an advantage that nanoparticles can be produced with a small particle size and a high purity with few impurities. Particularly, nickel nanoparticles for ceramics capacitor electrode materials used in cellular phones and the like are of high purity manufactured by a chemical vapor deposition method. However, it is disadvantageous in that it is not easy to produce nanoparticles having controlled composition because it is very difficult to select a raw material when manufacturing nanoparticles using a multi-component material.
한편, 용액 중에서 나노입자를 제조하는 액상법에서는 다성분계 재료를 용액 중에서 제조할 수 있기 때문에, 분자수준의 원료 혼합이 가능하다는 장점이 있다. 액상법은 플라즈마나 기체증발법을 이용하는 기상법과 달리 고가의 장비가 요구되지 않고, 비교적 장치가 단순하며, 한 단계로 응집이 없는 고결정성 나노입자의 제조가 가능하여 용이하게 사용되고 있다.On the other hand, the liquid phase method for producing nanoparticles in a solution has an advantage that it is possible to mix a raw material at a molecular level because a multicomponent material can be produced in a solution. Unlike the vapor phase method using plasma or gas evaporation method, the liquid phase method does not require expensive equipments, is relatively simple, and is capable of producing highly crystalline nanoparticles free from aggregation in one step, and is easily used.
액상법의 대표적인 제조방법으로는 공침법, 알콕시드(졸-겔)법, 역미셀법, 분무열분해법(액적-입자전환 프로세서) 등이 있다.Representative examples of the liquid phase method include a coprecipitation method, an alkoxide (sol-gel) method, a reverse micelle method, and a spray pyrolysis method (droplet-particle conversion processor).
액상법에 의한 나노입자의 제조방법은 지금까지 수계에서 금속 화합물을 해리 시킨 후 계면활성제를 사용하여 하이드로겔 형태의 금속 나노 입자를 제조하는 방법이 있었다. 하지만 상기의 방법은 금속 화합물 용액의 농도에 제한을 받아 수율이 매우 낮아지는 단점이 있다. 구체적으로, 금속 화합물의 농도가 0.05 M 이하에서 균일한 입자 크기를 가지는 금속 나노 입자를 제조할 수 있다. 또한, 금속 카르보닐의 역미셀, 초음파 화학분해(sonochemical decomposition)에 의한 코발트( C. Petit et al., J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 1805 참고), 철( J. P. Wilcoson et al., J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 9809 참고) 및 니켈( D. H. Chen, 2002, J. Mater. Chem. 12, 2412 참고)의 합성법들이 보고되었지만 상기의 방법들은 모두 다분자 입자를 생성시키며, 대용량 고농도에서는 재현성이 떨어지는 이유로 대량 합성에는 적합하지 않다.In the method for producing nanoparticles by the liquid phase method, there has been a method of dissolving a metal compound in a water system and preparing a hydrogel type metal nanoparticle using a surfactant. However, the above method has a disadvantage in that the yield is very low due to the limitation of the concentration of the metal compound solution. Specifically, metal nanoparticles having a uniform particle size at a concentration of the metal compound of 0.05 M or less can be produced. Also, cobalt (cf. Petit et al., J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 1805), iron (JP Wilcoson et al. (See DH Chen, 2002, J. Mater. Chem., 12, 2412) have been reported, but all of these methods have been reported to produce multimolecular particles , And it is not suitable for mass synthesis because of low reproducibility at a high concentration of a large amount.
또한, 고온에서 금속 전구체의 반응으로부터 전이금속 나노입자를 제조하는 방법의 경우 원하는 특성을 조절하기 위하여 입자의 크기 분별 작업이 필수적이므로 대량 생산에는 적합하지 않다(Murray et al., US patent 6,262,129 참고).In addition, in the case of a method for producing transition metal nanoparticles from a reaction of a metal precursor at a high temperature, it is not suitable for mass production because particle sizing work is necessary to control desired characteristics (Murray et al., US Patent 6,262,129) .
또한, 계면활성제와 함께 CO2(CO)8과 Fe(CO)5 등을 사용하여 용매 내에서 열분해를 이용한 직접적인 산화과정을 거쳐 금속 나노입자를 제조하는 방법들이 보고된 바 있다( V. F. Puntes et al., Science 2001, 291, 2115, T. Hyoen et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 12798 참고). 그러나 상기의 원료는 매우 비싸고 유독하여 대량으로 합성하는데 적합하지 않다.
In addition, methods for producing metal nanoparticles through direct oxidation using pyrolysis in a solvent using CO 2 (CO) 8 and Fe (CO) 5 together with a surfactant have been reported (VF Puntes et al , Science 2001, 291, 2115, T. Hyoen et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 12798). However, these raw materials are very expensive and poisonous and are not suitable for mass synthesis.
현재 100 nm 이하의 초미세 금속 나노입자의 합성과 기초연구에 대한 수행은 국내 및 국외에서 활발하게 진행되고 있지만 100 nm 이상 1000 nm 이하의 나노입자에 대한 연구는 한정되어 있다.
At present, the synthesis of ultrafine metal nanoparticles of 100 nm or less and the carrying out of the basic studies are actively carried out in domestic and overseas, but the research on nanoparticles of 100 nm or more and 1000 nm or less is limited.
종래의 기술로서 [대한민국 공개특허 10-2005-0079151]에서는 초음파분무 연소법을 이용한 나노결정 금속산화물 분말의 대량 제조방법을 제공한다. 구체적으로, (1) 금속염 용액과 연료를 혼합하는 단계(제 1단계), (2) 상기 제 1단계에서 혼합된 용액을 캐리어 가스(carrier gas)와 함께 초음파 분무하는 단계(제 2단계), (3) 분무된 용액을 고온의 반응구역에서 일정시간 반응시키는 단계(제 3단계), (4) 반응구역에서 반응된 결과 생성된 분말을 수거하는 단계(제 4단계)를 포함한다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2005-0079151 discloses a method for mass-production of nanocrystalline metal oxide powder using an ultrasonic spray combustion method. Specifically, (1) a step of mixing a metal salt solution and a fuel (a first step), (2) a step of ultrasonically spraying a solution mixed in the first step together with a carrier gas (second step) (3) reacting the sprayed solution in a high-temperature reaction zone for a predetermined time (third step), and (4) collecting the resultant powder in the reaction zone (fourth step).
상기의 방법으로 나노결정 금속산화물을 제조할 경우, 나노결정 금속산화물을 대량으로 제조할 수 있다는 장점이 있으나, 입자의 크기가 20 ~ 30 nm인 나노결정 금속산화물이 제조됨으로써, 본 발명에서 제조하려는 100 nm 이상 1000 nm 이하의 입자는 제조되지 않는 차이점이 있다.When the nanocrystalline metal oxide is produced by the above-described method, nanocrystalline metal oxide can be produced in a large amount. However, since nanocrystalline metal oxide having a particle size of 20 to 30 nm is produced, There is a difference in that particles of 100 nm or more and 1000 nm or less are not produced.
또한 [대한민국 공개특허 10-2006-0043925]에서는 자성 또는 금속산화물 나노입자의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, (1) 자성 또는 금속 선구물질을 계면활성제 또는 계면활성제를 포함하는 용매에 첨가하여 혼합 용액을 제조하는 단계, (2) 상기 혼합 용액을 50 ~ 600 ℃로 가열하여 상기 선구물질을 열분해시켜 자성 또는 금속산화물 나노입자가 형성되도록 하는 단계 및 (3) 상기 나노입자를 분리하는 단계를 포함한다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2006-0043925 also provides a method for producing magnetic or metal oxide nanoparticles. Specifically, the method comprises: (1) adding a magnetic or metal precursor to a solvent containing a surfactant or a surfactant to prepare a mixed solution; (2) heating the mixed solution to 50 to 600 ° C to pyrolyze Thereby forming magnetic or metal oxide nanoparticles; and (3) separating the nanoparticles.
상기의 방법으로 자성 또는 금속산화물 나노입자를 제조할 경우, 자성 또는 금속산화물 나노입자를 대량으로 제조할 수 있으나, 혼합 용액의 농도에 제한을 받아 수율이 매우 낮아지는 단점이 있다.
When the magnetic or metal oxide nanoparticles are prepared by the above method, magnetic or metal oxide nanoparticles can be produced in a large amount, but the yield is very low due to the limitation of the concentration of the mixed solution.
한편, 나노입자의 응용분야 중 하나인 나노촉매의 경우, 현재 고분자 연료전지의 촉매는 백금을 주로 사용하고 있다. 이때, 고가인 백금을 보다 효율적으로 사용하기 위해, 백금을 나노 크기의 작은 입자로 제조하고 이를 넓은 표면적을 가지는 탄소 담체 위에 분산시키는 방법이 일반적으로 연구되고 있다. 현재 2-3nm 정도의 크기를 갖는 나노입자를 탄소담체에 분산시켜 50μm의 얇은 촉매 층을 형성시켜 스택에 이용하는 기술이 개발 중이다.On the other hand, in the case of nanocatalyst, which is one of the application fields of nanoparticles, platinum is mainly used as a catalyst of a polymer fuel cell. At this time, in order to use expensive platinum more efficiently, a method of preparing platinum as nano-sized small particles and dispersing it on a carbon carrier having a large surface area is generally studied. At present, a technology is being developed for dispersing nanoparticles having a size of about 2 to 3 nm on a carbon carrier to form a thin catalyst layer having a thickness of 50 μm.
그러나 이 때 백금 일부가 고분자전해질 속 또는 탄소담체에 깊숙이 스며들어 반응에 기여하지 않거나(clogging) 나노입자가 시간이 지나면서 응집하여 입자크기가 커지는 (sintering) 단점이 여전히 존재한다.
However, there is still a disadvantage in that a part of the platinum penetrates deeply into the polymer electrolyte or the carbon carrier and does not contribute to the reaction (clogging), or the nanoparticles agglomerate with time to increase the particle size (sintering).
이에 본 발명자들은 종래의 문제점들을 해결하면서 100 nm 이상의 나노입자를 제조하는 방법에 대해 연구를 진행하던 중 초음파를 이용하여 나노입자를 제조할 경우, 계면활성제 없이 특정한 모양을 가지는 700 내지 900nm 및 2 내지 4 ㎛ 의 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 상온에서 빠른 시간안에 대량으로 한번에 제조할 수 있음을 발견하였다,Therefore, the inventors of the present invention have been studying a method for producing nanoparticles of 100 nm or more while solving the conventional problems. When preparing nanoparticles by using ultrasonic waves, the nanoparticles of 700 nm to 900 nm and 2- It has been found that a metal or metal oxide having a micro-nano size of 4 占 퐉 can be produced in large quantities in a short time at room temperature.
또한, 나노입자의 크기와 형상을 제어함으로써 작은 입자들끼리 뭉치는 현상을 감소시켜 내구성을 향상시키는 동시에, 실질적으로는 표면적을 증대시키는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조하는 본 발명을 완성하였다.
In addition, by controlling the size and shape of the nanoparticles, it is possible to improve the durability by reducing the aggregation of small particles, and at the same time, the present invention of producing a metal or metal oxide having a micro- Completed.
본 발명의 목적은 초음파를 이용한 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법 및 그에 의해 제조된 금속 또는 금속 산화물을 제공하는데 있다.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a metal or metal oxide having micro-nano size using ultrasonic waves, and a metal or metal oxide produced by the method.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
금속염 및 pH조절용액을 용매에 녹여 혼합하는 단계; 및Dissolving the metal salt and the pH adjusting solution in a solvent and mixing them; And
상기 용액에 초음파 처리를 수행하는 단계;Performing ultrasonic treatment on the solution;
를 포함하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법을 제공한다.
And a method of manufacturing a metal or metal oxide having a micro-nano-size.
또한, 본 발명은 In addition,
금속염 및 pH조절용액을 용매에 녹여 혼합하는 단계; 및Dissolving the metal salt and the pH adjusting solution in a solvent and mixing them; And
상기 용액에 초음파 처리를 수행하는 단계;Performing ultrasonic treatment on the solution;
를 포함하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법에 있어서, A method for producing a metal or metal oxide having a micro-nano size,
상기 용액의 농도, 초음파 시간 및 온도 중 하나 이상을 조절하여 생성되는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 크기와 형상의 제어방법을 제공한다.
And controlling the size and shape of the metal or metal oxide having a micro-nano size, which is generated by adjusting at least one of the concentration of the solution, the ultrasonic time, and the temperature.
나아가, 본 발명은 상기의 제조방법에 의해 제조되는 700 nm 내지 900 nm 의 나노입자 및 2 내지 4 ㎛ 의 마이크로 입자인 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제공한다.
Furthermore, the present invention provides a micro-nano-sized metal or metal oxide, characterized in that the nanoparticle is 700 nm to 900 nm and the microparticle is 2 to 4 μm, which is produced by the above-described method.
본 발명에 따른 초음파를 이용한 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법 및 그에 의해 제조된 금속 또는 금속 산화물에 있어서, 계면활성제 없이 간단한 초음파 조사를 통하여 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조함으로써 종래에 계면활성제를 사용하여 나노입자를 제조할 때와 비교할 때, 수율이 낮아지는 현상을 방지할 수 있다.A method for producing a metal or metal oxide having a micro-nano size using an ultrasonic wave according to the present invention and a metal or a metal oxide prepared by the method using the ultrasonic wave, It is possible to prevent the yield from lowering as compared with the case where nanoparticles are conventionally produced using a surfactant.
또한, 본 발명에서는 700 내지 900nm 및 2 내지 4 ㎛ 의 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물이 한꺼번에 제조되고, 상기 크기를 가짐으로서 2 ~ 3 nm 크기의 나노입자들이 막이나 탄소 담지체에 깊숙이 스며드는 문제를 방지할 수 있으며, 작은 입자들끼리 뭉치는 현상을 감소시켜 내구성을 향상시킨다. In addition, in the present invention, a metal or metal oxide having a micro-nano size of 700 to 900 nm and 2 to 4 탆 is produced at a time, and the nanoparticles having a size of 2 to 3 nm are deeply embedded in a film or a carbon carrier It is possible to prevent the problem of penetration and to reduce the phenomenon of bundling of small particles to improve the durability.
나아가, 초음파를 이용하여 상온에서 빠른 시간에 백금 나노입자들을 팔각형 형상으로 제조하며, 이는 실질적으로는 2-3nm 크기의 입자들로 이루어진 촉매와 유사한 표면적의 증대 효과가 있다.
Further, the platinum nanoparticles are formed into an octagonal shape at a high temperature at room temperature using ultrasonic waves, which substantially increases the surface area similar to that of a catalyst composed of particles of 2-3 nm in size.
도 1은 본 발명에 따른 금속산화물의 합성과정 모식도이고;
도 2는 실시예에 따라 산화구리 마이크로-나노입자를 제조하는 것으로, (a)는 반응중인 용액을, (b)는 반응 후의 용액을 나타내는 사진이다.
도 3 내지 도 9는 실시예에 따른 금속 산화물의 형상을 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 을 통해 관찰한 사진이다.1 is a schematic view illustrating a process of synthesizing a metal oxide according to the present invention;
FIG. 2 is a photograph showing copper micro-nano-particles prepared according to an embodiment, wherein (a) is a solution under reaction and (b) is a solution after the reaction.
FIGS. 3 to 9 are photographs of a shape of the metal oxide according to the embodiment observed through a scanning electron microscope (SEM).
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 The present invention
금속염 및 pH조절용액을 용매에 녹여 혼합하는 단계; 및Dissolving the metal salt and the pH adjusting solution in a solvent and mixing them; And
상기 용액에 초음파 처리를 수행하는 단계;Performing ultrasonic treatment on the solution;
를 포함하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법을 제공한다.
And a method of manufacturing a metal or metal oxide having a micro-nano-size.
이하, 본 발명에 따른 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for producing a metal or metal oxide having micro-nano size according to the present invention will be described in detail for each step.
먼저, 본 발명에 따른 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법에 있어서, 금속염 및 pH조절용액을 용매에 녹여 혼합하는 단계이다. First, in the method for preparing a metal or metal oxide having micro-nano size according to the present invention, metal salt and pH adjusting solution are dissolved in a solvent and mixed.
구체적으로, 상기 금속염의 금속은 IIA족 금속, IIIA족 금속, IV족 금속, VA족 금속, 전이 금속, 란타나이드계 금속, 악티나이드계 금속 및 이들의 배합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.Specifically, the metal of the metal salt may be selected from the group consisting of Group IIA metals, Group IIIA metals, Group IV metals, Group VA metals, transition metals, lanthanide metals, actinide metals, and combinations thereof.
또한, 상기 금속염은 금속 아세테이트, 금속 알콕사이드, 금속 나이트레이트, 금속 할라이드, 이의 수화물 및 이들의 배합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 구체적으로 할라이드는 염소, 황산, 요오드 등 일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
The metal salt may be selected from the group consisting of metal acetate, metal alkoxide, metal nitrate, metal halide, hydrate thereof, and combinations thereof. Specifically, the halide may be chlorine, sulfuric acid, iodine, Do not.
또한, 상기 pH조절용액은 높은 농도의 금속 산화물을 반응 혼합물에 사용하기 위한 것으로, 반응 혼합물의 pH를 최소 7 내지 최대 10.5의 범위로 제어하여 효율적으로 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조할 수 있다. In addition, the pH adjusting solution is used for a high concentration of metal oxide in the reaction mixture, and the pH of the reaction mixture is controlled to be in the range of at least 7 to a maximum of 10.5 to efficiently produce a metal or metal oxide having a micro- can do.
이때, 상기 pH조절용액은 수산화나트늄(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 하이드라진(N2H4), 소듐 하이드로포스페이트, 글루코스, 아스코빅산, 탄닌산, 디메틸포름아미드, 테트라부틸암모늄 보로하이드라이드, 소듐보로하이드라이드(NaBH4) 및 리튬보로하이드라이드(LiBH4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 이는 환원제로서의 역할도 할 수 있는바, 별도의 첨가물의 추가는 요구되지 않는다.
In this case, the pH-adjusted solution is sodium hydroxide titanium (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), hydrazine (N 2 H 4), sodium dihydro-phosphate, glucose, ascorbic biksan, tannic acid, dimethylformamide , tetrabutylammonium borohydride, sodium view it hydride (NaBH 4) and lithium hydride to view it, but may use one or more selected from the group consisting of (LiBH 4), without being limited thereto. On the other hand, since it can also serve as a reducing agent, addition of additional additives is not required.
또한, 상기 용매는 금속염 및 pH조절용액을 녹일 수 있는 액체면 특별히In addition, the solvent may be a metal salt and a liquid capable of dissolving the pH adjusting solution,
제한하지 않으나, 물, 알콜, 알킬 치환 방향족 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
But are not limited to, water, alcohols, alkyl substituted aromatics, and combinations thereof.
나아가, 상기 pH조절용액은 금속염에 대하여 0.1 내지 100의 몰비로 넣어 반응시킬 수 있다. 일례로, 금속염 CuCl2에 대하여 pH조절용액인 NaOH을 1 : 1의 몰비로 반응시켜 산화구리를 제조할 수 있다.Furthermore, the pH adjusting solution may be added in a molar ratio of 0.1 to 100 based on the metal salt. For example, copper oxide can be prepared by reacting a metal salt CuCl 2 with a pH adjusting solution NaOH in a molar ratio of 1: 1.
종래의 액상법에 의한 나노입자의 제조방법은 수계에서 금속 화합물을 해리 시킨 후 계면활성제를 사용하여 하이드로겔 형태의 금속 나노 입자를 제조하는 방법으로 금속 화합물 용액의 농도에 제한을 받아 수율이 매우 낮아지는 단점이 있었다.The conventional method of preparing nanoparticles by a liquid phase method is a method of dissolving a metal compound in a water system and then producing a hydrogel type metal nanoparticle by using a surfactant, There were disadvantages.
반면, 본 발명은 계면활성제 없이 제조하여 금속 화합물의 농도를 10 M 정도의 고농도로도 반응시켜 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조할 수 있는바, 대량 합성에 적합하다.
On the other hand, the present invention can produce a metal or metal oxide having a micro-nano size by preparing it without a surfactant and reacting the concentration of the metal compound at a high concentration of about 10 M, and is suitable for mass synthesis.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법에 있어서, 상기 용액에 초음파 처리를 수행하는 단계이다.Next, in the method for producing a metal or metal oxide having micro-nano size according to the present invention, ultrasonic treatment is performed on the solution.
구체적으로, 상기 초음파 처리는 25 내지 100 ℃ 의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다. Specifically, the ultrasonic treatment may be performed at a temperature of 25 to 100 DEG C for 1 minute to 1 hour.
상기 초음파 조사를 통하여 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조함으로써, 종래에 계면활성제를 사용하여 나노입자를 제조할 때와 비교할 때, 수율이 낮아지는 현상을 방지하여 대량의 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제조할 수 있다. By producing the metal or metal oxide having a micro-nano size through the above-mentioned ultrasonic irradiation, it is possible to prevent the yield from being lowered as compared with the conventional method of producing nanoparticles using a surfactant, Can be produced.
또한, 초음파 조사를 통하여 상온에서 빠른 시간에 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속 산화물을 제조할 수 있다.
In addition, a metal or metal oxide having a micro-nano size can be produced at a room temperature at a short time through ultrasonic irradiation.
또한, 본 발명은In addition,
금속염 및 pH조절용액을 용매에 녹여 혼합하는 단계; 및Dissolving the metal salt and the pH adjusting solution in a solvent and mixing them; And
상기 용액에 초음파 처리를 수행하는 단계;Performing ultrasonic treatment on the solution;
를 포함하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법에 있어서, A method for producing a metal or metal oxide having a micro-nano size,
상기 용액의 농도, 초음파 시간 및 온도 중 하나 이상을 조절하여 생성되는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 크기와 형상의 제어방법을 제공한다.
And controlling the size and shape of the metal or metal oxide having a micro-nano size, which is generated by adjusting at least one of the concentration of the solution, the ultrasonic time, and the temperature.
이하, 본 발명에 따른 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the control method according to the present invention will be described in detail.
상기 제어방법은 초음파 처리 시간을 조절하여 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 크기나 형상을 제어할 수 있다. The control method may control the size or shape of the metal or metal oxide having a micro-nano size by controlling the ultrasonic treatment time.
구체적으로, 반응시간이 길어질수록 결정 크기가 증가함과 동시에 결정 형상도 삼각형상에서 구형을 나타나게 할 수 있다. 특히 본 발명은 초음파 처리를 통하여 상온에서 빠른 시간에 이를 제어할 수 있다. 일례로서, 초음파를 10분 이내, 구체적으로 5분 동안 처리하는 경우, 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 형상을 삼각형으로 할 수 있다. 또한, 초음파를 10분 내지 20분 동안 처리하는 경우, 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 형상을 팔각형으로 할 수 있다.
Specifically, as the reaction time becomes longer, the crystal size increases, and at the same time, the crystal shape can be displayed on the triangle. Particularly, the present invention can control this at a room temperature by ultrasonic treatment in a short time. As an example, when ultrasonic waves are treated for 10 minutes or less, specifically for 5 minutes, the shape of the metal or metal oxide having a micro-nano size can be triangular. In addition, when the ultrasonic wave is treated for 10 minutes to 20 minutes, the shape of the metal or metal oxide having micro-nano size can be octagonal.
또한, 상기 제어방법은 상기 반응시간 동안 온도를 조절하여 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 크기를 제어할 수 있다. 일례로서, 온도를 25℃ 내지 30℃로 조절하여 금속 또는 금속산화물의 크기를 크게 할 수 있다. 또한, 온도를 60℃ 내지 100℃로 조절하여 금속 또는 금속산화물의 크기를 작게 제어할 수 있다.
Also, the control method can control the size of the metal or metal oxide having micro-nano size by controlling the temperature during the reaction time. As an example, the temperature may be controlled at 25 ° C to 30 ° C to increase the size of the metal or metal oxide. Also, the size of the metal or metal oxide can be controlled to be small by adjusting the temperature to 60 to 100 캜.
또한, 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 크기는 반응온도, 반응 pH, 반응시간, 환원제의 농도에 의한 금속 또는 금속산화물의 환원속도 조정을 통해 제어할 수 있다. 구체적으로, 금속이온의 환원속도가 느리면 환원된 금속에 금속이온이 붙으면서 환원이 이루어지므로 금속 또는 금속산화물의 크기가 커지게 된다. 반면에 환원속도가 빠르면 금속이온 자체가 빠르게 환원되어 금속 또는 금속산화물의 크기가 작고 주로 구형을 이루게 된다. In addition, the size of the metal or metal oxide having micro-nano size can be controlled by adjusting the reduction rate of the metal or metal oxide by the reaction temperature, the reaction pH, the reaction time, and the concentration of the reducing agent. Specifically, if the reduction rate of the metal ion is slow, the reduced metal is attached to the metal ion and is reduced, so that the size of the metal or metal oxide becomes large. On the other hand, when the reduction rate is high, the metal ion itself is rapidly reduced, and the size of the metal or metal oxide is small and mainly spherical .
본 발명은 금속염에 대하여 환원제로서의 역할을 할 수 있는 pH조절 용액인 NaOH을 1:1의 몰비로 반응시켜 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 팔각형으로 제어 할 수 있다.
In the present invention, a metal or metal oxide having a micro-nano size can be controlled to an octagon by reacting a metal salt with a pH adjusting solution NaOH, which can serve as a reducing agent, at a molar ratio of 1: 1.
나아가, 본 발명은 상기의 제조방법에 의해 제조되는 700 nm 내지 900 nm 의 나노입자 및 2 내지 4 ㎛ 의 마이크로 입자인 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물을 제공한다.
Furthermore, the present invention provides a micro-nano-sized metal or metal oxide, characterized in that the nanoparticle is 700 nm to 900 nm and the microparticle is 2 to 4 μm, which is produced by the above-described method.
일례로, 상기의 제조방법에 의해 700 내지 900nm 크기의 나노입자와 2 내지 4 ㎛ 크기의 마이크로 산화구리를 한번에 제조할 수 있었다. 이는 종래의 한정되어 있던 100nm 내지 1000nm 나노입자 제조에 대하여 연구범위 및 상용화의 범위를 넓힘으로써 재료, 의학, 전자, 광학, 에너지 등의 산업분야에서 응용이 가능하다.
For example, nanoparticles having a size of 700 to 900 nm and micro-oxide copper having a size of 2 to 4 μm can be manufactured at once by the above-described manufacturing method. This can be applied in industrial fields such as materials, medicine, electronics, optics, and energy by widening the scope of research and commercialization for the conventional limited production of 100 nm to 1000 nm nanoparticles.
또한, 상기 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물은 팔각형의 형상을 가진다.In addition, the metal or metal oxide having micro-nano size has an octagonal shape.
본 발명은 계면활성제 없이 특정한 형상, 일례로 팔각형의 형상을 가지는 나노입자를 상온에서 빠른 시간에 제조할 수 있다.The present invention can produce nanoparticles having a specific shape, for example, an octagonal shape, at a room temperature in a short time without a surfactant.
나노입자가 촉매로 활용되는 경우에 있어서, 종래 구형의 백금 촉매와 달리 정팔면체 모양의 구조를 가지는 촉매를 합성함으로써, 수소연료전지의 산화 환원 촉매로서의 단위 면적당 활성을 크게 증가시킬 수 있다.In the case where the nanoparticles are used as a catalyst, activity per unit area as a redox catalyst of the hydrogen fuel cell can be greatly increased by synthesizing a catalyst having an octahedral structure unlike the conventional spherical platinum catalyst.
또한, 정팔면체의 귀금속 나노입자의 경우에 있어서, 6개의 날카로운 꼭짓점에 표면전하를 축적 할 수 있어, 구형의 귀금속 나노입자보다 강한 국부 전기장 강화가 가능하며, 표면 플라즈몬 공명의 피크들의 특성을 조절할 수 있는 여지가 많다. 따라서, 마이크로-나노 크기를 가지는 정팔면체 귀금속의 제조는 표면증강 분광법, 생화학 센서, 바이오칩, 나노장치 개발 등에 중요한 영향을 미칠 수 있다.
In the case of noble metal nanoparticles of the octahedron, it is possible to accumulate the surface charge at six sharp corner points, to strengthen the local electric field stronger than the spherical noble metal nanoparticles, and to control the characteristics of the peaks of surface plasmon resonance There is a lot of room. Therefore, the production of octahedral noble metal having a micro-nano size can have a significant influence on surface enhancement spectroscopy, biochemical sensors, biochips, and development of nano devices.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 실험예에 의해 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시할 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.
<실시예> 산화구리 마이크로-나노입자 제조EXAMPLES Preparation of Copper Micro-Nanoparticles
0.05 M의 금속염 CuCl2와 0.05 M의 pH조절용액인 NaOH을 물에 충분히 녹인 후, 이를 25 에서 100 ℃ 사이의 온도로 설정된 초음파 수조에 넣고 반응시켰다.0.05 M of metal salt CuCl 2 and 0.05 M of pH adjusting solution of NaOH were thoroughly dissolved in water and reacted in an ultrasonic water bath set between 25 and 100 ° C.
산화구리의 결정 모양은 초음파 처리 시간이 길어질수록 결정크기가 증가함과 동시에 결정 모양도 정육면체에서 팔면체로 변하였다.Crystalline form of copper oxide increased with increasing ultrasonic treatment time and crystal shape changed from cubic to octahedron.
상기 용액을 15분 동안 초음파 처리를 하여 팔각형 형상의 산화구리 마이크로-나노입자를 제조하였다.
The solution was ultrasonicated for 15 minutes to prepare octagonal copper oxide micro-nanoparticles.
<실험예> 제조된 마이크로-나노입자의 형상분석<Experimental Example> Analysis of morphology of manufactured micro-nano particles
본 발명에 따른 금속산화물 마이크로-나노입자의 형상 및 크기를 확인하기 위하여, 상기 실시예의 산화구리 마이크로-나노입자를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 3 내지 도 9에 나타내었다.In order to confirm the shape and size of the metal oxide micro-nanoparticles according to the present invention, the copper micro-nano particles of the above example were analyzed using a scanning electron microscope (SEM) As shown in Fig.
도 4에 나타난 바와 같이, 마이크로-나노 크기의 산화구리가 한번에 제조되고, 이때 산화구리가 팔면체 형상으로 제조된 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 4, micro-nano-sized copper oxide was produced at one time, and it was confirmed that copper oxide was produced in an octahedral shape.
이로부터, 본 발명을 이용하여 금속 또는 금속산화물을 제조할 경우, 종래의 기술과는 달리 별도의 계면활성제, 고온의 열처리 없이 상온에서 간단한 공정으로도 빠른 시간에 마이크로-나노 크기의 금속 또는 금속산화물을 팔면체 형상으로 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
Therefore, when a metal or a metal oxide is produced by using the present invention, a surfactant, which is different from the conventional art, can be obtained at a short time even at room temperature without heat treatment at a high temperature. Can be produced in an octahedral shape.
Claims (10)
상기 용액에 25 내지 100 ℃ 의 온도에서 10분 내지 20분 동안 초음파 처리를 수행하는 단계;를 포함하고,
700 nm 내지 900 nm 의 나노입자 및 2 내지 4 ㎛ 의 마이크로 입자로 이루어지는 팔각형의 형상인, 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법.
A metal salt containing a metal selected from the group consisting of Group IIA metals, Group IIIA metals, Group IV metals, Group VA metals, transition metals, lanthanide series metals and actinide series metals, and a pH adjusting solution are dissolved in a solvent Mixing; And
Performing ultrasonic treatment for 10 minutes to 20 minutes at a temperature of 25 to 100 DEG C in the solution,
A method for producing a metal or metal oxide having a micro-nano-size, which is an octagonal shape consisting of nanoparticles of 700 nm to 900 nm and microparticles of 2 to 4 μm.
상기 금속염은 금속 아세테이트, 금속 알콕사이드, 금속 나이트레이트, 금속 할라이드, 이의 수화물 및 이들의 배합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal salt is selected from the group consisting of metal acetates, metal alkoxides, metal nitrates, metal halides, hydrates thereof, and combinations thereof.
상기 pH조절용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 하이드라진(N2H4), 소듐 하이드로포스페이트, 글루코스, 아스코빅산, 탄닌산, 디메틸포름아미드, 테트라부틸암모늄 보로하이드라이드, 소듐보로하이드라이드(NaBH4) 및 리튬보로하이드라이드(LiBH4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
The pH adjusted solution of sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), hydrazine (N 2 H 4), sodium dihydro-phosphate, glucose, ascorbic biksan, tannic acid, dimethylformamide, tetrabutyl Wherein the metal is selected from the group consisting of ammonium borohydride, sodium borohydride (NaBH 4 ), and lithium borohydride (LiBH 4 ).
상기 pH조절용액은 금속염에 대하여 0.1 내지 100의 몰비로 넣어 반응시키는 것을 특징으로 하는 마이크로-나노 크기를 가지는 금속 또는 금속산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pH adjusting solution is reacted in a molar ratio of 0.1 to 100 with respect to the metal salt.
The method of claim 1, wherein the metal or metal oxide having the micro-nano size is used as a redox catalyst of a hydrogen fuel cell.
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