KR100442710B1 - 철옥사이드 나노입자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

암모늄 유기산염을 침전제로서 사용하여, 철 염의 수용액으로부터 공침법을 통해 입자 크기가 균일하고 결정성이 우수한 철옥사이드 나노 입자를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

철옥사이드 나노입자의 제조방법{Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles}

본 발명은 철옥사이드 나노입자의 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 침전제로서 암모늄 유기산염을 사용하여 철옥사이드 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

철옥사이드 입자들은 정보저장, 컬러 이미징(color imaging), 생물공정, 촉매, 자성냉장, 자기공명 이미지화 등 여러 분야에 이용되고 있다.

철옥사이드 나노입자를 제조하기 위한 종래의 방법으로는 수열 분해법[Carreno, T.G., Misfud, A., Serna, C.J., Palacios, J.M., Mater. Chem. Phys., 27, 287 (1991)], 분무 분해법 [ibid], 공침법[Hu, Z., Fan, Y., Wu, Y., Yan, Q., Chen, Y., J. Mater. Chem., 6, 1041(1996)], 졸-겔 방법[Brinker, C.J. and Sxherer, G.W., "Sol Gel Science", Academic Press, San Diego (1990)] 등 여러 기술이 개발되어 이용되고 있다.

상기의 종래의 방법 중에서 암모늄 하이드록사이드(NH₄OH)를 침전제로 이용하는 방법은 다음 반응식 1과 같이 수용성 무기염들을 물에 녹인 후 암모늄 하이드록사이드를 침전제로 이용하여 하이드록사이드 입자를 제조하여 열처리함으로써 옥사이드 입자를 제조하는 방법이다.

Fe(NO₃)₃+ NH₄OH → Fe(OH)₃→ Fe₂O₃

그러나, 상기의 암모늄 하이드록사이드를 침전제로 이용하여 철옥사이드 입자를 제조하는 방법은 얻어지는 하이드록 사이드의 입자 크기가 크고 입자의 크기 분포가 넓을 뿐만 아니라 입자의 모양이 여러 형태이기 때문에 공업적으로 입자를 이용하는 데 많은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 암모늄 하이드록사이드를 사용하지 않고, 유기 음이온을 생성시키는 암모늄 화합물를 침전제로 사용하여 경제적으로 대량 생산이 가능하면서도 입자의 크기가 100 nm 이하로 작고 크기분포가 균일하며 형태상으로 구형인 옥사이드 나노입자의 제조방법을 제공하는 것을 그의 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 일례에 따라 생성된 Fe₂O₃나노입자를 TEM(투과전자현미경)을 이용하여 측정한 사진을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1과 종래기술의 비교예 1에 따라 생성된 Fe₂O₃입자의 XRD 스펙트럼 데이타를 나타낸 것이다. 여기서, a) 및 b)는 열 처리 전의 입자를 분석한 것으로서, 각각 a)는 종래기술, b)는 본 발명 샘플의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 또한, c) 및 d)는 250 ℃에서 열처리한 후의 입자를 분석한 것으로서, 각각 c)는 종래기술, d)는 본 발명 샘플의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 Fe₂O₃입자를 250 ℃에서 열처리할 때의 자기 히스테리시스 루프(Magnetic hysterisis loop)를 나타낸 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 철을 함유하는 염(salt) 화합물의 수용액으로부터 공침법을 통해 철옥사이드를 제조하는 방법에 있어서, 침전제로서 암모늄 유기산염 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서는 모든 수용성 철 염이 사용 가능하며, 특히 철질산화물(Fe(NO₃)₃)과 철염화물(FeCl₃)이 특히 바람직하다.

본 발명에서 침전제로 사용 가능한 암모늄 화합물은 수용액상에서, 철과 결합할 수 있는 유기산 음이온을 생성시킬 수 있는 것이라면 어떠한 것이든지 사용할 수 있다. 이 중에서도, 암모늄 아세테이트, 암모늄 포메이트, 암모늄 시트레이트 또는 암모늄 프로피오네이트 등이 바람직하고, 암모늄 아세테이트가 취급이 용이하여 특히 바람직하다.

또한, 상기 철 염과 암모늄 유기산염은 몰 비율을 동량으로 사용하거나, 암모늄 화합물을 과량으로 하여 사용할 수 있으며, 효율성과 경제적인 측면을 고려하여 약 1:1 내지 1:5 정도가 바람직하다.

본 발명에서는, 상기 생성된 입자가 포함된 혼합 용액에 추가로 아세톤을 첨가함으로써 생성된 철히드록사이드 나노입자를 응집시켜 침전시킬 수도 있다. 또한, 본 발명에서 생성된 철히드록사이드 나노 입자는 최종적으로 원심분리, 여과 등의 방법을 이용하여 회수할 수 있다. 이같은 철히드록사이드의 침전 및 회수 방법은 특정한 조건은 없으며, 다만 이 분야에서 잘 알려진 바에 따를 수 있다.

한편, 이같이 회수한 철히드록사이드 입자는 소성 등을 통해 철옥사이드 화합물로 변환되며, 특히 바람직하게는, 용액으로 생성된 입자들을 추가로 진공 건조시키거나, 약 150 내지 550 ℃의 온도 범위에서 소성시킬 수도 있다. 더욱 바람직하게는 약 200 내지 500 ℃의 온도 범위에서 소성 단계를 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일례로서, 암모늄 아세테이트를 침전제로서 사용하여 철질산염 용액으로부터 철옥사이드를 생성시키는 반응은, 다음 반응식 2에 나타낸 바와 같은 경로를 거치는 것으로 여겨진다.

Fe(NO₃)₃+ NH₄CH₃COO → Fe(CH₃COO)₃→ Fe₂O₃

상기 반응식 2에서, 침전제로서 사용되는 암모늄 아세테이트는 유기산 음이온기로서 아세트산기(CH₃COO^-)를 갖는데, 이 아세트산기가 철 이온과 결합하여 킬레이션 효과를 일으켜 금속 이온의 핵형성(nucleation)을 억제함으로써 생성된 침전물이 기존 공침법의 침전물보다 입자 크기가 작고 크기분포도 균일하며 형태도 구형에 가깝게 되는 것으로 생각된다.

따라서, 본 발명이 이상과 같은 특정 이론에 기초한 것은 아니지만, 상기 반응식 2로부터 아세트산기와 같이 철과 결합하여 킬레이션 효과를 발휘할 수 있다면, 어떠한 유기산기를 포함하는 암모늄 화합물들도 본 발명에서 침전제로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.

한편, 상기 반응식 2에서와 같이, 철질산염을 사용하는 경우, 소성 과정에서 질산이온과 암모늄아세테이트의 아세테이트가 가열에 의해 자발착화(self-propagating combustion behavior)됨으로서 순간적인 발열반응으로 균질하고 미세한 입자를 쉽게 제조할 수 있게 된다. 이때 철 질산염은 산화제로, 암모늄 아세테이트의 아세테이트는 철질산염의 석출을 막으면서 발화의 연료로서 작용한다.

이같이 생성된 본 발명의 철옥사이드 입자들은 100 nm 이하의 미세한 입자 크기를 갖으며, 그의 크기 분포가 균일하고 형태상으로 구형을 띤다. 특히, 바람직한 일례의 경우, 본 발명에서 생성된 철옥사이드 입자들은 약 5-30 nm, 바람직하게는 약 7-25 nm 정도의 미세한 입자 크기를 갖는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

암모늄 유기산염을 침전제로서 사용한 철옥사이드 나노입자의 제조 방법

먼저, 0.5 M의 암모늄 아세테이트 수용액과 0.1 M의 철질산염 수용액을 1:1의 부피 비로 상온에서 혼합하여 철수산화물(Iron hydroxide)의 나노입자들이 형성되며 용액의 색깔은 붉은 갈색으로 변색되었다. 그 후에, 혼합물 용액 부피만큼의 아세톤을 첨가하면 용액의 물성이 친수성에서 소수성을 변화되어 철수산화물 나노입자들이 응집되어 침전되었다. 이 때 철수산화물 회수율은 첨가되는 아세톤 양에 의존하며 반응물 부피만큼 아세톤을 가하면 회수 수율이 95% 이상이 되었다.

상기 중간단계 생성물인 철수산화물의 침전 속도를 가속화하기 위하여 시료를 원심분리기에서 약 1500 rpm으로 10분간 회전시키면 철수산화물의 침전물을 쉽게 회수 할 수 있다.

최종적으로, 회수된 침전물을 250 ℃에서 2 시간 동안 공기 분위기 하에서 소성한 후에, 철옥사이드 나노입자를 얻을 수 있었다.

제조된 산화철 나노입자를 주사전자현미경과 TEM(투과전자현미경)을 이용하여 측정한 사진을 도 1에 나타내었으며, 도 1로부터 10∼20 ㎚의 미세한 크기를 갖으며, 그의 입자크기 분포가 매우 균일한 철옥사이드 나노입자들이 제조되었음을 알 수 있다.

또한, 생성된 Fe₂O₃입자의 XRD 스펙트럼 데이타를 도 2에 나타내었으며, 본 발명의 철옥사이드 입자를 250 ℃에서 열처리시에 나타나는 자성에 따른 자기 히스테시스 루프를 도 3에 나타내었다. 도 2로부터, 본 발명에 따라 생성된 Fe₂O₃입자의 결정성이 매우 높은 것을 알 수 있으며, 도 3으로부터 이같이 우수한 결정성에 의해 우수한 자성을 띠는 것을 알 수 있다.

<비교예 1>

암모늄 하이드록사이드를 침전제로서 사용한 철옥사이드 나노입자의 제조 방법

암모늄 하이드록사이드를 침전제로서 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에 기재한 바와 같은 공침법으로 철옥사이드 입자들을 제조하였다. 그러나, 생성된 철옥사이드 입자들의 크기가 수 마이크로미터(㎛) 이상으로 본 발명에서와 같은 나노입자(nm)가 생성되지 않는 것을 알 수 있었다.

생성된 Fe₂O₃입자의 XRD 스펙트럼 데이타를 본 발명과 함께 도 2에 나타내었으나, 열 처리 전 및 후의 Fe₂O₃입자 모두 그의 결정성이 본 발명에 비해 현저히 낮은 것을 알 수 있으며, 본 발명에 따라 생성된 철옥사이드 입자가 우수한 결정성으로 도 3에 나타낸 바와 같이 자성을 띠는 것과는 달리, 암모늄 하이드록사이드를 침전제로서 사용한 경우, 생성된 입자의 결정성이 낮아 이에 대한 측정을 할 수 없었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 제조 방법이 매우 간단하고 특별한 장치가 요구되지 않아 경제적일 뿐만 아니라 그의 수율면에서도 매우 우수하며, 본 발명은 단원자 산화물뿐 아니라 다성분계 산화물 분말을 균일한 화학적 조성을 갖도록 제조하는 데 매우 유용한 방법이다. 또한, 본 발명의 방법으로 제조된 철옥사이드 나노입자들은 입자의 크기가 매우 작을 뿐만 아니라 입자의 크기 분포도 매우 균일하여 자성체로 활용시 매우 우수한 성능을 발휘할 것이므로, 그의 산업상 이용 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.

Claims (8)

1. 철을 포함하는 염 화합물의 수용액으로부터 공침법을 통해 철옥사이드를 제조하는 방법으로서, 암모늄 유기산염 화합물을 침전제로서 사용하는 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 암모늄 유기산염 화합물이 암모늄 아세테이트, 암모늄 아세테이트, 암모늄 포메이트, 암모늄 시트레이트 및 암모늄 프로피오네이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 철을 함유한 염 화합물과 암모늄 유기산염 화합물을 1:1 내지 1:5의 몰비율로 하여 사용하는 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 철을 함유한 염 화합물이 철질산화물 또는 철염화물인 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 침전제를 첨가한 후의 혼합 용액에 추가로 아세톤을 첨가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
6. 제 1 항 또는 5 항에 있어서, 추가로 상기 침전제를 첨가한 후의 혼합 용액를 원심분리시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 용액으로부터 생성된 입자를 회수하여, 추가로 진공 건조시키거나, 150 내지 550 ℃의 온도 범위에서 소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 철옥사이드 나노입자 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 소성 단계에서의 온도 범위가 200 내지 500 ℃인 것을 특징으로 하는 철옥사이드 나노입자 제조 방법.