KR101089274B1 - Nanocomposite and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노혼성체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽입되어 형성되며, 상기 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 가지며 상기 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조 내부 공간에 평균 0.1 내지 1,000 nm 범위의 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 나노혼성체에 관한 것으로, 본 발명의 나노혼성체는 화학적으로 매우 안정하고, 비표면적이 현저히 클 뿐만 아니라 광활성이 매우 좋아 다양한 촉매 및 광촉매 분야등 환경적 측면에 응용할 수 있는 측면에서 매우 유용하다.The present invention relates to a nano hybrid material and a method of manufacturing the same, and more particularly, a CdS quantum dot is formed between the titanium oxide by reacting a titanium oxide having a two-dimensional sheet structure having a surface negative charge with a CdS quantum dot having a positive charge. Titanium oxide of the two-dimensional sheet structure is gathered to have a three-dimensional structure in the form of a layer structure or a card house, and a pore in the range of 0.1 to 1,000 nm in the inner space of the three-dimensional structure of the layer structure or a card house form. The present invention relates to a nano hybrid material, wherein the nano hybrid material according to the present invention is chemically very stable, has a particularly large specific surface area, and has a high photoactivity, so that it can be applied to various environmental aspects such as catalysts and photocatalysts. Very useful in

나노혼성체, 광활성, 티탄 산화물, CdS 양자점 Nano Hybrids, Photoactive, Titanium Oxide, CdS Quantum Dots

Description

나노혼성체 및 그 제조방법{NANOCOMPOSITE AND PREPARATION METHOD THEREOF} NANOCOMPOSITE AND PREPARATION METHOD THEREOF

본 발명은 나노혼성체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽입되어 형성되며, 상기 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 가지며 상기 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조 내부 공간에 평균 0.1 내지 1,000 nm 범위의 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 나노혼성체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nano hybrid material and a method for manufacturing the same, and more particularly, a CdS quantum dot is formed between a titanium oxide having a two-dimensional sheet structure having a surface negative charge and a CdS quantum dot having a positive charge therebetween. Titanium oxide of the two-dimensional sheet structure is gathered to have a three-dimensional structure in the form of a layer structure or a card house, and a pore in the range of 0.1 to 1,000 nm in the inner space of the three-dimensional structure of the layer structure or a card house form. The present invention relates to a nano hybrid material and a method for producing the same.

종래에 다양한 문헌에 CdS 양자점과 층상 화합물과의 결합물인 혼성체 물질의 개발이 이루어졌다. 그러나, 종래 개발 방법에서 매우 유독한 H2S의 기체상 반응으로 인체에 해로운 합성법이 널리 알려져 있었다. 또한 용액상 반응에서는 층상 화합물과 양자점과의 반응에서 대부분 이온교환법을 사용하고 있는데 이는 층간공간까지 양자점의 확산에 대한 문제를 안고 있어 층상 화합물의 층상 사이에 다량의 양자점을 삽입하는데 한계를 가지고 있다. 이는 표면적 확장 관점에서 매우 불 리할 수 밖에 없다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위해 특정 크기를 갖는 양자점을 제어 및 합성하고 표면이 양전하를 갖도록 단번에 개발하여 표면이 음전하를 갖는 박리화된 층상 티탄산화물과 재조합하여 균일한 기공을 갖으며 표면적이 넓은 나노혼성체를 개발하고자 한다. In the past, various literatures have developed hybrid materials that are combinations of CdS quantum dots and layered compounds. However, synthetic methods that are harmful to the human body due to the gaseous reaction of H 2 S, which is very toxic in the conventional development method, have been widely known. In the solution phase reaction, most of the reaction between the layered compound and the quantum dot is performed by ion exchange, which has a problem of diffusion of the quantum dot into the interlayer space and has a limitation in inserting a large amount of quantum dots between the layered layers of the layered compound. This is very disadvantageous in terms of surface area expansion. Therefore, in order to overcome these limitations, quantum dots having a specific size are controlled and synthesized, and the surface is developed at once to have a positive charge, and the surface is recombined with the exfoliated layered titanium oxide having a negative charge, which has uniform pores and has a large surface area. We want to develop a sieve.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 화학적으로 안정하고, 비표면적이 넓으며 자외선 뿐 아니라 가시광에도 광활성을 갖는 층상 티탄산화물-금속 칼코겐 양자점 화합물의 나노 혼성체 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention is to provide a method for producing nano hybrids of layered titanium oxide-metal chalcogen quantum dot compounds that are chemically stable, have a large specific surface area, and have photoactivity to visible light as well as ultraviolet light.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽입되어 형성되며, 상기 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 가지며 상기 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조 내부 공간에 평균 0.1 내지 1,000 nm 범위의 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 나노혼성체를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention is formed by inserting a CdS quantum dot between the titanium oxide by reacting a titanium oxide having a two-dimensional sheet-like structure having a surface negative charge and a CdS quantum dot having a positive charge, the two-dimensional sheet Titanium oxide of the structure is gathered to have a three-dimensional structure in the form of a layer structure or a card house, and the nano-hybrid, characterized in that the pores in the range of 0.1 to 1,000 nm is formed in the inner space of the layer or card house three-dimensional structure Provide a sieve.

또한, 본 발명은 상기 CdS 양자점의 Cd:S의 비율이 몰비로 1:0.1 내지 10 범위로 조절되어 제조된 것임을 특징으로 하는 나노혼성체를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a nano-hybrid, characterized in that the ratio of Cd: S of the CdS quantum dots is prepared by adjusting the range of 1: 0.1 to 10 in molar ratio.

또한, 본 발명은 상기 CdS 양자점이 0.2 내지 10 nm 범위의 크기인 것을 특징으로 하는 나노혼성체를 제공한다.In addition, the present invention provides a nano-hybrid, characterized in that the CdS quantum dot is in the size of 0.2 to 10 nm range.

또한, 본 발명은 ⅰ)화학식 Hx/4Ti2-x/4x/4O4 로 표현되고 표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물을 제조하는 단계 및; ⅱ)상기 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 이온결합 형태로 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽입되도록 하여 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 갖도록 하는 단계를 포함하는 나노혼성체 제조방법을 제공한다.The invention also ⅰ) to prepare a titanium oxide of the formula H x / 4 Ti 2-x / 4 □ x / 4 O 4 is expressed in a two-dimensional sheet having a surface structure and a negative charge; Ii) CdS quantum dots having positive charges react with the titanium oxide to allow CdS quantum dots to be inserted between the titanium oxides in the form of ionic bonds so that titanium oxides having a two-dimensional sheet structure are gathered to form a layered or card house type three-dimensional structure. It provides a method for producing a nano- hybrid comprising a step to have.

또한, 본 발명은 상기 CdS 양자점의 Cd:S의 비율이 몰비로 1:0.1 내지 10 범위로 조절되어 제조된 것임을 특징으로 하는 나노혼성체 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a nano-hybrid, characterized in that the ratio of Cd: S of the CdS quantum dots is prepared in a molar ratio of 1: 0.1 to 10 range.

본 발명의 나노혼성체는 화학적으로 안정하고, 비표면적이 크며, 광 활성이 뛰어난 층상 티탄산화물과 양자점 금속 칼코겐 화합물의나노혼성체 물질 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명으로 가시광 응답성과 큰 비표면적은 촉매 혹은 광촉매 특성에 매우 유리한 점을 나타내어 다양한 환경촉매에 유용하게 이용될 수 있다.The nano hybrid of the present invention provides a nano hybrid material of a layered titanium oxide and a quantum dot metal chalcogen compound which is chemically stable, has a large specific surface area, and is excellent in light activity, and a method of preparing the same. In the present invention, the visible light responsiveness and the large specific surface area are very advantageous for catalyst or photocatalyst properties, and thus can be usefully used for various environmental catalysts.

이하에서 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 나노혼성체는 표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽 입되어 형성되며, 상기 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 가지며 상기 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조 내부 공간에 평균 0.1 내지 1,000 nm 범위의 기공이 형성된 것을 특징으로 한다. The nano hybrid material of the present invention is formed by reacting a titanium oxide having a two-dimensional sheet-like structure having surface negative charges with a CdS quantum dot having a positive charge, thereby inserting CdS quantum dots between the titanium oxides, and having a titanium having the two-dimensional sheet-like structure. Oxides are aggregated to have a three-dimensional structure in the form of a layered or card house, characterized in that the pores in the range of 0.1 to 1,000 nm in the inner space of the three-dimensional structure of the layered or card house form.

도 1은 본 발명의 나노혼성체를 제조하는 과정을 도식적으로 설명한 도이다. 초기 출발물질은 층상 티탄 산화물인 Cs0.67Ti1.830.17O4을 고온에서 합성하고 소정의 산 용매와 Cs0.67Ti1.830.17O4 화합물과 교반하여 H0.67Ti1.830.17OH2O를 합성한다. 이후 알킬 암모늄이 포함된 용매와 다시 반응하여 박리화 되어진 층상 티탄산화물 콜로이드를 얻는다. 또한, 하기 실시예 2의 방법으로 표면이 양전하를 갖는 양자점을 합성한다. 이때 Cd:S의 조절로 특정 양자점 크기를 조절할 수 있다. 마지막으로 음전하 표면을 갖는 층상 티탄산화물과 양전하 표면을 갖는 양자점을 일정비율로 반응하여 일정한 크기의 마이크로/메조 기공을 갖는 나노혼성체 물질을 개발할 수 있다.1 is a diagram schematically illustrating a process of manufacturing a nano hybrid of the present invention. The initial starting material was synthesized with a layered titanium oxide Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 at high temperature and stirred with a predetermined acid solvent and Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 compound to form H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O Synthesize. Thereafter, the mixture is reacted with a solvent containing alkyl ammonium again to obtain a layered titanium oxide colloid exfoliated. In addition, the method of Example 2 below synthesizes a quantum dot having a positive charge on the surface. In this case, the specific quantum dot size may be adjusted by adjusting Cd: S. Finally, nano hybrid materials having a certain size of micro / mesopores can be developed by reacting a layered titanium oxide having a negatively charged surface and a quantum dot having a positively charged surface at a predetermined ratio.

이하에서 본 발명의 바람직한 태양인 실시예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples which are preferred embodiments of the present invention.

실시예 1(표면 음전하를 갖는 박리화된 층상 티탄산화물 합성)Example 1 (Separated Laminated Titanium Oxide Synthesis with Surface Negative Charge)

탄산세슘(Cs2CO3)과 이산화티탄(TiO2)을 이용하여 Cs0.67Ti1.830.17O4를 제조하였다(상기 화학식 중 "□"는 vacancy를 의미한다.). 탄산세슘과 이산화티탄을 화 학적량에 맞추어 잘 혼합하고, 혼합과 동시에 유발에서 약 1시간 동안 곱게 간 후 750℃ 공기 중에서 24시간 동안 열처리를 하였다. 최적화된 합성을 위해서 열처리한 화합물을 다시 곱게 간 후 시편을 제조하고 800℃ 공기 중에서 24시간 동안 다시 열처리를 하였다. 그 결과, 고상이면서 직방정계(orthorhombic) 층상구조를 갖는 레피드크로사이트(lepidocrocite) 형태의 Cs0.67Ti1.830.17O4이 생성되었다. 제조된 Cs0.67Ti1.830.17O4를 산 처리하여 양성자(H+)로 이온교환된 H0.67Ti1.830.17O4·H2O을 제조하였다. 먼저, Cs0.67Ti1.830.17O4 1g 당 1M 염산 수용액 100㎖을 넣고 강하게 교반하였다. 이때, 3일 동안 매일 새로운 산 수용액을 갈아 주면서 5번 반복하였다. 원심분리기를 이용하여 산 처리된 파우더를 모으고 수분을 없애기 위해 60℃ 오븐에서 건조하였다. 상기 건조한 것을 X선 회절 분석법으로 확인하여 Cs0.67Ti1.830.17O4의 Cs 이온 대신 양성자(H+)로 이온교환되어 H0.67Ti1.830.17O4·H2O이 형성되었음을 확인하였다. 제조된 H0.67Ti1.830.17O4·H2O를 양이온 처리하여 음전하를 갖는 박리된 티탄 산화물을 제조하였다. 먼저 상기 H0.67Ti1.83O4·H2O 시료를 곱게 간 다음, 티탄 산화물을 박리하기 위해서, H0.67Ti1.830.17O4·H2O 시료 0.4g 당 증류수 100㎖를 넣고 벌키(bulky)한 양이온인 TBA·OH(Tetrabuthylammonium hydroxide)를 H0.67Ti1.830.17O4·H2O 시료와의 몰(mole) 비가 3:1이 되도록 충분히 넣었다. 그 후, 상기 혼합된 용액을 10일 동안 강하게 교반하였다. 이후 양이온으 로 이온교환되지 않은 H0.67Ti1.830.17O4·H2O 시료를 분리하기 위해 원심분리기(10,000 rpm, 10분)로 분리하고 상층액을 따로 모아두었다. 이때 상층액은 뿌옇게 있으며, 이와 같은 과정을 통하여 콜로이드 용액 상태의 음전하를 가지는 티탄 산화물을 얻었다.Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 was prepared using cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) and titanium dioxide (TiO 2 ) (“□” in the formula means vacancy). Cesium carbonate and titanium dioxide were mixed well according to the chemical amount, and mixed at the same time for about 1 hour in the mortar at the same time and heat-treated for 24 hours in 750 ℃ air. For the optimized synthesis, the heat treated compound was finely divided again, and then a specimen was prepared and heat treated again in an air at 800 ° C. for 24 hours. As a result, Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 in the form of lepidocrocite having a solid and orthorhombic layer structure was produced. The prepared Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 was acid-treated to prepare H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O ion-exchanged with protons (H + ). First, 100 ml of an aqueous 1 M hydrochloric acid solution was added per 1 g of Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4, followed by strong stirring. At this time, it was repeated five times while changing a new acid aqueous solution every day for three days. Acid treated powders were collected using a centrifuge and dried in an oven at 60 ° C. to remove moisture. The dried to ensure that the X-ray diffraction analysis of the Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 is ion-exchanged with Cs ions instead of protons (H +) was confirmed that the H 0.67 Ti 1.83 □ 0.17 O 4 · H 2 O are formed. The prepared H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O was subjected to cation treatment to prepare exfoliated titanium oxide having a negative charge. First, the H 0.67 Ti 1.83 O 4 · H 2 O sample is finely divided, and in order to exfoliate the titanium oxide, 100 ml of distilled water is added per 0.4 g of H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O sample, and bulky One cation, TBA.OH (Tetrabuthylammonium hydroxide), was sufficiently added so that the mole ratio of H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O was 3: 1. The mixed solution was then vigorously stirred for 10 days. Thereafter, to separate H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O samples that were not ion-exchanged with cations, they were separated by a centrifuge (10,000 rpm, 10 minutes) and the supernatants were collected separately. At this time, the supernatant was cloudy, and a titanium oxide having a negative charge in the colloidal solution state was obtained through the same process.

실시예 2(특정 크기의 표면 양전하를 갖는 CdS양자점 합성)Example 2 (CdS quantum dot synthesis with surface positive charges of specific size)

도 2는 실시예 2에서 서술한 양전하 표면을 갖는 양자점 CdS의 합성 방법이다. 도 2에 나타난 바와 같이, CdS 양자점의 합성은 아래와 같이 수행되었다. 우선, Cd acetate dihydrate와 S의 원료로서 thioacetamide, 그리고 표면이 양전하를 갖기 위한 원료로서 2-mercaptoethylamine hydrochloride와 함께 용매인 증류수를 200ml 넣어 환류에서 5시간동안 40도와 60도에서 각각 반응시켜준다. 반응이 끝난 후 용액의 색은 옅은 노란색이다. 증발장치(evaporator)를 이용하여 용액을 10ml로 농축시키다. 이후 농축된 용액에 2-propanol과 증류수로 반응후 남아있는 여분의 잔류물을 제거하기 위해 여러번 씻어준다. 헹군 후 원심분리기로 최종 분리하고 진공 오븐에서 35도에서 12시간 건조 시킨다. 이와 같은 방법으로 Cd와 S의 몰비(Cd:S = 3:1, 1:1, 1:3, 1:5)를 조절해 가며 실험을 하여 분말을 얻었다. 2 is a method for synthesizing the quantum dot CdS having the positively charged surface described in Example 2. FIG. As shown in FIG. 2, the synthesis of CdS quantum dots was performed as follows. First, 200 ml of distilled water, a solvent, is added with thioacetamide as a raw material of Cd acetate dihydrate and S, and 2-mercaptoethylamine hydrochloride as a raw material for positive charge on the surface, and reacted at 40 and 60 degrees for 5 hours at reflux. After the reaction the color of the solution is light yellow. Concentrate the solution to 10 ml using an evaporator. After washing with 2-propanol and distilled water, the concentrated solution is washed several times to remove excess residue. After rinsing, the separator is finally separated by centrifugation and dried in a vacuum oven at 35 ° C for 12 hours. In this way, the powder was obtained by adjusting the molar ratio of Cd and S (Cd: S = 3: 1, 1: 1, 1: 3, 1: 5).

도 3은 실시예 2에서 합성한 양자점의 분말 X-선 회절(powder X-ray diffraction) 패턴이다. 그림 왼쪽에 그래프는 Cd:S의 몰비를 조절하여 크기를 조절한 패턴이다. (a) 3:1, (b) 1:1, (c) 1:3, 그리고 (d) 1:5 로 합성하여 얻은 XRD 결과는 S의 양이 많아 질수록 보다 샤프한 패턴을 보여줌을 알 수 있다. 이는 양자점 입자의 결정립이 커짐을 나타내준다. 오른쪽 그림은 합성된 양자점의 패턴결과 cubic 결정구조를 가지고 있음을 보여주고 있다. 또한, 도 4는 실시예 2에서 합성한 양자점의 UV-vis 스펙트럼을 보여준다. 크기에 따라 350~450nm 사이의 first exiton 피크가 합성시 S의 양이 많아 질수록 보다 장파장으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 이와같은 크기와 전자의 구조는 quantum confinement effect로 인해 밴드 구조가 변했기 때문이다 사이즈가 작은 (a)로 갈수록 bule shift를 하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 밴드 파장을 이론적으로 계산하여 크기를 예측하여 (a) 2.47, (b) 2.71, (c) 3.58, (d) 3.75nm 크기를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 도 5는 실시예 2에서 합성한 양자점중에서 Cd:S=1:1로 합성한 양자점을 전자투과 현미경(transmission electron microscopy)으로, 그림에서 보는 바와 같이 약 2.6~7nm 크기의 구 모양의 양자점을 확인 할 수 있다. 따라서 도 4의 스펙트럼을 통해 이론적으로 예측한 양자점 크기와 매우 일치함을 알 수 있다. 도 6은 실시예 2에서 얻은 양자점의 사진이다. 왼쪽은 분말로 얻은 영상사진이며 이 분말을 물에 넣었을때 잘 분산되어 있는 것을 확인한 영상 사진이다.3 is a powder X-ray diffraction pattern of the quantum dots synthesized in Example 2. FIG. The graph on the left side of the figure is a pattern adjusted by adjusting the molar ratio of Cd: S. XRD results of (a) 3: 1, (b) 1: 1, (c) 1: 3, and (d) 1: 5 showed sharper patterns as the amount of S increased. have. This indicates that the grains of the quantum dot particles become larger. The figure on the right shows that the pattern of the synthesized quantum dots has cubic crystal structure. In addition, Figure 4 shows the UV-vis spectrum of the quantum dots synthesized in Example 2. Depending on the size, the first exiton peak between 350 and 450 nm is shifted to longer wavelength as the amount of S increases during synthesis. The size and the structure of the former are due to the change in the band structure due to the quantum confinement effect. As the size becomes smaller (a), the bule shift can be seen. In addition, the band wavelengths were theoretically calculated to predict the size, and it was confirmed that they had (a) 2.47, (b) 2.71, (c) 3.58, and (d) 3.75 nm. 5 is a quantum dot synthesized in Example 2 of Cd: S = 1: 1 by transmission electron microscopy (transmission electron microscopy), as shown in the picture confirmed a spherical quantum dot of about 2.6 ~ 7nm size can do. Therefore, the spectrum of FIG. 4 clearly shows that the results closely match the theoretically predicted quantum dot size. 6 is a photograph of a quantum dot obtained in Example 2. FIG. On the left is an image photograph obtained as a powder, which shows that the powder is well dispersed when put in water.

실시예 3(양자점과 박리화된 층상티탄산화물의 혼성화를 통한 나노혼성체 제조)Example 3 (Preparation of nano hybrids through hybridization of quantum dots and exfoliated layered titanium oxide)

상기 실시예 1과 실시예 2에서 각각 얻어진 음전하 표면을 갖는 층상 티탄 산화물 현탁액과 양전하 표면을 갖는 양자점 CdS와 반응하여 나노혼성체를 개발하였다. 우선, 양자점을 증류수에서 마그네틱바와 함께 격렬히 교반을 해 준다. 또 한 중간에 5분정도 초음파를 가해주었다. 교반기에서 잘 분산되어 있는 양자점 콜로이드 용액에 서서히 티탄산화물 현탁액(티탄산화물 현택액의 밀도는 0.1g/L,pH=9)을 뷰렛을 통해 떨어뜨린다. Nanocomposites were developed by reacting a layered titanium oxide suspension having a negatively charged surface and a quantum dot CdS having a positively charged surface, respectively, obtained in Examples 1 and 2, respectively. First, the quantum dot is vigorously stirred with the magnetic bar in distilled water. In addition, the ultrasound was applied for 5 minutes in the middle. Slowly drop a titanium oxide suspension (titanium oxide suspension 0.1g / L, pH = 9) into a quantum dot colloidal solution that is well dispersed in a stirrer through a burette.

이 반응이 끝난후 실온에서 3일 정도 지속적으로 교반을 해준다. 반응 종료 후 반응하지 않고 남은 CdS를 감압기를 통한 필터의 분리와 원심분리기로 분리한 후 에탄올과 물이 50:50 wt.% 인 것으로 여러 번 헹구어준 후 마지막에 물로 다시 헹궈 준다. 마지막으로 원심분리기로 분리한 후 진공 오븐에서 35도에서 건조시켜주어 나노혼성체를 얻었다.   After this reaction is continued, stirring is continued for 3 days at room temperature. After completion of the reaction, CdS remaining without reaction was separated by a filter and a centrifuge through a pressure reducer, and then rinsed several times with 50:50 wt.% Of ethanol and water, and finally rinsed again with water. Finally, the resultant was separated by a centrifuge and dried in a vacuum oven at 35 degrees to obtain a nano hybrid.

도 7은 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 분말 X-선 회절(powder X-ray diffraction) 패턴과 비교 대상인 (a) Cs0.67Ti1.830.17O4 화합물, (b) H0.67Ti1.830.17OH2O, 및 (c) 박리화된 Ti1.83O4 나노시트 콜로이드 이다. 고상합성법으로 합성한 Cs0.67Ti1.830.17O4는 body-centered orthorhombic 단위세포(unit cell)를 가진 것을 확인할 수 있다. 그리고 1M HCl로 산처리한 H0.67Ti1.830.17O4·H2O 경우 (020) 피크가 Cs0.67Ti1.830.17O4보다 좀 더 앞으로 이동한 것을 알 수 있다. 이는 Cs+ 이온과 H3O+의 교환으로 층간 공간이 확장된 것을 나타내며 (020) 피크의 세기가 증가된 것은 (020) 평면 방향으로 강하게 이방성을 나타낸다. (c)는 H0.67Ti1.830.17O4·H2O과 벌키(bulky)한 양이온인 TBA·OH(Tetrabuthylammonium hydroxide)와 강한 교반 으로 얻은 박리화된 층상 티탄산화물 콜로이드의 XRD 결과로서 어떠한 패턴도 보이지 않는데, 이는 박리화로 인해 무질서하게(disorder) 되어 있기 때문이다. 마지막으로 개발된 나노혼성체의 경우 다시 정전기적 인력으로 재결합하여 2차원 구조를 가지며 이에 따라 (010) 피크만 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이때 (010)의 층간거리는 약 1.44 nm 이며 티타네이트 한층의 거리가 약 ~0.7nm인 것을 고려할 때 층사이의 거리 즉 gallery height는 약 0.74nm이다. 따라서 합성당시 사용한 양자점의 크기는 약 2.7-3.0nm 이지만 생성당시 1nm 이하의 양자점만이 층간 삽입에 참여한 것으로 판단된다.7 is (a) Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 compound, (b) H 0.67 Ti 1.830.17 , which is compared with the powder X-ray diffraction pattern of the nanocomposite obtained in Example 3 O 4 H 2 O, and (c) exfoliated Ti 1.83 O 4 nanosheet colloid. Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 synthesized by the solid phase synthesis method can be confirmed to have a body-centered orthorhombic unit cell. In addition, in the case of H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O acid treated with 1M HCl, the (020) peak moved more forward than Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 . This indicates that the interlayer space is expanded by the exchange of Cs + ions with H 3 O + , and the increase in intensity of the (020) peak is strongly anisotropic in the (020) plane direction. (c) shows no pattern as XRD result of exfoliated layered titanium oxide colloid obtained by strong stirring with H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 H 2 O and bulky cation TBA.OH (Tetrabuthylammonium hydroxide) It is not visible because it is disordered due to delamination. Finally, the developed nano hybrids were recombined with electrostatic attraction to have a two-dimensional structure, and accordingly, only the (010) peak could be seen. At this time, the interlayer distance of (010) is about 1.44 nm and the distance between the layers, that is, the gallery height is about 0.74 nm, considering that the distance of the titanate layer is about ˜0.7 nm. Therefore, the size of quantum dots used at the time of synthesis is about 2.7-3.0nm, but only quantum dots of less than 1nm at the time of generation was considered to participate in interlayer insertion.

도 8은 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 열 중력 분석기(thermogravimetric analysis)로 열 온도에 따른 무게 감소를 나타낸 그래프이다. 총 3개의 단계로 분해를 하는데 약 130도 까지는 표면의 물이 증발하여 감소된 단계이며, 130도에서400도에서는 표면에 있는 -OH 그룹과 일부 서정의 유기물이 산화되어 감소된 단계이다. 마지막으로 500도에서의 급격한 감소는 층상 티탄산화물의 결정이 다른 구조로 변형되어 나타난 단계이다. 또한, 도 9는 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 형태를 측정한 전자투과 현미경(transmission electron microscopy)의 영상이다. (a)는 혼성후 단면을 측정한 영상이다. 검은색 라인은 층상 티탄산화물을 나타내며 층과 층 사이에 양자점이 있다. 또한 층층히 잘 배열되어 재결합 것을 확인 할 수 있다. (b)의 영상은 위에서 찍은 영상으로 넓은 판 은 층상 티탄산화물이며 그 안에 작고 구의 형태를 가진 양자점이 분포한 것을 볼 수 있다.FIG. 8 is a graph showing weight loss with thermal temperature by a thermogravimetric analysis of a nano hybrid obtained in Example 3. FIG. Decomposition is carried out in three stages, which is reduced by evaporation of water on the surface up to about 130 degrees, and is reduced by oxidation of -OH groups and some lyric organic matter on the surface at 130 degrees and 400 degrees. Finally, the sharp decrease at 500 degrees is a step in which the crystal of the layered titanium oxide is transformed into another structure. In addition, Figure 9 is an image of a transmission electron microscopy (transmission electron microscopy) measuring the shape of the nano-hybrid obtained in Example 3. (a) is an image of the cross section after hybridization. Black lines represent layered titanium oxide with quantum dots between layers. It can also be seen that the layers are well aligned and recombined. The image of (b) is the image taken from above, and the wide plate is a layered titanium oxide, in which small, spherical quantum dots are distributed.

도 10은 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 정성적 및 정량적 원소를 분석하기 위해 측정한 에너지 분산 X-ray 분광법(energy dispersive x-ray spectroscopy) 스펙트럼이다. 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 경우 Ti, Cd, S 가 잘 존재함을 알 수 있다. 또한 정량적 결과 Cd와 S가 1:1로 있는 것을 확인 할 수 있다.FIG. 10 is an energy dispersive x-ray spectroscopy spectrum measured to analyze qualitative and quantitative elements of the nanocomposite obtained in Example 3. FIG. As can be seen in Figure 10, in the case of the nano- hybrid obtained in Example 3 it can be seen that the presence of Ti, Cd, S well. In addition, it can be confirmed that the quantitative results of Cd and S are 1: 1.

도 11은 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 성분의 분포도를 확인하기 위한 EDS 전자 맵핑 (energy dispersive x-ray spectroscopy-electron mapping) 스캔 사진이다. 스캔할 결과 Ti과 Cd, S, C과 골고루 분포되어 있음을 알 수 있다. FIG. 11 is an EDS electron mapping (energy dispersive x-ray spectroscopy-electron mapping) scan to confirm the distribution of components of the nanocomposite obtained in Example 3. FIG. The scan results show that Ti and Cd, S, and C are evenly distributed.

도 12는 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 전자 밴드구조를 보여주는 diffuse reflectance UV-vis 스펙트럼이다. 대조군인 혼성화하기 전 산처리된 층상 티탄산화물의 경우 약 3.4 eV의 밴드 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 이는 자외선영역의 흡수 대역이다. 또한 CdS (1:1로 제조된 것)의 경우약 ~3.2 eV의 전자 밴드구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 두 물질이 혼성화후 약 2.7~2.8eV의 전자 밴드구조를 가지고 있음을 확인되었다. 이는 두 물질이 혼성화를 통해 새로운 밴드구조로 개질되어 자외선 뿐 아니라 가시광 영역의 빛도 흡수함을 알 수 있다.12 is a diffuse reflectance UV-vis spectrum showing the electron band structure of the nano hybrid obtained in Example 3. FIG. It can be seen that the acid-treated layered titanium oxide, which is a control group, has a band structure of about 3.4 eV. This is the absorption band in the ultraviolet region. In addition, it was confirmed that the CdS (manufactured with 1: 1) has an electron band structure of about ˜3.2 eV. However, the two materials were found to have an electronic band structure of about 2.7 ~ 2.8 eV after hybridization. It can be seen that the two materials are modified into a new band structure through hybridization to absorb not only ultraviolet light but also light in the visible light region.

도 13은 실시예 3에서 얻은 나노혼성체의 혼성화 하기 전과 후의 비표면적 크기를 보여주는 질소 흡착 그래프이다. 출발물질인 Cs0.67Ti1.830.17O4의 경우 비표면적이 거의 1 m2/g의 작은 값을 보였다. 또한 산처리된 층상 티탄산화물 H0.67Ti1.830.17OH2O 경우도 약 ~10 m2/g의 값을 나타내었다. 그러나 혼성화후 약 126.70 m2/g의 매우 확장된 표면적을 보여주었다. 따라서 출발물질에 비해 약 100배 이상의 표면적 증가를 보여주었다. 또한 이력곡선(hysteresis loop)의 초반 상대 압력에서 강한 질소 흡착량이 관찰된 결과 물질에 다량의 마이크로 기공이 존재함을 알수 있다. 또한 흡착곡선을 이용하여 BJH 방법으로 메조 기공을 분석한 결과 약 3~4nm의 메조기공이 분포되어 있는 것을 확인하였다. 이로서 혼성화전에 없었던 기공들이 혼성화후 다량의 기공의 형성으로 비표면 증가에 매우 기여함을 알 수 있다. 이로써 마이크로 기공은 평균적(i.e 0.3 nm < 1.5 nm)으로 작은 크기를 갖는 양자점이 층상 티탄산화물의 층간에 삽입되어 발생한 것과 여러 결정립사이의 마이크로 기공에서 발생한 것이며, 메조기공(i.e 3 nm < 기공 < 7 nm)은 티탄산화물끼리의 결정립(grain boundary)사이에 양자점이 삽입되어 마치 3차원 카드집 형태(house of cards form)가 발생한 경우로 판단되다.13 is a nitrogen adsorption graph showing the specific surface area size before and after hybridization of the nanohybrids obtained in Example 3. FIG. In the case of the starting material Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 , the specific surface area showed a small value of almost 1 m 2 / g. In addition, the acid-treated layered titanium oxide H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O also showed a value of about ~ 10 m 2 / g. However, after hybridization, it showed a very extended surface area of about 126.70 m 2 / g. Therefore, it showed about 100 times more surface area increase than the starting material. In addition, strong nitrogen adsorption was observed at the initial relative pressure of the hysteresis loop, indicating that a large amount of micropores exist in the material. In addition, as a result of analyzing mesopores by the BJH method using the adsorption curve, it was confirmed that mesopores of about 3-4 nm were distributed. As a result, the pores that did not exist before the hybridization can be seen that the formation of a large amount of pores after the hybridization contributes to the increase of the specific surface. As a result, micropores are generated by inserting interlayers of layered titanium oxide into small layers of average size (ie 0.3 nm <1.5 nm) and micropores between various grains, and mesopores (ie 3 nm <pores <7 nm) is considered to be a case where a three-dimensional house of cards form is generated by inserting quantum dots between grain boundaries of titanium oxides.

앞에서 설명된 본 발명의 일실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.An embodiment of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can modify and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 나노혼성체 제조과정을 도식화한 이해도1 is a diagram illustrating the manufacturing process of the nano-hybrid of the present invention

도 2는 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 표면이 양전하로 된 CdS 양자점을 준비하기 위한 합성 순서를 도시한 흐름도FIG. 2 is a flow chart showing a synthesis sequence for preparing CdS quantum dots with a surface prepared according to Example 2 of the present invention.

도 3는 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 양전하 표면을 갖는 양자점 CdS의 분말 X-선 회절(powder X-ray diffraction) 측정 그래프3 is a powder X-ray diffraction graph of quantum dot CdS having a positively charged surface prepared according to Example 2 of the present invention.

도 4은 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 Cd 과 S의 농도별로 합성한 양자점 CdS의 UV-vis 스펙트럼. 4 is a UV-vis spectrum of the quantum dot CdS synthesized for each concentration of Cd and S prepared according to Example 2 of the present invention.

도 5는 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 양자점 CdS의 형태를 측정한 전자투과 현미경(transmission electron microscopy)의 영상 사진과 그에 해당하는 삽화.FIG. 5 is a photograph of a transmission electron microscopy measuring the shape of the quantum dot CdS prepared according to Example 2 of the present invention and the corresponding illustration.

도 6는 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 양자점의 영상사진6 is an image photograph of a quantum dot prepared according to Example 2 of the present invention

도 7은 본 발명에 관한 실시예 3에 따라 제조된 나노혼성체에 대한 분말 X-선 회절(powder X-ray diffraction) 측정 그래프이다. (a)는 출발물질인 층상 티탄산화물 Cs0.67Ti1.830.17O4이며, (b)는 산처리된 층상 티탄산화물 H0.67Ti1.830.17OH2O, (c) 박리화된 층상 티탄산화물 콜로이드, (d) 양전하표면을 갖는 양자점과 음전화 표면을 갖는 티탄산화물 콜로이드로 재결합하여 합성한 나노혼성체.FIG. 7 is a powder X-ray diffraction measurement graph for a nano hybrid prepared according to Example 3 of the present invention. FIG. (a) is the starting layered layered titanium oxide Cs 0.67 Ti 1.830.17 O 4 , (b) is the acid-treated layered titanium oxide H 0.67 Ti 1.830.17 O 4 · H 2 O, (c) exfoliated layered Titanium oxide colloid, (d) A nanocomposite synthesized by recombination with a quantum dot having a positively charged surface and a titanium oxide colloid having a negatively charged surface.

도 8은 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 나노혼성체의 제조된 생성물의 열 중력 분석기(thermogravimetric analysis)로 열 온도에 따른 무게 감소를 나 타낸 그래프. Figure 8 is a graph showing the weight loss with thermal temperature by the thermogravimetric analysis (thermogravimetric analysis) of the prepared product of the nano hybrid prepared according to Example 2 of the present invention.

도 9은 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 나노혼성체의 형태를 측정한 전자투과 현미경(transmission electron microscopy)의 영상 사진이다. (a)는 단면사진이며 (b)는 위에서 측정한 사진.FIG. 9 is an image photograph of a transmission electron microscopy measuring the shape of a nano hybrid prepared according to Example 2 of the present invention. (a) is a cross-sectional photograph and (b) is a photograph measured from above.

도 10는 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 나노혼성체의 정성적 및 정량적 원소를 분석하기 위해 측정한 에너지 분산 X-ray 분광법(energy dispersive x-ray spectroscopy) 스펙트럼.FIG. 10 is an energy dispersive x-ray spectroscopy spectrum measured to analyze qualitative and quantitative elements of a nanocomposite prepared according to Example 2 of the present invention. FIG.

도 11은 본 발명에 관한 실시예 2에 따라 제조된 나노혼성체의 성분의 분포도를 확인하기 위한 EDS 전자 맵핑 (energy dispersive x-ray spectroscopy-electron mapping) 사진11 is an EDS electron mapping (energy dispersive x-ray spectroscopy-electron mapping) photograph for confirming the distribution of the components of the nanocomposite prepared according to Example 2 of the present invention.

도 12은 혼성화 하기 전과 후의 전자 밴드구조를 보여주는 diffuse reflectance UV-vis 스펙트럼12 is a diffuse reflectance UV-vis spectrum showing the electronic band structure before and after hybridization.

도 13은 혼성화 하기 전과 후의 비표면적 크기를 보여주는 질소 흡착 그래프13 is a nitrogen adsorption plot showing the specific surface area size before and after hybridization

Claims (5)

표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽입되어 형성되며,CdS quantum dots are inserted between the titanium oxides by reacting titanium oxide having a two-dimensional sheet-like structure having surface negative charges with CdS quantum dots having positive charges, 상기 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 가지며 상기 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조 내부 공간에 평균 0.1 내지 1,000 nm 범위의 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 나노혼성체. The titanium oxide of the two-dimensional sheet structure is gathered to have a three-dimensional structure in the form of a layer structure or a card house, and the average pore of 0.1 to 1,000 nm is formed in the inner space of the three-dimensional structure of the layer structure or a card house form. Nano hybrids characterized by. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 CdS 양자점은 Cd:S의 비율이 몰비로 1:0.1 내지 10 범위로 조절되어 제조된 것임을 특징으로 하는 나노혼성체. The CdS quantum dot is a nano-hybrid, characterized in that the Cd: S ratio is prepared by adjusting the range of 1: 0.1 to 10 in molar ratio. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 CdS 양자점은 0.2 내지 10 nm 범위의 크기인 것을 특징으로 하는 나노혼성체. The CdS quantum dots are nano-hybrid, characterized in that the size in the range of 0.2 to 10 nm. ⅰ)화학식 Hx/4Ti2-x/4x/4O4 로 표현되고 표면음전하를 갖는 2차원 시트상 구조의 티탄산화물을 제조하는 단계(상기 화학식 중 "□"는 vacancy를 의미하고, x/4는 0.67 내지 0.73) 및;Iii) preparing a titanium oxide having a two-dimensional sheet structure having the surface negative charge represented by the formula H x / 4 Ti 2-x / 4x / 4 O 4 (wherein “□” denotes vacancy and , x / 4 is 0.67 to 0.73); ⅱ)상기 티탄산화물과 양전하를 갖는 CdS 양자점을 반응시켜 이온결합 형태로 상기 티탄산화물 사이에 CdS 양자점이 삽입되도록 하여 2차원 시트상 구조의 티탄산화물이 모여 층상구조 또는 카드집 형태의 3차원적 구조를 갖도록 하는 단계를 포함하는 나노혼성체 제조방법. Ii) CdS quantum dots having positive charges react with the titanium oxide to allow CdS quantum dots to be inserted between the titanium oxides in the form of ionic bonds so that titanium oxides having a two-dimensional sheet structure are gathered to form a layered or card house type three-dimensional structure. Nanocomposite manufacturing method comprising the step of having a. 제4항에 있어서,5. The method of claim 4, 상기 CdS 양자점은 Cd:S의 비율이 몰비로 1:0.1 내지 10 범위로 조절되어 제조된 것임을 특징으로 하는 나노혼성체 제조방법. The CdS quantum dot is a nano-hybrid manufacturing method, characterized in that the Cd: S ratio is prepared by adjusting the range of 1: 0.1 to 10 in molar ratio.
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