KR101166365B1 - Fabrication method for continuous preparing metal nanoparticle and metal nanoparticle prepared thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 나노 입자의 제조 방법에 관한 것으로서, (a) 알코올에 금속 전구체를 용해시킨 금속 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 금속 전구체 용액을 초임계 조건의 반응기에 연속적으로 도입하여 금속 나노 입자를 생성시키는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어지는 용액을 냉각시키는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻어지는 용액으로부터 금속 나노 입자를 분리 및 회수하는 단계;를 포함하는 금속 나노 입자의 연속 제조 방법과, 이에 의하여 제조되는 금속 나노 입자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles, comprising the steps of: (a) preparing a metal precursor solution in which a metal precursor is dissolved in alcohol; (b) continuously introducing the metal precursor solution into a reactor in supercritical conditions to produce metal nanoparticles; (c) cooling the solution obtained in step (b); And (d) separating and recovering the metal nanoparticles from the solution obtained in step (c). The present invention relates to a method for continuously preparing metal nanoparticles, and metal nanoparticles prepared thereby.

금속 나노 입자, 알코올 용매, 초임계 조건, 연속공정 Metal nanoparticles, alcohol solvents, supercritical conditions, continuous process

Description

금속 나노 입자의 연속 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 금속 나노 입자{FABRICATION METHOD FOR CONTINUOUS PREPARING METAL NANOPARTICLE AND METAL NANOPARTICLE PREPARED THEREBY}Continuous production method of metal nanoparticles and metal nanoparticles produced by the above method {FABRICATION METHOD FOR CONTINUOUS PREPARING METAL NANOPARTICLE AND METAL NANOPARTICLE PREPARED THEREBY}

본 발명은 입자의 크기가 균일한 금속 나노 입자를 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 금속 나노 입자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 알코올을 용매로 하고 연속 공정에 의하는 것을 특징으로 하는 금속 나노 입자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles having a uniform particle size, and to metal nanoparticles prepared by the above method, and more particularly, to metal nanoparticles characterized in that the solvent is used in a continuous process. It relates to a method for producing the particles.

금속 나노 입자는 벌크 (bulk) 입자와는 다른 독특한 광학적, 자기적, 전기적, 화학적 특성으로 인하여, 전자 부품, 촉매, 도료, 센서, 항균제, 살균제, 콘덴서, 페인트, 잉크, 마그네틱 테이프, 전자파 흡수제, 의료재료 등 다양한 산업 분야에서 응용이 기대되며, 최근 그 중요성이 급속히 증가하고 있다. Metal nanoparticles, due to their unique optical, magnetic, electrical and chemical properties, differ from bulk particles, they can be used for electronic components, catalysts, paints, sensors, antimicrobials, fungicides, capacitors, paints, inks, magnetic tapes, electromagnetic wave absorbers, Applications are expected in a variety of industries, such as medical materials, the importance of which is increasing rapidly in recent years.

일반적으로 금속 나노 입자를 제조하는 방법은 크게 물리적 제조법과 화학적 제조법으로 나눌 수 있다.In general, a method of manufacturing metal nanoparticles can be roughly divided into physical and chemical methods.

먼저, 물리적 제조법으로는 진공 또는 저압 분위기에서 대상 금속을 가열하여 가스로 만든 후 이를 냉각, 응축시켜 금속 나노 입자를 제조하는 가스증발-응축 법, 금속을 용융시킨 후 스프레이를 이용하여 기체로 분산시켜 나노입자를 제조하는 오토마이즈 (automize)법, 볼 밀링 (ball milling) 등을 사용한 기계적 분쇄법 등이 있다. 이 중 가스증발-응축법 및 오토마이즈법은 높은 순도를 가진 균일한 크기의 금속 나노 입자를 제조할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고 장치의 구성의 복잡성, 낮은 수율과 낮은 생산 속도, 고에너지 소비, 높은 생산 가격 등으로 인하여 비경제적이고, 대량생산에 부적합한 문제가 있다. 한편, 기계적 분쇄법은 공업적인 대량생산에는 적합하지만, 공정상 분순물이 혼입되기 쉬워서 고순도의 입자를 제조하기가 어렵고, 기계 정밀도의 한계로 나노 크기의 균일한 입자를 제조하기가 어려운 문제점이 있다.First, the physical manufacturing method is a gas evaporation-condensation method of heating the target metal in a vacuum or low pressure atmosphere to form a gas, then cooling and condensing it to produce metal nanoparticles, melting the metal and then dispersed in a gas using a spray There are an automated method for producing nanoparticles, a mechanical grinding method using ball milling, and the like. Among them, the gas evaporation-condensation method and the automating method have advantages of manufacturing uniformly sized metal nanoparticles with high purity, but the complexity of the device configuration, low yield and low production rate, high energy consumption, It is uneconomical due to high production price and is not suitable for mass production. On the other hand, the mechanical grinding method is suitable for industrial mass production, but it is difficult to produce high-purity particles due to the incorporation of impurities in the process, and it is difficult to produce uniform particles of nano size due to the limitation of mechanical precision. .

화학적 제조법의 경우에는, 금속 염화물의 증기를 수소나 일산화탄소 등으로 환원시키는 기상환원법, 유기용매 또는 수용액 상에서 환원제를 사용하여 금속 전구체를 환원시켜 입자를 형성하는 액상환원법, 용액 중의 금속 이온에 금속 전극봉을 통해 직류 또는 교류 전류를 가함으로써, 용액 중의 이온을 환원시켜 금속 나노입자를 제조하는 전기분해법 등이 있다. 이 중 기상환원법은 플라즈마 또는 화학기상 증발 장치 등의 고가의 장치가 요구되는 단점이 있고, 액상환원법은 공정은 비교적 간단하지만, 하이드라진, 포름산, 보론 화합물 (NaBH4, LiBH4, KBH4) 등 매우 유독한 환원제 및 유기 용매를 사용하기 때문에 제조된 금속 나노입자를, 화장품, 의약품, 생체투여물 등에 적용하기 위해서는 후처리 과정 등에 많은 시간과 비용이 소요되므로 비경제적이고, 또한 다량의 유기 폐액을 발생시키게 되므로 비환경적이 라는 문제점이 있다. 또한 대량 생산을 위하여 배치 (batch)형 반응기의 부피를 크게 하였을 때 반응기 내부 온도 또는 전구체 내부 온도가 불균일하게 되어 제조된 나노 입자의 입도분포가 매우 불균일한 문제점이 있다. 한편, 전기분해법은 제조 시간이 길고, 농도가 낮아 생산성이 매우 낮고, 황산 등의 강산을 사용하기 때문에 폐수 처리에 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있다. In the case of the chemical preparation method, a vapor phase reduction method for reducing steam of metal chlorides to hydrogen or carbon monoxide, a liquid phase reduction method for forming particles by reducing a metal precursor using a reducing agent in an organic solvent or an aqueous solution, and a metal electrode rod in a metal ion in a solution By applying a direct current or an alternating current through, an electrolysis method for producing metal nanoparticles by reducing ions in a solution. Among these, the gas phase reduction method requires a costly device such as a plasma or chemical vapor evaporation device. The liquid phase reduction method is relatively simple, but the hydrazine, formic acid, boron compounds (NaBH 4 , LiBH 4 , KBH 4 ), etc. Because of the use of toxic reducing agents and organic solvents, the application of the prepared metal nanoparticles to cosmetics, medicines, biodoses, etc. requires a great deal of time and money in post-treatment processes, resulting in a large amount of organic waste. Therefore, there is a problem of being non-environmental. In addition, when the volume of the batch reactor is increased for mass production, there is a problem that the particle size distribution of the manufactured nanoparticles is very uneven because the temperature inside the reactor or the temperature inside the precursor becomes uneven. On the other hand, the electrolysis method has a problem in that the production time is long, the concentration is low, the productivity is very low, and the waste water treatment is expensive because of the use of strong acids such as sulfuric acid.

따라서, 고가이고 유독한 환원제나 강산을 사용하지 않고, 간단한 장치를 사용하여 빠른 속도 및 높은 수율로 균일한 금속 나노 입자를 연속으로 제조할 수 있는 공정의 개발이 절실히 요구된다.Therefore, there is an urgent need to develop a process that can continuously produce uniform metal nanoparticles at high speed and high yield using a simple apparatus without using expensive and toxic reducing agents or strong acids.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 극복하기 위하여, 고가의 유독성 환원제, 유기용매 또는 강산의 사용을 지양하고, 초임계 유체를 이용한 연속 반응장치를 구성하여 빠른 속도로 균일한 크기의 고순도 금속 나노 입자를 연속적으로 제조하는 방법 및 입자의 크기가 균일한 고순도 금속 나노 입자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to avoid the use of expensive toxic reducing agents, organic solvents or strong acids in order to overcome the above-mentioned problems, and to form a continuous reactor using a supercritical fluid, high purity metal nanoparticles of uniform size at high speed It is to provide a high-purity metal nanoparticles having a uniform method of producing and uniform particle size.

이러한 목적들은 (a) 알코올에 금속 전구체를 용해시킨 금속 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 금속 전구체 용액을 초임계 조건의 반응기에 연속적으로 도입하여 금속 나노 입자를 생성시키는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어지는 용액을 냉각시키는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻어지는 용액으로부터 금속 나노 입자를 분리 및 회수하는 단계;를 포함하는 금속 나노 입자의 연속 제조 방법 및 상기의 방법에 의하여 제조되는, 직경이 1nm 내지 500nm이고, Cu, Ni, Ag, Au, Ru, Rh, Pd 및 Pt으로 구성된 군에서 1종 이상 선택되는 금속을 포함하는 금속 나노 입자에 의하여 달성될 수 있다.These objects include (a) preparing a metal precursor solution in which the metal precursor is dissolved in alcohol; (b) continuously introducing the metal precursor solution into a reactor in supercritical conditions to produce metal nanoparticles; (c) cooling the solution obtained in step (b); And (d) separating and recovering the metal nanoparticles from the solution obtained in the step (c); and the method for producing the metal nanoparticles, which is prepared by the above method, has a diameter of 1 nm to 500 nm, and Cu , Ni, Ag, Au, Ru, Rh, Pd and Pt can be achieved by a metal nanoparticle comprising a metal selected from at least one member.

본 발명에 의하면, 초임계 유체를 용매 및 환원제로 사용함으로써, 고가이면서 유독한 환원제 및 강산을 사용하지 않기 때문에 경제적이고 환경친화적이고, 연속 제조 방법을 사용하기 때문에 물성이 균일한 생성물을 얻을 수 있으며, 장치의 구성이 비교적 간단하여 장치비 및 운전비가 저렴하고, 대량 생산이 용이하고, 금 속 나노 입자가 빠른 속도로 제조되기 때문에 경제적이고, 여러 종류의 금속 나노 입자를 생성시킬 수 있다는 장점이 있다. According to the present invention, by using a supercritical fluid as a solvent and a reducing agent, it is economical and environmentally friendly because it does not use expensive and toxic reducing agents and strong acids, and it is possible to obtain a product having uniform physical properties because of the continuous production method. Because of the relatively simple configuration of the device, the device cost and operation cost are low, mass production is easy, and since the metal nanoparticles are manufactured at a high speed, they are economical and can produce various kinds of metal nanoparticles.

본 발명의 금속 나노 입자의 제조 방법은 (a) 알코올에 금속 전구체를 용해시킨 금속 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 금속 전구체 용액을 초임계 조건의 반응기에 연속적으로 도입하여 금속 나노 입자를 생성시키는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어지는 용액을 냉각시키는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 얻어지는 용액으로부터 금속 나노 입자를 분리 및 회수하는 단계를 포함하여 이루어진다. 또한 단계 (d) 이후에, (e) 금속 나노 입자를 세척 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. Method for producing a metal nanoparticle of the present invention comprises the steps of (a) preparing a metal precursor solution in which a metal precursor is dissolved in alcohol; (b) continuously introducing the metal precursor solution into a reactor in supercritical conditions to produce metal nanoparticles; (c) cooling the solution obtained in step (b); And (d) separating and recovering the metal nanoparticles from the solution obtained in step (c). In addition, after step (d), (e) may further comprise the step of washing and drying the metal nanoparticles.

상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 펜탄올로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것일 수 있다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니지만, 탄소 수가 1개 내지 5개 범위인 알코올이 특히 좋다. 이는 탄소 수가 상기 범위를 넘는 6개 이상인 알코올인 경우에는 입자 전구체의 용해도가 현저하게 감소할 수 있기 때문이다.The alcohol may be one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol and pentanol. Although the present invention is not limited thereto, alcohols having 1 to 5 carbon atoms are particularly preferred. This is because the solubility of the particle precursor can be remarkably reduced in the case of alcohol having 6 or more carbon atoms exceeding the above range.

상기 금속 전구체는 Cu, Ni, Ag, Au, Ru, Rh, Pd 및 Pt으로 구성된 군에서 1종 이상 선택되는 금속의 화합물 또는 상기 금속의 염일 수 있다. The metal precursor may be a compound of at least one metal selected from the group consisting of Cu, Ni, Ag, Au, Ru, Rh, Pd and Pt or a salt of the metal.

이러한 금속 전구체의 예는, Cu(NO3)2, CuSO4, Ni(NO3)2, NiSO4, AgNO3, Ag2SO4, Ru(NO3)3, Ru2(SO4)3, Rh(NO3)3, H3RhCl6, RhPO4, Rh2(SO4)3, Pd(NO3)2, Pd(NH3)4Cl2, Pd(NH3)2Cl2, H2PdCl6, Pt(NO3)2, H2PtCl6, K2PtCl4, Pt(NH3)2(NO2)2, Pt(NH3)6Cl4, Pt(NH3)4Cl4, HAuCl4 및 Na3Au(SO3)2으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 알코올에 용해 가능한 것이면 본 발명의 금속 전구체로 사용 가능하다. Examples of such metal precursors include Cu (NO 3 ) 2 , CuSO 4 , Ni (NO 3 ) 2 , NiSO 4 , AgNO 3 , Ag 2 SO 4 , Ru (NO 3 ) 3 , Ru 2 (SO 4 ) 3 , Rh (NO 3 ) 3 , H 3 RhCl 6 , RhPO 4 , Rh 2 (SO 4 ) 3 , Pd (NO 3 ) 2 , Pd (NH 3 ) 4 Cl 2 , Pd (NH 3 ) 2 Cl 2 , H 2 PdCl 6 , Pt (NO 3 ) 2 , H 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 4 , Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 , Pt (NH 3 ) 6 Cl 4 , Pt (NH 3 ) 4 Cl 4 , It may be any one selected from the group consisting of HAuCl 4 and Na 3 Au (SO 3 ) 2 . However, the present invention is not limited thereto and may be used as the metal precursor of the present invention as long as it can be dissolved in alcohol.

금속 전구체를 알코올 용매에 용해시켜 만드는 용액의 농도는 0.001 몰/ℓ 내지 1 몰/ℓ일 수 있고, 바람직하게는 0.01몰/ℓ 내지 0.5몰/ℓ일 수 있다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니지만, 금속 전구체의 농도가 상기 범위를 벗어나 0.001몰/ℓ 미만인 경우에는 농도가 너무 희박하여 생산성이 낮아 경제성이 악화될 수 있고, 금속 전구체의 농도가 1몰/ℓ를 초과하는 경우에는 농도가 너무 진하여 제조되는 나노 입자의 크기가 너무 커지거나, 균일도가 악화되어 품질이 저하될 수 있기 때문이다.The concentration of the solution prepared by dissolving the metal precursor in an alcohol solvent may be 0.001 mol / l to 1 mol / l, and preferably 0.01 mol / l to 0.5 mol / l. Although the present invention is not limited thereto, when the concentration of the metal precursor is less than 0.001 mol / l outside the above range, the concentration may be too lean to deteriorate the economic efficiency, and the concentration of the metal precursor may be 1 mol / l. If it exceeds, the concentration is too high because the size of the nanoparticles produced is too large, or the uniformity may deteriorate and the quality may be degraded.

한편, 단계 (b)의 상기 초임계 조건은 반응 온도는 200℃ 내지 600℃이고, 반응 압력은 20bar 내지 500bar일 수 있고, 바람직하게는 반응 온도는 250℃ 내지 400℃이고, 반응 압력은 50bar 내지 500bar일 수 있다. 반응 온도가 200℃ 미만이거나 반응 압력이 20bar 미만일 경우 제조되는 금속 나노 입자의 크기가 커지고 입자 크기 분포가 넓어지며 결정성이 감소되는 문제점이 있고, 반응 온도가 600℃를 초과하거나, 반응 압력이 500bar를 초과하는 경우 고온 고압을 유지시켜야 하기 때문에 경제성이 낮아지는 문제가 있기 때문이다.On the other hand, the supercritical conditions of step (b) is the reaction temperature is 200 ℃ to 600 ℃, the reaction pressure may be 20 bar to 500 bar, preferably the reaction temperature is 250 ℃ to 400 ℃, the reaction pressure is 50 bar to It can be 500 bar. If the reaction temperature is less than 200 ℃ or the reaction pressure is less than 20bar there is a problem that the size of the metal nanoparticles to be produced, the particle size distribution is widened and the crystallinity is reduced, the reaction temperature exceeds 600 ℃, or the reaction pressure is 500bar This is because there is a problem in that economic efficiency is lowered because it must maintain a high temperature and high pressure.

단계 (b)의 반응 시간은 5초 내지 10분, 바람직하게는 10초 내지 5분일 수 있다. 반응 시간이 5초 미만인 경우에는 결정성 및 순도가 감소되고, 반응 시간이 10분을 초과하는 경우에는 나노 입자의 크기가 과도하게 커지고 입자 크기 균일도가 커지는 문제점이 있다.The reaction time of step (b) may be 5 seconds to 10 minutes, preferably 10 seconds to 5 minutes. If the reaction time is less than 5 seconds, the crystallinity and purity is reduced, if the reaction time exceeds 10 minutes there is a problem that the size of the nanoparticles is excessively large and the particle size uniformity is large.

한편, 단계 (c)의 냉각은 열교환기 등 일반적인 냉각 장치를 활용할 수 있으며, 50℃ 이하의 물을 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, the cooling of step (c) may utilize a general cooling device such as a heat exchanger, it is preferable to use water of 50 ℃ or less.

또한, 단계 (d)의 상기 분리는 여과 또는 원심분리에 의할 수 있다. 목적하는 금속 나노 입자의 크기에 따라 필터의 기공 크기를 선택하여 고른 분포의 금속 나노 입자를 얻을 수 있다. 또한 원심 분리기를 사용하여 용액으로부터 금속 나노 입자를 얻을 수도 있다.In addition, the separation of step (d) may be by filtration or centrifugation. The pore size of the filter may be selected according to the size of the desired metal nanoparticles to obtain even distribution of the metal nanoparticles. It is also possible to obtain metal nanoparticles from solution using a centrifuge.

단계 (d)에서 얻는 금속 나노 입자의 직경은 1nm 내지 500nm, 바람직하게는 3nm 내지 250nm, 더욱 바람직하게는 5nm 내지 100nm일 수 있다. 이는 금속의 종류에 의하여 달라질 수 있고, 기타 공정 변수에 의하여도 달라질 수 있다.The diameter of the metal nanoparticles obtained in step (d) may be 1 nm to 500 nm, preferably 3 nm to 250 nm, more preferably 5 nm to 100 nm. This may vary with the type of metal and may vary with other process variables.

단계 (e)에서 세척은 물 또는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 유기 용매를 이용할 수 있고, 건조는 진공 건조, 오븐 건조 또는 냉동 건조일 수 있다.The washing in step (e) may use water or an organic solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, acetone and tetrahydrofuran, and the drying may be vacuum drying, oven drying or freeze drying.

또한, 본 발명은 상술한 금속 나노 입자의 제조 방법에 의하여 형성된 직경이 1nm 내지 500nm이고, Cu, Ni, Ag, Au, Ru, Rh, Pd 및 Pt으로 구성된 군에서 1종 이상 선택되는 금속을 포함하는 금속 나노 입자에 관한 것이다. 금속 나노 입자의 직경은 1nm 내지 500nm, 바람직하게는 3nm 내지 250nm, 더욱 바람직하게는 5nm 내 지 100nm일 수 있는데, 금속 나노 입자의 직경이 500nm를 초과하는 경우에는 자기적, 광학적, 화학적 및 촉매적 특성 등 나노 크기의 금속 미립자가 갖는 성질이 크게 저하되고, 분산성이 저하되기 때문이다. 또한, 입자의 직경이 1nm 미만일 경우에는 제조된 입자를 다루기 힘들뿐 아니라 입자간 응집력 증가로 인하여 분산성이 저하될 수 있기 때문이다.In addition, the present invention includes a metal formed by the above-described method for producing metal nanoparticles having a diameter of 1 nm to 500 nm and at least one metal selected from the group consisting of Cu, Ni, Ag, Au, Ru, Rh, Pd, and Pt. The present invention relates to metal nanoparticles. The diameter of the metal nanoparticles may be 1 nm to 500 nm, preferably 3 nm to 250 nm, more preferably 5 nm to 100 nm. If the diameter of the metal nanoparticles exceeds 500 nm, magnetic, optical, chemical and catalytic This is because the properties of metal-sized particles of nano size, such as properties, are greatly reduced and dispersibility is reduced. In addition, when the diameter of the particle is less than 1nm, not only the prepared particles are difficult to handle, but also the dispersibility may decrease due to the increase of cohesion between particles.

도 1은 본 발명의 금속 나노 입자의 연속 제조에 사용되는 초임계 유체 실험 장치를 나타낸 개략도이다. 본 장치는 고압 반응기 (10), 고압 펌프 (70,71), 히터 (30,31), 예열기 (20), 필터 (50), 후방 압력 조절기 (60), 금속 전구체 용액 저장 용기 (80) 및 알코올 저장 용기 (81)를 포함하여 구성된다.1 is a schematic diagram showing a supercritical fluid testing apparatus used for the continuous production of metal nanoparticles of the present invention. The apparatus includes a high pressure reactor (10), a high pressure pump (70, 71), a heater (30, 31), a preheater (20), a filter (50), a rear pressure regulator (60), a metal precursor solution storage container (80), and And an alcohol storage container 81.

도 1을 참조하여 본 발명의 금속 나노 입자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 금속 전구체를 알코올 용매에 용해시킨 후, 이를 금속 전구체 용액 저장 용기 (80)에 도입한다. 알코올 저장 용기 (81) 중의 알코올을 고압 펌프 (71)를 이용하여 고압 반응기 (10)로 이송한다. 이때, 고압 반응기로 도입되는 알코올의 온도는 예열기 (20)를 이용하여 조절하고, 고압 반응기의 온도는 히터 (30)를 이용하여 조절하며, 고압 반응기의 압력은 후방 압력 조절기 (60)를 이용하여 조절하여 고압 반응기에 도입되는 알코올을 초임계 유체 상태로 유지시킨다. 금속 전구체 용액을 소정의 온도 및 압력의 고압 반응기로 연속적으로 이송하여 상기 초임계 유체 상태의 알코올과 반응시킴으로써 금속 나노 입자를 제조한다. 이렇게 제조된 금속 나노 입자를 포함하는 용액의 온도를 냉각기 (40)를 이용하여 낮춘 다음, 필터 (50)를 사용하여 상기 용액으로부터 금속 나노 입자를 분리 및 회수한다.Referring to Figure 1 describes a method for producing a metal nanoparticle of the present invention. First, the metal precursor is dissolved in an alcohol solvent and then introduced into the metal precursor solution storage container 80. Alcohol in the alcohol storage container 81 is transferred to the high pressure reactor 10 using the high pressure pump 71. At this time, the temperature of the alcohol introduced into the high pressure reactor is controlled by using the preheater 20, the temperature of the high pressure reactor is controlled by using the heater 30, the pressure of the high pressure reactor using the rear pressure regulator 60 Control to keep the alcohol introduced into the high pressure reactor in a supercritical fluid state. Metal nanoparticles are prepared by continuously transferring a metal precursor solution into a high pressure reactor at a predetermined temperature and pressure to react with the supercritical fluid alcohol. The temperature of the solution containing the metal nanoparticles thus prepared is lowered by the cooler 40, and then the filter 50 is used to separate and recover the metal nanoparticles from the solution.

실시예Example

이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 이는 상세한 설명을 위한 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예 및 비교예를 통하여 얻는 금속 나노 입자의 특성 비교를 위해서 본 발명의 제조 방법에 의하여 제조한 금속 나노 입자의 형태를 분석하기 위하여 히타치 (Hitach)사의 주사 전자 현미경 (Scanning electron microscopy, SEM)을 사용하였고, 금속 나노 입자의 성분을 분석하기 위하여 리가쿠 (Rigaku)사의 X선 회절분석기 (X-ray Diffractor Meter, XRD)를 사용하였다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and comparative examples. However, this is only an example for detailed description, and the present invention is not limited thereto. In addition, in order to analyze the shape of the metal nanoparticles prepared by the manufacturing method of the present invention in order to compare the properties of the metal nanoparticles obtained through Examples and Comparative Examples Hitachi (Scanning electron microscopy, SEM) Rigaku's X-ray Diffractor Meter (XRD) was used to analyze the components of the metal nanoparticles.

실시예 1Example 1

1000 ㎖의 유리 용기에 메탄올을 도입하고, 여기에 금속 전구체로서 질산구리 (Cu(NO3)2)를 도입하여 0.05 몰/ℓ 농도의 질산구리 용액을 준비하였다. 상기 금속 전구체 용액을 고압펌프를 이용하여 6 ㎖/min의 속도로 펌핑하여 300 bar로 가압하였다. 다른 1000 ㎖의 유리 용기 두 개에 메탄올을 도입하고 고압 펌프를 사용하여 각각 6 ㎖/min의 속도로 펌핑하여 300 bar로 가압하고 이를 예열기에 이송하였다. 상기 가압된 질산구리 용액과 메탄올을 온도가 400℃로 유지되는 혼합기 중에서 혼합한 다음, 온도가 400℃로 유지되는 고압 반응기에 이송하여 40 초간 반응시켰다. 생성된 구리 나노 입자를 포함하는 용액을 냉각기를 이용하여 냉각한 다음, 필터를 이용하여 구리 나노 입자를 분리 및 회수하였다. 회수한 구리 나노 입자로부터 잔존하는 질산구리를 원심 분리기를 사용하여 분리해냈다. 원심 분리기로 질산구리가 대부분 제거되지만, 소량 남아있을 가능성이 있기 때문에 추가적으로 메탄올로 세척하였다. 세척 한 구리 나노 입자를 60℃의 진공 오븐에서 하루 동안 건조시켜 메탄올을 제거하였다. Methanol was introduced into a 1000 ml glass container, and copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ) was introduced as a metal precursor to prepare a copper nitrate solution having a concentration of 0.05 mol / L. The metal precursor solution was pumped at a rate of 6 ml / min using a high pressure pump and pressurized to 300 bar. Methanol was introduced into two other 1000 ml glass vessels, each pumped at a rate of 6 ml / min using a high pressure pump, pressurized to 300 bar and transferred to the preheater. The pressurized copper nitrate solution and methanol were mixed in a mixer maintained at 400 ° C., and then transferred to a high pressure reactor maintained at 400 ° C. for 40 seconds. The solution containing the produced copper nanoparticles was cooled using a cooler, and then the copper nanoparticles were separated and recovered using a filter. The remaining copper nitrate was separated from the recovered copper nanoparticles using a centrifugal separator. Centrifuges removed most of the copper nitrate, but were further washed with methanol because of the small amount of copper remaining. The washed copper nanoparticles were dried in a vacuum oven at 60 ° C. for one day to remove methanol.

도 2(a)는 실시예 1에서 제조한 구리 나노 입자의 XRD 결과를, 도 3(a)는 실시예 1에서 제조한 구리 나노 입자의 SEM 이미지를 보여준다.Figure 2 (a) shows the XRD results of the copper nanoparticles prepared in Example 1, Figure 3 (a) shows the SEM image of the copper nanoparticles prepared in Example 1.

비교예 1Comparative Example 1

본 발명에 따른 금속 나노 입자와 알코올이 아닌 초임계수를 이용하여 제조한 금속 나노 입자를 비교하기 위하여, 구리 전구체, 질산구리를 메탄올 대신 물에 용해시키고, 예열기를 통해 도입되는 초임계 용매를 메탄올 대신 물을 사용한 점을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 나노 입자를 제조하였다. In order to compare the metal nanoparticles prepared according to the present invention and metal nanoparticles prepared using non-alcohol supercritical water, a copper precursor and copper nitrate were dissolved in water instead of methanol, and a supercritical solvent introduced through a preheater was used instead of methanol. Using water Except, nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1.

제조된 구리 나노 입자를 실시예 1에서와 동일한 방법으로 분석하여, 그 결과를 도 2(b) 및 도 3(b)에 나타내었다. The prepared copper nanoparticles were analyzed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIGS. 2 (b) and 3 (b).

비교예 2Comparative Example 2

본 발명의 연속 공정에 의하여 제조된 금속 나노 입자와 연속 공정이 아닌 배치형 반응 공정으로 제조된 금속 나노 입자를 비교하기 위하여, 구리 전구체로서 질산구리 (Cu(NO3)2)를 메탄올에 0.05몰/ℓ의 농도로 용해시킨 후 상기 용액 4㎖를 10㎖의 스텐레스 스틸제 (SUS 316)의 재질로 만들어진 고온 고압 배치 반응기에 도입하였다. 상기 반응기를 400℃로 유지되는 염욕로 (salt bath)에 도입하여 압력이 300bar가 되도록 한 다음 이 조건을 유지하면서 5분간 반응시켰다. 그 결과 생성된 구리 나노 입자의 용액을 10℃의 물로 냉각시키고, 필터로 여과하여 구리 나노 입자를 분리 및 회수하였다. 회수한 금속 나노 입자를 실시예 1과 동일한 방법으로 세척, 건조 후 실시예 1과 동일한 방법으로 분석하여, 그 결과를 도 2(c) 및 도 3(c)에 나타내었다. In order to compare the metal nanoparticles prepared by the continuous process of the present invention and the metal nanoparticles prepared by the batch reaction process rather than the continuous process, 0.05 mol of copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ) as methanol was used as a copper precursor. After dissolving at a concentration of / l, 4 ml of the solution was introduced into a high temperature, high pressure batch reactor made of 10 ml of stainless steel (SUS 316). The reactor was introduced into a salt bath maintained at 400 ° C. to a pressure of 300 bar and then reacted for 5 minutes while maintaining this condition. The resulting solution of copper nanoparticles was cooled with 10 ° C. water and filtered through a filter to separate and recover the copper nanoparticles. The recovered metal nanoparticles were washed and dried in the same manner as in Example 1 and analyzed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIGS. 2 (c) and 3 (c).

실시예 1과 비교예 1 및 2를 비교해서 살펴 보면, 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 메탄올 용매를 사용하여 제조한 구리 나노 입자는 회절각이 10 - 90도인 범위에서 구리 고유의 결정 피크와 동일한 피크를 나타 내었다 (도 2(a)). 반면 비교예 1의 초임계 메탄올 대신 초임계수를 사용하여 제조한 구리 나노 입자의 경우 회절각 10 - 90도 범위에서 산화구리 (CuO) 고유의 결정 피크와 동일한 피크가 나타나는 것을 확인하였다 (도 2(b)). 따라서 초임계수를 사용하였을 경우 산화구리가 제조되는 반면 초임계 메탄올을 사용하는 경우 순수한 구리 입자가 제조되는 것임을 확인할 수 있었다. 또한, 비교에 2에서 연속 공정 대신 배치 공정을 이용하여 제조한 입자의 경우 구리 고유의 결정 피크와 동일한 피크를 나타내었다 (도 3(c)).As compared with Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, as shown in Figure 2, the copper nanoparticles prepared using the methanol solvent of Example 1 is a copper-specific crystal in the diffraction angle range of 10 to 90 degrees The same peak as the peak was shown (Fig. 2 (a)). On the other hand, in the case of the copper nanoparticles prepared using supercritical water instead of the supercritical methanol of Comparative Example 1, it was confirmed that the same peak as the crystal peak inherent to copper oxide (CuO) appeared in the diffraction angle of 10 to 90 degrees (FIG. 2 ( b)). Therefore, copper oxide was prepared when supercritical water was used, whereas pure copper particles were prepared when supercritical methanol was used. In addition, the particles prepared by using the batch process instead of the continuous process in 2 showed the same peak as the crystal peak inherent to copper (Fig. 3 (c)).

또한, 도 3에 나타난 바와 같이 실시예 1의 메탄올 용매를 이용하여 제조한 구리 나노 입자는 대체적으로 구형이고, 그 직경은 50nm - 150㎚인 (도 3(a)) 반면, 비교예 1에서 초임계 메탄올 대신 초임계수를 이용하여 제조한 산화구리 입자는 형상이 다양하고, 그 크기는 1000nm - 3000㎚이다 (도 3(b)). In addition, as shown in FIG. 3, the copper nanoparticles prepared using the methanol solvent of Example 1 were generally spherical, and their diameters were 50 nm to 150 nm (FIG. 3 (a)), whereas in Comparative Example 1 Copper oxide particles prepared using supercritical water instead of critical methanol have various shapes, and the size is 1000 nm to 3000 nm (FIG. 3 (b)).

한편, 비교예 2에서 연속 공정 대신 배치 공정을 이용하여 제조한 구리 나노 입자는 크기가 300 - 800㎚ 정도로 크고, 또한 입자 간 응집이 일어난 것을 알 수 있었다 (도 3(c)). 따라서 연속 공정을 이용할 경우 크기가 작고 입자 간 응집이 없는 구리 나노 입자를 생성할 수 있음을 알 수 있다. On the other hand, in Comparative Example 2, the copper nanoparticles manufactured by using the batch process instead of the continuous process were found to have a large size of about 300 to 800 nm and to cause aggregation between the particles (FIG. 3 (c)). Therefore, it can be seen that when the continuous process is used, copper nanoparticles having a small size and no aggregation between particles can be produced.

실시예 2Example 2

금속 전구체를 메탄올 대신 에탄올에 용해시킨 점을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 구리 나노 입자를 제조하였다. 제조된 구리 나노 입자를 실시예 1에서와 동일한 방법으로 분석하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.Copper nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the metal precursor was dissolved in ethanol instead of methanol. The prepared copper nanoparticles were analyzed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

실시예 3Example 3

금속 전구체를 메탄올 대신 프로판올에 용해시킨 점을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 구리 나노 입자를 제조하였다. 제조된 구리 나노 입자를 실시예 1에서와 동일한 방법으로 분석하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. Copper nanoparticles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the metal precursor was dissolved in propanol instead of methanol. The prepared copper nanoparticles were analyzed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 1.

실시예 4Example 4

금속 전구체로서 질산구리 (Cu(NO3)2) 대신 질산은 (Ag(NO3)2)을 사용하여 실시예 1에서와 동일한 방법으로 은 나노 입자를 제조하였다. 제조된 나노 입자를 실시예 1에서와 동일한 방법으로 분석하고, 그 결과를 도 4(a), 도 5(a) 및 표 1에 나타내었다. Using copper nitrate (Cu (NO 3) 2) instead of silver nitrate (Ag (NO 3) 2) as the metal precursor in the same manner as in Example 1 was prepared nanoparticles. The prepared nanoparticles were analyzed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIGS. 4 (a), 5 (a) and Table 1.

비교예 3Comparative Example 3

금속 전구체로서 질산구리 (Cu(NO3)2) 대신 질산은 (Ag(NO3)2)을 사용하여 비교예 2에서와 동일한 방법, 즉 연속 공정이 아닌 배치형 반응 공정으로 은 나노 입자를 제조하였다. 제조된 나노 입자를 실시예 1에서와 동일한 방법으로 분석하고, 그 결과를 도 4(b), 도 5(b) 및 표 1에 나타내었다. Using copper nitrate (Cu (NO 3) 2) instead of silver nitrate (Ag (NO 3) 2) as the metal precursor same manner as in Comparative Example 2, that is, the batch type reaction process is not a continuous process to prepare a nanoparticle . The prepared nanoparticles were analyzed in the same manner as in Example 1, and the results are shown in FIGS. 4 (b), 5 (b) and Table 1.

도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 4 및 비교예 3에서 제조한 은 나노 입자는 회절각 10?90도 범위에서 은 고유의 결정 피크와 동일한 피크가 나타났다. 즉, 질산은 금속 전구체가 유효한 수준에서 은 나노 입자로 형성되었음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 4, silver nanoparticles prepared in Example 4 and Comparative Example 3 showed peaks identical to silver-specific crystal peaks in a diffraction angle of 10 to 90 degrees. That is, it can be confirmed that the silver nitrate was formed of silver nanoparticles at an effective level.

한편, 실시예 4에서 연속 공정을 이용하여 제조한 은 나노 입자는 대체적으로 구형이고, 크기가 매우 균일하고, 그 직경은 약 40 - 60㎚인 (도 5(a)) 반면, 비교예 3에서 연속 공정이 아닌 배치형 반응 공정으로 제조한 은 나노 입자는 크기가 300 - 700㎚로 매우 크고, 입자 크기 분포가 매우 광범위한 것을 알 수 있다. 따라서 배치형 반응 공정이 아닌 본 발명에 따른 연속 공정을 이용할 경우 크기가 작고 분포가 균일한 은 나노 입자를 생성할 수 있음을 알 수 있다. On the other hand, silver nanoparticles prepared using the continuous process in Example 4 is generally spherical, very uniform in size, and its diameter is about 40-60 nm (Fig. 5 (a)), whereas in Comparative Example 3 The silver nanoparticles prepared by the batch reaction process rather than the continuous process have a very large size of 300-700 nm and a very wide particle size distribution. Therefore, it can be seen that when the continuous process according to the present invention is used instead of the batch reaction process, silver nanoparticles having a small size and a uniform distribution can be produced.

구 분division 제조된 나노 입자Manufactured Nanoparticles 용매menstruum 입자 직경 (㎚)Particle diameter (nm) 입자 모양Particle shape 실시예 1Example 1 구리 (Cu)Copper (Cu) 초임계 메탄올Supercritical methanol 50~15050 to 150 구형rectangle 실시예 2Example 2 구리 (Cu)Copper (Cu) 초임계 에탄올Supercritical ethanol 50~20050-200 구형rectangle 실시예 3Example 3 구리 (Cu)Copper (Cu) 초임계 프로판올Supercritical propanol 50~20050-200 구형rectangle 실시예 4Example 4 은 (Ag)Silver (Ag) 초임계 메탄올Supercritical methanol 40-6040-60 구형rectangle 비교예 1Comparative Example 1 산화구리 (CuO)Copper Oxide (CuO) 초임계수Supercritical water 1,000~3,0001,000-3,000 여러 모형Several models 비교예 2Comparative Example 2 구리 (Cu)Copper (Cu) 초임계 메탄올Supercritical methanol 300-800300-800 구형rectangle 비교예 3Comparative Example 3 은 (Ag)Silver (Ag) 초임계 메탄올Supercritical methanol 300-700300-700 구형rectangle

도 1은 본 발명의 금속 나노 입자의 연속 제조에 사용되는 초임계 유체 실험 장치를 나타낸 개략도.1 is a schematic representation of a supercritical fluid testing apparatus used for the continuous production of metal nanoparticles of the present invention.

도 2는 (a) 실시예 1, (b) 비교예 1 및 (c) 비교예 2에서 제조한 입자의 XRD 분석 결과. 2 is an XRD analysis result of the particles prepared in (a) Example 1, (b) Comparative Example 1 and (c) Comparative Example 2.

도 3은 (a) 실시예 1, (b) 비교예 1 및 (c) 비교예 2에서 제조한 입자의 SEM 이미지. Figure 3 is an SEM image of the particles prepared in (a) Example 1, (b) Comparative Example 1 and (c) Comparative Example 2.

도 4는 (a) 실시예 4 및 (b) 비교예 3에서 제조한 은 나노 입자의 XRD 분석 결과. Figure 4 is a XRD analysis of the silver nanoparticles prepared in (a) Example 4 and (b) Comparative Example 3.

도 5는 (a) 실시예 4 및 (b) 비교예 3에서 제조한 은 나노 입자의 SEM 이미지. 5 is a SEM image of the silver nanoparticles prepared in (a) Example 4 and (b) Comparative Example 3.

* 도면의 주요 장치에 대한 부호의 설명* Description of symbols for the main devices in the drawings

10 : 고압반응기 20 : 예열기10: high pressure reactor 20: preheater

30, 31 : 히터 40 : 냉각기30, 31: heater 40: cooler

50 : 필터 60 : 후방 압력 조절기50 filter 60 rear pressure regulator

70, 71 : 고압 펌프 80 : 입자 전구체 저장 용기70, 71: high pressure pump 80: particle precursor storage container

81 : 알코올 저장 용기81: Alcohol Storage Container

Claims (14)

(a) 메탄올에 은 전구체를 용해시킨 금속 전구체 용액을 준비하는 단계;(a) preparing a metal precursor solution in which a silver precursor is dissolved in methanol; (b) 상기 금속 전구체 용액을 초임계 조건의 반응기에 연속적으로 도입하여 은 나노 입자를 생성시키는 단계;(b) continuously introducing the metal precursor solution into a supercritical condition reactor to produce silver nanoparticles; (c) 상기 단계 (b)에서 얻어지는 용액을 냉각시키는 단계; 및(c) cooling the solution obtained in step (b); And (d) 상기 단계 (c)에서 얻어지는 용액으로부터 은 나노 입자를 분리 및 회수하는 단계;(d) separating and recovering the silver nanoparticles from the solution obtained in step (c); 를 포함하는 직경이 40nm 내지 60nm인 은 나노 입자의 연속 제조 방법.Continuous manufacturing method of silver nanoparticles whose diameter includes 40 nm-60 nm. 제1항에 있어서, 단계 (d) 이후에,The process of claim 1, wherein after step (d), (e) 은 나노 입자를 세척 및 건조하는 단계를 더 포함하는 은 나노 입자의 연속 제조 방법.(e) washing and drying the silver nanoparticles. 삭제delete 삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 은 전구체는 AgNO3 및 Ag2SO4으로 이루어지는 군에서 1종 이상 선택되는 것인 은 나노 입자의 연속 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the silver precursor is one or more selected from the group consisting of AgNO 3 and Ag 2 SO 4 . 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 전구체 용액의 은 전구체 농도는 0.001 몰/ℓ 내지 1 몰/ℓ인 은 나노 입자의 연속 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the silver precursor concentration of the metal precursor solution is 0.001 mol / l to 1 mol / l. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (b)의 상기 초임계 조건은 반응 온도가 200℃ 내지 600℃이고, 반응 압력이 20bar 내지 500bar인 은 나노 입자의 연속 제조 방법.3. The method of claim 1, wherein the supercritical conditions of step (b) have a reaction temperature of 200 ° C. to 600 ° C. and a reaction pressure of 20 bar to 500 bar. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (b)의 상기 초임계 조건은 반응 온도가 250℃ 내지 400℃이고, 반응 압력이 50bar 내지 500bar인 은 나노 입자의 연속 제조 방법. 3. The method of claim 1, wherein the supercritical conditions of step (b) have a reaction temperature of 250 ° C. to 400 ° C. and a reaction pressure of 50 bar to 500 bar. 4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (b)의 반응 시간은 5초 내지 10분인 은 나노 입자의 연속 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the reaction time of step (b) is from 5 seconds to 10 minutes. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (d)에서는 여과 또는 원심분리에 의하여 은 나노 입자를 분리하는 것인 은 나노 입자의 연속 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein in step (d), the silver nanoparticles are separated by filtration or centrifugation. 삭제delete 삭제delete 제2항에 있어서, 단계 (e)에서 상기 세척은 물 또는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아세톤 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 유기 용매를 이용하고, 상기 건조는 진공 건조, 오븐 건조 또는 냉동 건조인 것을 특징으로 하는 은 나노 입자의 연속 제조 방법.The method of claim 2, wherein the washing in step (e) uses water or an organic solvent selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, acetone and tetrahydrofuran, wherein the drying is vacuum drying, oven drying. Or freeze-drying. 삭제delete
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