KR101168653B1 - Process for Preparing Nanodendrites - Google Patents

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이인수
김종원
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42Platinum

Abstract

본 발명은 금 나노결정에 백금 나노결정이 수지상 구조로 형성되어 있는 백금 나노덴드라이트를 고수율로 용이하게 대량 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 백금 나노덴드라이트는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction: ORR)에 대한 전기촉매 활성이 현저히 우수하다. The present invention relates to a method capable of easily mass-producing platinum nano dendrites in which platinum nanocrystals are formed in a dendritic structure on gold nanocrystals in high yield. Platinum nano dendrites prepared according to the production method of the present invention is remarkably excellent in the electrocatalyst activity against the oxygen reduction reaction (ORR).

Description

나노덴드라이트의 제조방법 {Process for Preparing Nanodendrites}Process for Preparing Nanodendrites

본 발명은 나노덴드라이트의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금 나노결정에 백금 나노결정이 수지상 구조로 형성되어 있는 백금 나노덴드라이트를 고수율로 용이하게 대량 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing nano dendrites. More specifically, the present invention relates to a method capable of easily mass-producing platinum nano dendrites in which platinum nanocrystals are formed in a dendritic structure on gold nanocrystals in high yield.

백금 및 그의 합금은 촉매 변환장치에서 CO/NOx 산화, 질산의 합성, 오일 크래킹 및 연료전지 등 다양한 산업 분야에서 이용되어 왔다. 특히, 백금은 수소 산화 및 산소 환원 둘다를 촉진하는 뛰어난 전기촉매 특성으로 인해 양성자 교환 막 연료전지(proton-exchange membrane fuel cell: PEMFC)에서 가장 효과적인 촉매로 사용되어 왔다. 현재 탄소에 담지된 백금 나노입자가 연료전지 기술에서 음극(cathode) 촉매로서 사용되고 있지만, 이 기술을 자동차에 상용화하기 위해서는 고가의 백금을 훨씬 더 적은 양으로 사용하면서도 작동할 수 있는 보다 경제적이고 효과적인 촉매 물질의 개발이 필요하다. Platinum and its alloys have been used in various industries such as CO / NO x oxidation, nitric acid synthesis, oil cracking and fuel cells in catalytic converters. In particular, platinum has been used as the most effective catalyst in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) because of its excellent electrocatalyst properties that promote both hydrogen oxidation and oxygen reduction. Although carbon-supported platinum nanoparticles are currently used as cathode catalysts in fuel cell technology, they are more economical and effective catalysts that can operate while using much less expensive platinum in commercial applications. Development of the material is needed.

근래 백금계 물질의 전기촉매 성능을 백금 나노결정의 형태를 조절하거나 백금을 다른 전이금속과 합금하여 개선시키고자 하는 노력이 진행되어 왔다. 특히, 최근에 개발된 다수의 가장지리(edge) 및 모서리(corner) 원자들로 구성된 수지상 구조를 가진 백금 나노덴드라이트는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction: ORR)에 대해 현저히 증가된 촉매 활성을 나타내는 것으로 알려져 있으나, 백금 나노덴드라이트를 대량 생산할 수 있는 방법은 보고된 바 없다. Recently, efforts have been made to improve the electrocatalyst performance of platinum-based materials by controlling the shape of platinum nanocrystals or by alloying platinum with other transition metals. In particular, platinum nanodendrite having a dendritic structure composed of many edge and corner atoms recently developed exhibits significantly increased catalytic activity for oxygen reduction reaction (ORR). Although known, no method has been reported for mass production of platinum nanodendrite.

종래의 제조방법에 따르면, 1 ml의 반응 현탁액 당 수 mg의 백금 나노덴드라이트만이 제조되며, 표면에 계면활성제가 코팅되어 있는 백금 나노덴드라이트가 제조되기 때문에 촉매 활성을 저하시키는 계면활성제를 제거해야 하나, 계면활성제를 제거하는 공정은 일반적으로 가혹 조건이므로 종종 나노결정의 변형 및 촉매 활성의 감소가 발생하는 문제점이 있었다. According to the conventional manufacturing method, only a few mg of platinum nanodendrite is prepared per 1 ml of reaction suspension, and a platinum nanodendrite having a surface-coated surfactant is prepared to remove the surfactant that lowers the catalytic activity. However, since the process of removing the surfactant is generally a harsh condition, there was a problem that often occurs deformation of the nanocrystals and reduction of catalytic activity.

본 발명자들은 공동의 다공성 실리카 나노구 내에서 금 시드를 이용한 성장에 의해 백금 나노덴드라이트를 계면활성제 없이 용이하게 대량 생산할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다. The present inventors have found that the growth of platinum nanodendrite can be easily mass-produced without a surfactant by growth with gold seeds in a cavity of porous silica nanospheres and completed the present invention.

따라서 본 발명의 목적은 백금 나노덴드라이트를 고수율로 용이하게 대량 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for mass production of platinum nano dendrites easily in high yield.

본 발명은 금 나노결정에 백금 나노결정이 수지상 구조로 형성되어 있는 백금 나노덴드라이트의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 제조방법은The present invention relates to a method for producing platinum nano dendrites in which platinum nanocrystals are formed in a dendritic structure on gold nanocrystals.

(i) 공동의(hollow) 다공성(porous) 실리카 나노껍질 및 상기 공동에 갇힌(entrapped) 금 나노결정을 포함하는 나노래틀(nanorattle) 구조물을 포함하는 수성 현탁액에서 백금염을 환원제와 반응시켜 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트를 수득하는 단계; 및(i) Platinum salts are reacted with a reducing agent in an aqueous suspension comprising a hollow porous silica nanoshell and a nanorattle structure comprising the entrapped gold nanocrystals to react the porous silica with a reducing agent. Obtaining a platinum nanodendrite coated with a shell; And

(ii) 상기 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트로부터 다공성 실리카 껍질을 제거하는 단계를 포함한다.
(ii) removing the porous silica shell from the platinum nanodendrite coated with the porous silica shell.

상기 단계 (i)에서는 상기 나노래틀 구조물을 포함하는 수성 현탁액에서 금속염을 환원제와 반응시키면, 상기 나노래틀 구조물이 나노반응기(nano-reactor)로서 작용하여 금 나노결정 시드에 백금 나노결정이 수지상 구조로 성장하여 형성된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트가 생성된다. In the step (i), when the metal salt is reacted with a reducing agent in the aqueous suspension including the nanorattle structure, the nanorattle structure acts as a nano-reactor so that the platinum nanocrystals in the dendritic structure of the gold nanocrystal seeds Platinum nano dendrites coated with porous silica shells formed by growth are produced.

상기 나노래틀 구조물에서 금 나노결정의 크기는 2 내지 10 nm가 바람직하고, 공동의 크기는 10 내지 50 nm가 바람직하며, 나노래틀 구조물의 크기는 20 내지 100 nm가 바람직하다.In the nanorattle structure, the size of the gold nanocrystals is preferably 2 to 10 nm, the size of the cavity is preferably 10 to 50 nm, and the size of the nano rattle structure is preferably 20 to 100 nm.

상기 백금염으로는 백금의 질산염, 황산염, 옥살산염, 인산염, 클로라이드, 브로마이드, 아세트산염 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 Na2PtCl4, K2PtCl4, Na2PtCl6, K2PtCl6, PtCl2 또는 Pt(NO3)2를 사용한다.The platinum salt may be used as nitrate, sulfate, oxalate, phosphate, chloride, bromide, acetate, etc. of platinum, but is not limited thereto. Preferably Na 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 4 , Na 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 6 , PtCl 2 or Pt (NO 3 ) 2 is used.

상기 환원제로는 히드라진, 과산화수소, 아스코르브산, 히드록실아민, 시트르산, 알코올, 인, NaBH4 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 아스코르브산, 히드라진 또는 NaBH4를 사용한다.The reducing agent may be hydrazine, hydrogen peroxide, ascorbic acid, hydroxylamine, citric acid, alcohol, phosphorus, NaBH 4 and the like, but is not limited thereto. Preferably ascorbic acid, hydrazine or NaBH 4 are used.

상기 단계 (i)에서는 백금 나노덴드라이트가 공동의 껍질 내에서만 성장하여 백금 나노덴드라이트가 다공성 실리카 껍질로 잘 코팅된 나노입자가 생성된다.In step (i), the platinum nanodendrite grows only in the shell of the cavity to produce nanoparticles in which the platinum nanodendrite is well coated with the porous silica shell.

백금염의 초기 농도를 증가시키면 더 큰 백금 나노결정이 형성되며, 나노결정의 크기는 백금염의 농도가 더 증가되더라도 일정 크기 이상으로 증가되지 않는다. 이는 백금이 우선적으로 공동 내의 금 표면에 결정핵형성(nucleation)을 한 다음 점차 성장되고, 성장은 공동 크기에 의해 제한됨을 의미한다.Increasing the initial concentration of platinum salts results in the formation of larger platinum nanocrystals, and the size of the nanocrystals does not increase beyond a certain size even if the concentration of the platinum salts increases further. This means that platinum preferentially nucleates the gold surface in the cavity and then gradually grows, and growth is limited by the cavity size.

금 나노결정이 없는 나노래틀 구조물을 사용하거나, 시트레이트로 안정화된 금 나노입자를 포함하는 나노래틀 구조물을 사용할 경우에는, 각각 큰 백금 입자가 실리카 껍질의 외부 표면에서 성장하거나, 백금 나노입자의 큰 응집체들이 형성된다. When using nanorattle structures free of gold nanocrystals, or nanorattle structures containing gold nanoparticles stabilized with citrate, large platinum particles grow on the outer surface of the silica shell, or large amounts of platinum nanoparticles, respectively. Aggregates are formed.

상기 단계 (ii)에서 다공성 실리카 껍질의 제거는 상기 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트를 염기 용액으로 처리하여 수행하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트를 염기 용액에 용해시키거나, 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트의 현탁액에 염기 용액을 가하고 교반하여 다공성 실리카 껍질을 제거할 수 있다. 이 때, 백금 나노덴드라이트는 형태의 변형 없이 용이하게 분리된다.Removal of the porous silica shell in the step (ii) is preferably carried out by treating the platinum nano dendrites coated with the porous silica shell with a base solution. Specifically, the porous silica shell may be dissolved by dissolving the platinum nanodendrite coated with the porous silica shell in the base solution, or by adding the base solution to the suspension of the platinum nanodendrite coated with the porous silica shell and stirring. At this time, the platinum nano dendrites are easily separated without deformation of the form.

상기 염기로는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonium hydroxide and the like may be used as the base, but is not limited thereto.

본 발명의 제조방법에 따르면, 단계 (i)에서 수득한 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트를 분리, 정제한 다음 단계 (ii)에 사용하거나, 분리, 정제 없이 단계 (i) 및 (ii)를 동일 반응기에서 연속적으로 수행할 수 있다. According to the preparation method of the present invention, the platinum nanodendrite coated with the porous silica shell obtained in step (i) is isolated and purified and then used in step (ii) or without steps (i) and (ii) ) Can be carried out continuously in the same reactor.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금 나노결정에 백금 나노결정이 수지상 구조로 형성되어 있는 백금 나노덴드라이트의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
FIG. 2 is a view schematically illustrating a manufacturing process of platinum nano dendrites having platinum nanocrystals formed in a dendritic structure in gold nanocrystals according to an embodiment of the present invention.

한편, 상기 공동의 다공성 실리카 나노껍질 및 상기 공동에 갇힌 금 나노결정을 포함하는 나노래틀 구조물은 On the other hand, the nanorattle structure including the porous silica nanoshell of the cavity and gold nanocrystals trapped in the cavity

(a) 산화철 나노결정과 금 이온 착물을 폴리에텔렌글리콜계 계면활성제의 존재 하에 실리카 나노껍질로 피막화(encapsulation) 반응시켜, 금 나노결정이 산화철 나노결정에 부착된 하이브리드 나노결정 및 실리카 나노껍질을 포함하는 실리카 나노구를 수득하는 단계; 및 (a) Hybrid nanocrystals and silica nanoshells in which the gold nanocrystals are attached to the iron oxide nanocrystals by encapsulation of the iron oxide nanocrystals with the gold ion complex in the presence of a polyethylene glycol-based surfactant. Obtaining a silica nanosphere comprising a; And

(b) 상기 실리카 나노구를 수소화붕소나트륨으로 처리하여 상기 산화철 나노결정을 환원 분해하고 상기 실리카 나노껍질을 에칭하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. (b) treating the silica nanospheres with sodium borohydride to reductively decompose the iron oxide nanocrystals and etch the silica nanoshells.

상기 단계 (a)의 피막화 반응은 공지된 역마이크로에멀젼(reverse microemulsion) 방법을 이용하여 수행할 수 있다[참고문헌: D. K. Yi, S. S. Lee, G. C. Papaefthymiou and J. Y. Ying, Chem. Mater. 2006, 18, 614; D. C. Lee, F. V. Mikulec, J. M. Pelaez, B. Koo and B. A. Korgel, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 11160]. 구체적으로, 올레산으로 안정화된 산화철 나노결정과 금 이온 착물을 함유한 수용액을 계면활성제를 함유한 시클로헥산 용액에서 혼합하여 금 이온 착물을 함유한 물방울과 산화철 나노결정을 함유한 외부 시클로헥산 상을 포함하는 역마이크로에멀젼 시스템을 형성시킨 다음, 수산화암모늄 수용액과 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS)를 연속적으로 가하여 산화철 나노결정 주위에 실리카 껍질을 형성시킬 수 있다. The encapsulation reaction of step (a) can be carried out using a known reverse microemulsion method (DK Yi, SS Lee, GC Papaefthymiou and JY Ying, Chem. Mater . 2006, 18 , 614; DC Lee, FV Mikulec, JM Pelaez, B. Koo and BA Korgel, J. Phys. Chem. B , 2006, 110 , 11160]. Specifically, an aqueous solution containing the iron oxide nanocrystals stabilized with oleic acid and a gold ion complex was mixed in a cyclohexane solution containing a surfactant to include a water droplet containing the gold ion complex and an external cyclohexane phase containing the iron oxide nanocrystals. After forming an inverted microemulsion system, an aqueous ammonium hydroxide solution and tetraethylorthosilicate (TEOS) may be added successively to form a silica shell around the iron oxide nanocrystals.

상기 단계 (a)에서 산화철로는 Fe3O4를 사용하는 것이 가장 바람직하고, 금 이온 착물로는 Au3+ 착물을 사용하는 것이 바람직하며, HAuCl4를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 폴리에텔렌글리콜계 계면활성제로는 폴리옥시에틸렌노닐페닐 에테르를 사용하는 것이 가장 바람직하다.Most preferably, Fe 3 O 4 is used as the iron oxide in step (a), Au 3+ complex is preferably used as the gold ion complex, and HAuCl 4 is most preferably used. Moreover, it is most preferable to use polyoxyethylene nonyl phenyl ether as polyethylene glycol type surfactant.

상기 단계 (a)에서 하이브리드 나노결정의 형성은 금 이온이 폴리에텔렌글리콜계 계면활성제에 의해 환원되고, 금이 산화철 표면에서 우선적으로 결정핵형성을 하기 때문인 것으로 생각된다. The formation of the hybrid nanocrystal in the step (a) is considered to be because gold ions are reduced by the polyethylene glycol-based surfactant, and gold preferentially nucleates on the iron oxide surface.

상기 단계 (b)에서는 상기 나노구를 수소화붕소나트륨으로 처리하면, 산화철/금 하이브리드 나노결정으로부터 산화철 결정만이 환원 분해 공정을 통해 신속하게 제거된다. 이는 부착된 금 결정에 의해 촉진되며, 부착된 금 결정이 존재하지 않을 경우에는 산화철 결정이 분해되지 않는다. In step (b), when the nanospheres are treated with sodium borohydride, only iron oxide crystals are rapidly removed from the iron oxide / gold hybrid nanocrystals through a reduction decomposition process. This is facilitated by the deposited gold crystals, and the iron oxide crystals do not decompose in the absence of the attached gold crystals.

상기 단계 (b)에서 수소화붕소나트륨으로 산화철을 선택적으로 분해하고 실리카를 에칭함으로써 금 나노결정이 공동의 다공성 실리카 나노껍질의 공동(cavity)에 남게 되어, 상기 나노래틀 구조물이 생성된다. By selectively decomposing iron oxide with sodium borohydride in step (b) and etching the silica, gold nanocrystals remain in the cavity of the porous porous silica nanoshells, resulting in the nanorattle structure.

생성된 나노래틀 구조물의 공동 크기는 일반적으로 제거된 산화철 입자에 비해 크며, 이는 산화철 분해 후에 생성된 공동 표면이 에칭되기 때문인 것으로 생각된다.The cavity size of the resulting nanorattle structures is generally larger than the iron oxide particles removed, which is believed to be due to the etching of the resulting cavity surface after iron oxide decomposition.

또한 금 나노결정은 성장하는데, 이는 에칭 반응 동안 공동 내에서 금 입자가 융합(coalescence) 또는 숙성(ripening)하기 때문인 것으로 생각된다. Gold nanocrystals are also believed to be due to the coalescence or ripening of gold particles in the cavity during the etching reaction.

상기 제조방법에 따르면, 생성되는 나노래틀 구조물의 공동 크기를 사용되는 산화철 나노결정의 크기를 변화시킴으로써 용이하게 조절할 수 있다. According to the above production method, the cavity size of the resulting nanorattle structure can be easily adjusted by changing the size of the iron oxide nanocrystals used.

도 2는 산화철로 Fe3O4를 사용하고 금 이온 착물로 HAuCl4를 사용한 나노래틀 구조물의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a view schematically illustrating a process of manufacturing a nanorattle structure using Fe 3 O 4 as iron oxide and HAuCl 4 as a gold ion complex.

본 발명의 제조방법에 따르면, 금 나노결정에 백금 나노결정이 수지상 구조로 형성되어 있는 백금 나노덴드라이트를 고수율로 용이하게 대량 생산할 수 있다. 일 실시예에서 본 발명의 제조방법에 따르면, 40 ml의 수성 현탁액에서 1.5 g의 균일한 백금 나노덴드라이트를 합성할 수 있다. According to the production method of the present invention, it is possible to easily mass-produce platinum nano dendrites in which platinum nanocrystals are formed in a dendritic structure on gold nanocrystals in high yield. In one embodiment, according to the method of the present invention, 1.5 g of uniform platinum nanodendrite can be synthesized in 40 ml of an aqueous suspension.

또한, 본 발명의 제조방법에 따르면, 고농도의 반응 현탁액으로부터도 목적하는 형태의 백금 나노덴드라이트를 제조할 수 있으며, 종래기술과 달리 계면활성제 없이 생성되기 때문에 계면활성제 제거 공정을 추가로 수행할 필요가 없다. 아울러, 계면활성제가 없기 때문에 간단히 기능성 리간드 분자를 결합시켜 표면에 다양한 성질 및 기능을 부여할 수도 있다.In addition, according to the production method of the present invention, it is possible to prepare the platinum nano dendrites of the desired form even from a high concentration of the reaction suspension, and unlike the prior art, since it is produced without a surfactant, it is necessary to perform a further surfactant removal process. There is no. In addition, since there is no surfactant, it is possible to simply attach functional ligand molecules to impart various properties and functions to the surface.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 백금 나노덴드라이트는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction: ORR)에 대한 전기촉매 활성이 현저히 우수하다. Platinum nano dendrites prepared according to the production method of the present invention is remarkably excellent in the electrocatalyst activity against the oxygen reduction reaction (ORR).

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백금 나노덴드라이트의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 산화철로 Fe3O4를 사용하고 금 이온 착물로 HAuCl4를 사용한 나노래틀 구조물의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 제조예 1에서 제조된 Fe3O4/Au 하이브리드 나노결정을 포함하는 실리카 나노구(Fe3O4/Au@SiO2)의 투과전자현미경 이미지와 실리카 나노구, Fe3O4 입자 및 Au 입자의 크기 분포를 나타낸 히스토그램이다.
도 4는 제조예 2에서 제조된 금 나노결정을 포함하는 나노래틀 구조물(Au@h-SiO2)의 투과전자현미경 이미지와 실리카 나노구, 공동 및 Au 입자의 크기 분포를 나타낸 히스토그램이다.
도 5(a)는 제조예 1에서 제조된 Fe3O4/Au 하이브리드 나노결정을 포함하는 실리카 나노구(Fe3O4/Au@SiO2)의 X-선 회절 패턴을 나타낸 도이고, 도 5(b)는 제조예 2에서 제조된 금 나노결정을 포함하는 나노래틀(Au@h-SiO2)의 X-선 회절 패턴을 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트(Pt@SiO2)의 투과전자현미경 이미지(우측)와 백금 나노덴드라이트의 크기 분포를 나타낸 히스토그램(중간 아래측)이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트(Pt@SiO2)의 주사전자현미경 이미지이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트(Pt@SiO2)의 X-선 회절 패턴을 나타낸 도이다.
도 9는 실시예 1에서 제조된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트(Pt@SiO2)의 고해상도 투과전자현미경 이미지 및 선택 영역 전자 회절 패턴(삽입도)을 나타낸 도이다.
도 10은 실시예 2에서 제조된 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND)의 투과전자현미경 이미지이다.
도 11은 실시예 4에서 제조된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트(Pt@SiO2) 및 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND) (삽입도)의 투과전자현미경 이미지이다.
도 12는 실시예 2에서 제조된 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND), 시판되는 백금 흑 촉매 및 비교예 1에서 제조된 구형 Pt/Au 합금 나노결정에 대한 산소 환원 반응 편극 곡선 및 질량활성과 비활성(삽입도)을 나타낸 도이다.
1 is a view schematically showing a manufacturing process of platinum nano dendrites according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view schematically illustrating a process of manufacturing a nanorattle structure using Fe 3 O 4 as iron oxide and HAuCl 4 as a gold ion complex.
3 is a transmission electron microscope image of silica nanospheres (Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 ) including Fe 3 O 4 / Au hybrid nanocrystals prepared in Preparation Example 1 and silica nanospheres, Fe 3 O 4 particles And a histogram showing the size distribution of Au particles.
4 is a histogram showing the transmission electron microscope image of the nano rattle structure (Au @ h-SiO 2 ) including the gold nanocrystals prepared in Preparation Example 2 and the size distribution of silica nanospheres, cavities, and Au particles.
FIG. 5 (a) is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of silica nanospheres (Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 ) containing Fe 3 O 4 / Au hybrid nanocrystals prepared in Preparation Example 1, FIG. 5 (b) is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of a nano rattle (Au @ h-SiO 2 ) containing gold nanocrystals prepared in Preparation Example 2. FIG.
6 is a histogram (bottom middle) showing the size distribution of the platinum nanodendrite and the transmission electron microscope image (right) of the platinum nano dendrites (Pt @ SiO 2 ) coated with the porous silica shell prepared in Example 1. FIG. .
FIG. 7 is a scanning electron microscope image of platinum nano dendrites (Pt @ SiO 2 ) coated with a porous silica shell prepared in Example 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of platinum nano dendrites (Pt @ SiO 2 ) coated with a porous silica shell prepared in Example 1. FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a high resolution transmission electron microscope image and a selected region electron diffraction pattern (insertion diagram) of platinum nano dendrites (Pt @ SiO 2 ) coated with a porous silica shell prepared in Example 1. FIG.
10 is a transmission electron microscope image of the platinum nano dendrites (Lf-PtND) prepared in Example 2.
FIG. 11 is a transmission electron microscope image of platinum nano dendrites (Pt @ SiO 2 ) and platinum nano dendrites (Lf-PtND) (inset) coated with a porous silica shell prepared in Example 4. FIG.
12 is an oxygen reduction reaction polarization curve and mass activity and inactivity for platinum nano dendrites (Lf-PtND) prepared in Example 2, commercially available platinum black catalysts and spherical Pt / Au alloy nanocrystals prepared in Comparative Example 1. FIG. (Inset diagram)

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are for illustrative purpose only and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

제조예 1: FePreparation Example 1 Fe 33 OO 44 /Au 하이브리드 나노결정을 포함하는 실리카 나노구(Fe/ Nu Silica Nanospheres Containing Hybrid Nanocrystals (Fe 33 OO 44 /Au@SiO/ Au @ SiO 22 ) 의 제조 )

평균 코어 크기가 8 nm인 Fe3O4 나노결정을 공지된 방법에 따라 수득하였다[참고문헌: Park, J.; An, K.; Hwang, Y.; Park, J.-G.; Noh, H.-J.; Kim, J.-Y.; Park, J.-H.; Hwang, N.-M.; Hyeon, T. Nat. Mater. 2004, 3, 891]. Fe 3 O 4 nanocrystals having an average core size of 8 nm were obtained according to known methods [Ref. Park, J .; An, K .; Hwang, Y .; Park, J.-G .; Noh, H.-J .; Kim, J.-Y .; Park, J.-H .; Hwang, N.-M .; Hyeon, T. Nat. Mater . 2004, 3 , 891].

폴리옥시에틸렌(5)노닐페닐 에테르 (7.68 g, 18.0 mmol, Igepal CO-520, 50 mol% 친수성기 함유, Aldrich)를 시클로헥산 (170 ml)를 함유하는 둥근바닥 플라스크에서 교반에 의해 분산시켰다. 그런 다음, 시클로헥산에 분산된 상기에서 수득한 8.0 mg의 Fe3O4 나노결정을 반응용액에 가하였다. 생성된 혼합물을 투명해질 때까지 보텍스(vortex)하였다. HAuCl4 수용액 (24 mM, 0.5 ml) 및 수산화암모늄 용액 (30 %, 1.3 ml)을 반응 혼합물에 연속적으로 가하여 투명 현탁액을 형성시켰다. 그런 다음, 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS; 1.5 ml)를 가하고, 12 시간 동안 교반하였다. 생성된 Fe3O4/Au 하이브리드 나노결정을 포함하는 실리카 나노구(Fe3O4/Au@SiO2)를 자성 디캔테이션(magnetic decantation)에 의해 수집하였다. 수집된 나노구(Fe3O4/Au@SiO2)를 에탄올에 재분산시키고 자석을 이용하여 회수하였다. Fe3O4/Au@SiO2를 에탄올 현탁액으로 분산시키고 자기적으로 분리하는 과정을 3회 반복하여 정제하였다. Polyoxyethylene (5) nonylphenyl ether (7.68 g, 18.0 mmol, Igepal CO-520, containing 50 mol% hydrophilic group, Aldrich) was dispersed by stirring in a round bottom flask containing cyclohexane (170 ml). Then, 8.0 mg of Fe 3 O 4 nanocrystals obtained above dispersed in cyclohexane were added to the reaction solution. The resulting mixture was vortexed until clear. HAuCl 4 aqueous solution (24 mM, 0.5 ml) and ammonium hydroxide solution (30%, 1.3 ml) were added successively to the reaction mixture to form a clear suspension. Then, tetraethylorthosilicate (TEOS; 1.5 ml) was added and stirred for 12 hours. Silica nanospheres (Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 ) containing the resulting Fe 3 O 4 / Au hybrid nanocrystals were collected by magnetic decantation. The collected nanospheres (Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 ) were redispersed in ethanol and recovered using a magnet. The process of dispersing Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 in an ethanol suspension and separating magnetically was purified three times.

생성된 고체를 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectrometry: XPS)으로 분석한 결과, 반응 동안 Au(3+)가 환원되어 Au(0)이 생성됨을 확인하였다.The resulting solids were analyzed by X-ray photoelectron spectrometry (XPS), and it was confirmed that Au (3+) was reduced to form Au (0) during the reaction.

또한, 생성된 고체를 투과전자현미경(transmission electron microscopy: TEM)으로 분석한 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에서, Fe3O4 나노결정 주위에 1 내지 2 nm 직경의 작은 Au 나노결정이 수개 성장되어, Fe3O4/Au 하이브리드 나노결정을 포함하는 29(± 1) nm 직경의 실리카 나노구(Fe3O4/Au@SiO2)가 생성됨을 확인할 수 있다. In addition, the results of analyzing the generated solids with a transmission electron microscopy (TEM) are shown in FIG. In Figure 3, Fe 3 O 4 nano the crystal growth is small Au nanocrystals of around 1 to 2 nm diameter several, Fe 3 O 4 / Au hybrid nanocrystals 29 (± 1) nm silica nanoparticles with a diameter including the old It can be seen that (Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 ) is produced.

제조예 2: 금 나노결정을 포함하는 나노래틀 구조물(Au@h-SiOPreparation Example 2 Nano Rattle Structure Containing Gold Nanocrystals (Au @ h-SiO 22 )의 제조Manufacturing

NaBH4 수용액 (0.2 M, 1.0 ml)를 상기 제조예 1에서 수득한 1.0 mg의 Fe3O4/Au@SiO2를 포함하는 2.0 ml의 수성 현탁액에 가하고 상온에서 30분 동안 교반하였다. 현탁액의 암갈색이 수소 기체를 방출하면서 점차 희미해졌다. 생성된 금 나노결정 및 공동의 다공성 실리카 껍질을 포함하는 나노래틀 구조물(Au@h-SiO2)를 원심분리에 의해 수집하였다. Au@h-SiO2를 수성 현탁액으로 분산시키고 원심분리하는 과정을 3회 반복하여 정제하였다. An aqueous NaBH 4 solution (0.2 M, 1.0 ml) was added to an aqueous 2.0 ml suspension containing 1.0 mg of Fe 3 O 4 / Au @ SiO 2 obtained in Preparation Example 1 and stirred at room temperature for 30 minutes. The dark brown color of the suspension gradually faded away as hydrogen gas was released. The nanorattle structure (Au @ h-SiO 2 ) comprising the resulting gold nanocrystals and the cavity's porous silica shell was collected by centrifugation. The process of dispersing Au @ h-SiO 2 in an aqueous suspension and centrifuging was purified three times.

생성된 고체의 TEM 및 X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD)에 의한 분석 결과를 각각 도 4및 도 5에 나타내었다. 도 4 및 도 5로부터, 하이브리드 나노결정으로부터 Fe3O4이 분해되고 제거되어 실리카 나노구에 14(± 2) nm 직경의 공동이 형성되어 외부 직경이 28(± 2) nm인 공동의 다공성 실리카 껍질 및 평균 크기가 4(± 1) nm인 Au 나노결정으로 구성된 래틀 타입의 나노구조물(Au@h-SiO2)이 형성됨을 확인할 수 있다.
The results of analysis by TEM and X-ray diffraction (XRD) of the resulting solids are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. 4 and 5, Fe 3 O 4 is decomposed and removed from the hybrid nanocrystals to form a cavity of 14 (± 2) nm diameter in the silica nanospheres, thereby forming a porous porous silica having an outer diameter of 28 (± 2) nm. It can be seen that a rattle-type nanostructure (Au @ h -SiO 2 ) composed of the shell and Au nanocrystals having an average size of 4 (± 1) nm is formed.

실시예 1: 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트(Pt@SiOExample 1: Platinum Nano Dendrites Coated with Porous Silica Shell (Pt @ SiO) 22 )의 제조 Manufacturing

제조예 2에서 수득한 0.5 mg의 Au@h-SiO2 나노구 및 3.5 mg의 L-아스코르브산을 0.22 ml의 증류수에서 혼합하였다. 혼합 현탁액에 2.0 mg의 Na2PtCl4를 함유하는 1.0 ml의 수성 용액을 적가하였다. 반응 현탁액에서 Na2PtCl4의 초기 농도는 1.6 mg/ml이었다. 상온에서 가볍게 교반하면서 2시간 동안 반응을 수행한 다음, 생성된 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트 고체(Pt@SiO2)를 원심분리에 의해 수집한 후, 수성 현탁액으로 재분산시키고 원심분리하는 과정을 3회 반복하여 정제하여 흑색 분말을 수득하였다. 0.5 mg of Au @ h- SiO 2 nanospheres obtained in Preparation Example 2 and 3.5 mg of L-ascorbic acid were mixed in 0.22 ml of distilled water. To the mixed suspension was added dropwise 1.0 ml of an aqueous solution containing 2.0 mg of Na 2 PtCl 4 . The initial concentration of Na 2 PtCl 4 in the reaction suspension was 1.6 mg / ml. The reaction was carried out for 2 hours with gentle stirring at room temperature, and then the resulting platinum silica dendrites (Pt @ SiO 2 ) coated with the porous silica shell were collected by centrifugation, then redispersed in an aqueous suspension and centrifuged. The process was repeated three times to obtain a black powder.

수득한 흑색 분말(Pt@SiO2)의 TEM 및 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM) 분석 결과를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다. 도 6 및 도 7로부터, 백금 종(species)이 공동 내에서만 한정된 성장을 하여 3차원 꽃 형태의 Pt-on-Au 나노결정이 다공성 실리카 껍질로 잘 코팅된 Pt@SiO2 나노구가 생성됨을 확인하였다. 또한, 수득한 흑색 분말(Pt@SiO2)에서 백금 나노덴드라이트의 크기 분포를 나타낸 히스토그램을 도 6에 나타내었다.The results of TEM and scanning electron microscopy (SEM) analysis of the obtained black powder (Pt @ SiO 2 ) are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. From Figures 6 and 7, it was confirmed that the platinum species grows only within the cavity to produce Pt @ SiO 2 nanospheres in which three-dimensional flower-shaped Pt-on-Au nanocrystals are well coated with porous silica shells. It was. In addition, a histogram showing the size distribution of platinum nano dendrites in the obtained black powder (Pt @ SiO 2 ) is shown in FIG. 6.

한편, 수득한 흑색 분말(Pt@SiO2)의 XRD 분석 결과를 도 8에 나타내었다. XRD 패턴은 면심입방 결정상을 가지는 백금 결정들의 형성을 나타내었다. Meanwhile, XRD analysis of the obtained black powder (Pt @ SiO 2 ) is shown in FIG. 8. The XRD pattern showed the formation of platinum crystals with face centered cubic crystal phase.

아울러, 수득한 흑색 분말(Pt@SiO2)의 고해상도(HR) TEM 및 선택 영역 전자 회절(selective area electron diffraction: SAED) 분석 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9로부터, 성장한 나노결정은 백금 암(arm)들이 상호연결된 3차원 수지상 구조를 가짐을 확인하였다. 각각의 백금 암은 3.0(± 0.4) nm의 평균 크기를 가지고 주로 (111) 면(facet) 및 적은 부분의 (311) 면에 의한 단일 결정 구조를 나타내었으며, 이는 TEM 분석 동안 얻은 선택 영역 전자 회절 (selective area electron diffraction: SAED) 패턴과 일치한다. In addition, the results of high resolution (HR) TEM and selective area electron diffraction (SAED) analysis of the obtained black powder (Pt @ SiO 2 ) are shown in FIG. 9. From FIG. 9, it was confirmed that the grown nanocrystals had a three-dimensional dendritic structure in which platinum arms were interconnected. Each platinum arm had an average size of 3.0 (± 0.4) nm and exhibited a single crystal structure mainly by (111) facet and a small portion of (311) face, which was selected region electron diffraction obtained during TEM analysis (selective area electron diffraction: SAED) pattern.

또한, 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법(inductively coupled plasma - atomic emission spectroscopy: ICP-AES)에 따르면, 15(± 2) nm 크기의 백금 나노덴드라이트에서 백금의 무게 백분율은 99%이었다.
In addition, according to inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy (ICP-AES), the weight percentage of platinum in the 15 (± 2) nm platinum nanodendrite was 99%.

실시예 2: 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND)의 제조 Example 2: Preparation of Platinum Nanodendrite (Lf-PtND)

실시예 1에서 수득한 1.2 mg의 정제 고체(Pt@SiO2)를 10 ml의 2.0 M NaOH 현탁액에 분산시키고 상온에서 교반하여 Pt@SiO2의 실리카 껍질을 용해시켰다. 반응 현탁액으로부터 생성된 고체를 원심분리에 의해 분리하고, 계면활성제 없이 깨끗한 표면을 가진 고체(Ligand-free Pt Nanodendrite: Lf-PtND)를 수성 현탁액으로 재분산시키고 원심분리하는 과정을 반복하여 정제하였다. 1.2 mg of the purified solid (Pt @ SiO 2 ) obtained in Example 1 was dispersed in 10 ml of 2.0 M NaOH suspension and stirred at room temperature to dissolve the silica shell of Pt @ SiO 2 . The solids produced from the reaction suspension were separated by centrifugation and purified by repeating the process of redispersing a solid surface (Ligand-free Pt Nanodendrite (Lf-PtND) without surfactants) into an aqueous suspension and centrifuging.

수득한 고체(Lf-PtND)의 TEM 분석 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10으로부터 실리카 껍질을 제거하는 과정에서 백금 나노덴드라이트의 형태가 유지됨을 확인하였다.The result of TEM analysis of the obtained solid (Lf-PtND) is shown in FIG. 10. It was confirmed that the form of the platinum nano dendrites is maintained in the process of removing the silica shell from FIG.

실시예 3: 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND)의 1단계 제조Example 3: One Step Preparation of Platinum Nanodendrite (Lf-PtND)

제조예 2에서 수득한 55.6 mg의 Au@h-SiO2 나노구 (39.7 mg/ml), 146.0 mg의 L-아스코르브산 (104.6 mg/ml) 및 200.0 mg의 Na2PtCl4 (142.8 mg/ml)를 3시간 동안 반응시켰다. 1.2 ml의 반응 현탁액에 10 ml의 2.0 M NaOH 용액을 얼음 중탕으로 냉각하면서 서서히 가하고 상온에서 1시간 동안 교반하였다. 반응 현탁액으로부터 생성된 Lf-PtND를 원심분리에 의해 분리하고, 물에 재현탁 및 원심분리하는 과정을 반복하여 정제하였다.
55.6 mg Au @ h- SiO 2 nanospheres obtained in Preparation Example 2 (39.7 mg / ml), 146.0 mg L-ascorbic acid (104.6 mg / ml) and 200.0 mg Na 2 PtCl 4 (142.8 mg / ml ) Was reacted for 3 hours. 10 ml of 2.0 M NaOH solution was slowly added to 1.2 ml of the reaction suspension while cooling with an ice bath and stirred at room temperature for 1 hour. The Lf-PtND generated from the reaction suspension was separated by centrifugation, re-suspended in water and centrifuged to purify it repeatedly.

실시예 4: 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND)의 대량 제조 Example 4 Mass Production of Platinum Nanodendrite (Lf-PtND)

제조예 1 및 2와 동일한 방법으로 수득한 1.8 g의 Au@h-SiO2 나노구 및 2.6 g의 L-아스코르브산을 21 ml의 수성 현탁액에서 혼합하였다. 그런 다음, 혼합 현탁액에 19 ml의 0.5 M Na2PtCl4 용액을 1분 동안 적가하고 상온에서 3시간 동안 교반하였다. 생성된 고체(Pt@SiO2)를 원심분리에 의해 수집하고, 수성 현탁액으로 분산 및 원심분리하는 과정을 3회 반복하여 정제하였다. 정제된 고체(Pt@SiO2)를 300 ml의 2.0 M NaOH 용액에 재분산시키고 상온에서 3시간 동안 교반하였다. 생성된 고체(Lf-PtND)를 원심분리에 의해 수집하고 물로 세척하여 정제하였다. 생성된 고체를 진공하에서 건조하여 1.5 g의 흑색 분말인 표제 화합물을 수득하였다(전체 수율: 81%, Pt의 양 기준). 1.8 g of Au @ h- SiO 2 nanospheres and 2.6 g of L-ascorbic acid obtained in the same manner as in Preparation Examples 1 and 2 were mixed in 21 ml of an aqueous suspension. Then, 19 ml of 0.5 M Na 2 PtCl 4 solution was added dropwise to the mixed suspension for 1 minute and stirred at room temperature for 3 hours. The resulting solid (Pt @ SiO 2 ) was collected by centrifugation, and the process of dispersion and centrifugation with an aqueous suspension was purified three times. The purified solid (Pt @ SiO 2 ) was redispersed in 300 ml of 2.0 M NaOH solution and stirred at room temperature for 3 hours. The resulting solid (Lf-PtND) was collected by centrifugation and purified by washing with water. The resulting solid was dried under vacuum to afford 1.5 g of the title compound as a black powder (total yield: 81%, based on the amount of Pt).

제조된 Pt@SiO2 및 Lf-PtND의 TEM 분석 결과를 도 11에 나타내었다. TEM analysis results of the prepared Pt @ SiO 2 and Lf-PtND are shown in FIG. 11.

Lf-PtND 분말의 질소 흡착-탈착 등온선은 25 m2/g의 넓은 표면적을 나타내었으며, 이로부터 촉매 성능이 증강됨을 예상할 수 있다.
The nitrogen adsorption-desorption isotherm of the Lf-PtND powder exhibited a large surface area of 25 m 2 / g, which can be expected to enhance the catalytic performance.

비교예 1: 구형 Pt/Au 합금 나노결정의 제조Comparative Example 1: Preparation of spherical Pt / Au alloy nanocrystals

실시예 1에서 수득한 20.0 mg의 Pt@SiO2 분말을 노(furnace)에서 5 ℃/분의 가열 속도로 가열하고 Ar + 4% H2의 흐름 하에 400 ℃에서 2 시간 동안 어닐링시켰다. 공동 내에 구형 Pt/Au 나노결정을 함유하는 어닐링된 분말을 10 ml의 2.0 M NaOH 용액에 분산시키고 상온에서 1시간 동안 교반하였다. 현탁액으로부터 생성된 나노결정을 원심분리에 의해 분리하고, 재분산 및 원심분리하는 과정을 반복하여 정제하였다.
20.0 mg of Pt @ SiO 2 powder obtained in Example 1 was heated in a furnace at a heating rate of 5 ° C./min and annealed at 400 ° C. for 2 hours under a flow of Ar + 4% H 2 . The annealed powder containing spherical Pt / Au nanocrystals in the cavity was dispersed in 10 ml of 2.0 M NaOH solution and stirred at room temperature for 1 hour. The nanocrystals produced from the suspension were separated by centrifugation, and the processes of redispersion and centrifugation were repeated and purified.

시험예 1: 전기촉매 활성 측정Test Example 1 Measurement of Electrocatalytic Activity

양성자 교환 막 연료전지(proton-exchange membrane fuel cell: PEMFC)에서 음극 촉매로서 백금 나노덴드라이트(Lf-PtND)의 효과를 평가하기 위하여, 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction: ORR)에 대한 Lf-PtND의 활성을 시판되는 백금 흑 촉매 (Alfa Aesar, HiSPECTM fuel cell grade) 및 비교예 1에서 제조된 구형 Pt/Au 합금 나노결정과 비교하였다. To evaluate the effect of platinum nanodendrite (Lf-PtND) as a cathode catalyst in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC), Lf-PtND on oxygen reduction reaction (ORR) Was compared with commercially available platinum black catalysts (Alfa Aesar, HiSPEC fuel cell grade) and spherical Pt / Au alloy nanocrystals prepared in Comparative Example 1.

15.3 ㎍/cm2의 촉매 각각이 충진된 유리질 탄소(glassy carbon) 회전 디스크 전극(rotating disk electrode: RDE; 회전속도: 1600 rpm)을 사용하여 O2-포화 0.1 M HClO4 전해질 용액에서 얻은 ORR 편극 곡선(스캔 속도: 10 mV/s)을 도 12에 나타내었다. ORR polarization obtained in O 2 -saturated 0.1 M HClO 4 electrolyte solution using glassy carbon rotating disk electrode (RDE; 1600 rpm) filled with 15.3 μg / cm 2 of catalyst The curve (scan speed: 10 mV / s) is shown in FIG.

도 12로부터, Lf-PtND의 편극 곡선은 구형 Pt/Au 합금 나노결정과 비교하여 반파장 및 시작 전위 둘다에서 약 140 mV의 양의 방향 이동을 나타냄을 볼 수 있다. 따라서 Lf-PtND의 전기촉매 성능이 구형 나노결정에 비해 현저히 개선됨을 확인할 수 있었다. 0.85 V에서 ORR에 대한 Lf-PtND의 질량활성(mass activity) 및 비활성(specific activity)은 구형 Pt/Au 합금 나노결정 보다 훨씬 더 컸으며, 이는 ORR 촉매로서 수지상 형태의 백금 나노결정의 효과가 구형 보다 우수함을 입증한다. Lf-PtND의 현저히 증가된 전기촉매 활성은 다수의 가장자리 및 모서리 원자가 존재할 뿐만 아니라 촉매적으로 효과적인 표면적이 크기 때문이다. Lf-PtND의 전기촉매 표면적(ECSA)는 백금 촉매의 질량을 기준으로 비교할 때 구형 Pt/Au 합금 나노결정 보다 3.5 배 컸다. 아울러, Lf-PtND는 시판되는 백금 흑 촉매 보다 약 4배 더 큰 질량활성을 나타내었으며, 이는 Lf-PtND를 ORR 촉매로서 사용하는 것이 경제적인 관점에서 유망함을 나타낸다. 12, it can be seen that the polarization curve of Lf-PtND shows a positive directional shift of about 140 mV at both half wavelength and starting potential as compared to the spherical Pt / Au alloy nanocrystals. Therefore, it was confirmed that the electrocatalyst performance of Lf-PtND was significantly improved compared to the spherical nanocrystals. The mass activity and specific activity of Lf-PtND against ORR at 0.85 V was much greater than that of the spherical Pt / Au alloy nanocrystals, which showed that the effect of the dendritic platinum nanocrystals as ORR catalysts was spherical. Prove better. Significantly increased electrocatalytic activity of Lf-PtND is due to the presence of a large number of edge and corner atoms as well as a large catalytically effective surface area. The electrocatalyst surface area (ECSA) of Lf-PtND was 3.5 times larger than the spherical Pt / Au alloy nanocrystals when compared based on the mass of the platinum catalyst. In addition, Lf-PtND exhibited about four times more mass activity than commercially available platinum black catalysts, indicating that it is economically promising to use Lf-PtND as an ORR catalyst.

Claims (11)

금 나노결정에 백금 나노결정이 수지상 구조로 형성되어 있는 백금 나노덴드라이트의 제조방법으로서,
(i) 공동의(hollow) 다공성(porous) 실리카 나노껍질 및 상기 공동에 갇힌(entrapped) 금 나노결정을 포함하는 나노래틀(nanorattle) 구조물을 포함하는 수성 현탁액에서 백금염을 환원제와 반응시켜 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트를 수득하는 단계; 및
(ii) 상기 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트로부터 다공성 실리카 껍질을 제거하는 단계를 포함하는 제조방법.
As a manufacturing method of platinum nano dendrites in which platinum nanocrystals are formed in a dendritic structure on gold nanocrystals,
(i) Platinum salts are reacted with a reducing agent in an aqueous suspension comprising a hollow porous silica nanoshell and a nanorattle structure comprising the entrapped gold nanocrystals to react the porous silica with a reducing agent. Obtaining a platinum nanodendrite coated with a shell; And
(ii) removing the porous silica shell from the platinum nano dendrites coated with the porous silica shell.
제1항에 있어서, 금 나노결정의 크기가 2 내지 10 nm이고, 공동의 크기가 10 내지 50 nm이며, 나노래틀 구조물의 크기가 20 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 1, wherein the size of the gold nanocrystals is 2 to 10 nm, the size of the cavity is 10 to 50 nm, and the size of the nanorattle structure is 20 to 100 nm. 제1항에 있어서, 단계 (i)에서 백금염으로 Na2PtCl4, K2PtCl4, Na2PtCl6, K2PtCl6, PtCl2 또는 Pt(NO3)2를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, characterized in that in step (i) Na 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 4 , Na 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 6 , PtCl 2 or Pt (NO 3 ) 2 is used as the platinum salt. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 단계 (i)에서 환원제로 아스코르브산, 히드라진 또는 NaBH4를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 1, wherein ascorbic acid, hydrazine or NaBH 4 is used as reducing agent in step (i). 제1항에 있어서, 단계 (ii)에서 다공성 실리카 껍질의 제거가 다공성 실리카 껍질로 코팅된 백금 나노덴드라이트를 염기 용액으로 처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the removal of the porous silica shell in step (ii) is carried out by treating the platinum nanodendrite coated with the porous silica shell with a base solution. 제5항에 있어서, 염기로 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화암모늄을 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.6. The process according to claim 5, wherein sodium hydroxide, potassium hydroxide or ammonium hydroxide is used as the base. 제1항에 있어서, 단계 (i) 및 (ii)를 동일 반응기에서 연속적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 1, wherein steps (i) and (ii) are carried out continuously in the same reactor. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 공동의 다공성 실리카 나노껍질 및 상기 공동에 갇힌 금 나노결정을 포함하는 나노래틀 구조물이
(a) 산화철 나노결정과 금 이온 착물을 폴리에텔렌글리콜계 계면활성제의 존재 하에 실리카 나노껍질로 피막화(encapsulation) 반응시켜, 금 나노결정이 산화철 나노결정에 부착된 하이브리드 나노결정 및 실리카 나노껍질을 포함하는 실리카 나노구를 수득하는 단계; 및
(b) 상기 실리카 나노구를 수소화붕소나트륨으로 처리하여 상기 산화철 나노결정을 환원 분해하고 상기 실리카 나노껍질을 에칭하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The nanorattle structure of claim 1, wherein the nanorattle structure comprises a porous silica nanoshell of the cavity and gold nanocrystals trapped in the cavity.
(a) Hybrid nanocrystals and silica nanoshells in which the gold nanocrystals are attached to the iron oxide nanocrystals by encapsulation of the iron oxide nanocrystals with the gold ion complex in the presence of a polyethylene glycol-based surfactant. Obtaining a silica nanosphere comprising a; And
(b) treating the silica nanospheres with sodium borohydride to reductively decompose the iron oxide nanocrystals and etch the silica nanoshells.
제8항에 있어서, 단계 (a)에서 산화철로 Fe3O4를 사용하고, 금 이온 착물로 HAuCl4를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 8, wherein in step (a) Fe 3 O 4 is used as the iron oxide and HAuCl 4 is used as the gold ion complex. 제8항에 있어서, 단계 (a)의 피막화 반응이 올레산으로 안정화된 산화철 나노결정과 금 이온 착물을 함유한 수용액을 폴리에텔렌글리콜계 계면활성제를 함유한 시클로헥산 용액에서 혼합하여 금 이온 착물을 함유한 물방울과 산화철 나노결정을 함유한 외부 시클로헥산 상을 포함하는 역마이크로에멀젼 시스템을 형성시킨 다음, 수산화암모늄 수용액과 테트라에틸오르토실리케이트 (tetraethylorthosilicate: TEOS)를 연속적으로 가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.The gold ion complex according to claim 8, wherein the encapsulation reaction of step (a) is mixed with an aqueous solution containing iron oxide nanocrystals stabilized with oleic acid and a gold ion complex in a cyclohexane solution containing a polyethylene glycol-based surfactant. Forming a reverse microemulsion system comprising a water droplet containing water and an external cyclohexane phase containing iron oxide nanocrystals, and then successively adding aqueous ammonium hydroxide solution and tetraethylorthosilicate (TEOS). Manufacturing method. 제10항에 있어서, 산화철로 Fe3O4를 사용하고, 금 이온 착물로 HAuCl4를 사용하며, 폴리에텔렌글리콜계 계면활성제로 폴리옥시에틸렌노닐페닐 에테르를 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 10, wherein Fe 3 O 4 is used as the iron oxide, HAuCl 4 is used as the gold ion complex, and polyoxyethylene nonylphenyl ether is used as the polyethylene glycol-based surfactant.
KR1020100098041A 2010-10-08 2010-10-08 Process for Preparing Nanodendrites KR101168653B1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2848336B1 (en) * 2012-05-11 2017-04-26 LG Chem, Ltd. Method for manufacturing hollow metal nanoparticles
CN103919803B (en) * 2014-04-16 2018-07-31 厦门大学 A kind of anticancer nano drug and preparation method thereof loading arsenical
CN108746603A (en) * 2018-05-31 2018-11-06 西安邮电大学 A kind of monodisperse Au-Ag alloy@SiO2The preparation method of composite nanometer particle
CN113059178B (en) * 2021-03-16 2022-06-14 中国石油大学(北京) Hollow alloy nano-particles and preparation method and application thereof
KR102627437B1 (en) * 2021-05-04 2024-01-18 포항공과대학교 산학협력단 Hybrid metal nanomotor for glucose-powered catalytic chemotaxis and enhanced molecular carriage to cells and the manufacturing method thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100838644B1 (en) 2007-01-29 2008-06-16 충남대학교산학협력단 Metal hallow sphere assemblies using carbon templates and process thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100838644B1 (en) 2007-01-29 2008-06-16 충남대학교산학협력단 Metal hallow sphere assemblies using carbon templates and process thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023191214A1 (en) * 2022-03-30 2023-10-05 포항공과대학교 산학협력단 Nano-hybrid catalyst for hydrogen production and method for manufacturing same

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