KR101206869B1 - Ring Type Palladium Nano Structure Body And The Hydrogen Sensor Using The Palladium Nano Structure Body - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고리형 Pd나노구조체 및 그 Pd나노구조체를 이용한 수소센서에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 포함하는 고리형 Pd나노구조체 및 그 Pd나노구조체를 이용한 수소센서에 관한 것이다.The present invention relates to a cyclic Pd nano structure and a hydrogen sensor using the Pd nano structure. More specifically, cyclic Pd nanostructures including cyclic Pd nanostructures reassembled cubic Pd nanoparticles by controlling the direction and speed of crystal growth of nanoparticles with voltage and current, and hydrogen sensors using the Pd nanostructures It is about.

상술한 본 발명은, 고리형 Pd나노구조체는 그 구조체 자체의 높은 에너지와 표면적이 크고, 화학적으로 물리적 특성을 조절할 수 있고, 구조적으로 매우 안정한 물질이라는 나노의 특이한 작용으로 인해 그 Pd나노구조체를 이용한 수소센서, 상기 수소센서에 수소경보기 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기, 상기 수소센서에 수소농도측정기 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기 등 다양한 분야에 탁월한 효과를 나타낸다. 아울러, 낮은 에너지인 상온, 상압에서 간단하게 나노구조체 형성을 할 수 있어 대량생산이 가능한 고순도 초정밀의 Pd나노구조체를 생산할 수 있다.According to the present invention described above, the cyclic Pd nanostructure has a high energy and surface area of the structure itself, can control chemical properties physically, and uses the Pd nanostructure due to the specific action of the nanostructure that is a highly stable material. Hydrogen sensor, a hydrogen alarm produced by connecting a hydrogen alarm electronic circuit to the hydrogen sensor, a hydrogen concentration meter produced by connecting a hydrogen concentration meter electronic circuit to the hydrogen sensor exhibits excellent effects in various fields. In addition, the nanostructures can be easily formed at room temperature and atmospheric pressure, which is low energy, so that high-purity ultra-precision Pd nanostructures can be produced.

나노, 촉매, 수소, 고리형 Pd나노구조체, 수소센서, 수소경보기, 수소 농도 측정기 Nano, catalyst, hydrogen, cyclic Pd nano structure, hydrogen sensor, hydrogen alarm, hydrogen concentration meter

Description

고리형 Pd나노구조체 및 그 Pd나노구조체를 이용한 수소센서{Ring Type Palladium Nano Structure Body And The Hydrogen Sensor Using The Palladium Nano Structure Body}Ring type Palladium Nano Structure Body And The Hydrogen Sensor Using The Palladium Nano Structure Body}

본 발명은 나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체 및 그 Pd나노구조체를 이용한 수소센서, 상기 수소센서에 수소경보기 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기, 상기 수소센서에 수소농도측정기 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기에 관한 기술이다.The present invention provides a cyclic Pd nanostructure reassembled cubic Pd nanoparticles by controlling the direction and speed of crystal growth of nanoparticles with voltage and current, and a hydrogen sensor using the Pd nanostructure, and a hydrogen alarm electronic circuit in the hydrogen sensor. Hydrogen alarm produced by connecting the, is a technology related to the hydrogen concentration meter produced by connecting the hydrogen concentration meter electronic circuit to the hydrogen sensor.

형상제어된 나노입자를 촉매로 응용하는 연구는 아직 초기단계로서 개념 입증 단계에 머물러 있다.Research into the application of shape-controlled nanoparticles as a catalyst is still in its infancy and proof of concept.

또한, 고순도의 형상제어된 나노입자를 대량 생산할 수 있는 기술이 필수적으로 요구되나 합성이 까다롭고 재현성이 부족하여 연구실에서 수 mg단위의 합성이 전부였다.In addition, the technology to mass-produce high-purity shape-controlled nanoparticles is indispensable, but the synthesis is difficult and the reproducibility is lacking.

이에 본 발명은 고순도의 형상이 제어된 고리형 Pd나노구조체를 대량생산함으로써 그 고리형 Pd나노구조체를 이용한 응용제품으로 수소센서, 상기 수소센서에 수소경보기 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기, 상기 수소센서에 수소농도측정기 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention provides a high-purity controlled cyclic Pd nanostructure mass-produced by using the cyclic Pd nanostructures as a hydrogen sensor, a hydrogen alarm produced by connecting a hydrogen alarm electronic circuit to the hydrogen sensor, the A hydrogen concentration meter manufactured by connecting a hydrogen concentration meter electronic circuit to a hydrogen sensor can be provided.

본 발명은 나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 제공한다.The present invention provides a cyclic Pd nanostructure reassembled cubic Pd nanoparticles by controlling the direction and speed of crystal growth of nanoparticles with voltage and current.

또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체에 산화팔라듐(PdO), 이산화티탄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 산화철(Fe2O3) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속 나노 산화물을 혼합한 고리형 Pd나노구조체 혼합물을 제공한다.In addition, the present invention is a metal nano containing at least one of palladium oxide (PdO), titanium dioxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the cyclic Pd nanostructures Provided is a cyclic Pd nanostructure mixture in which oxides are mixed.

또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체 또는 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물 중 어느 하나 이상을 종이, 유리, 플라스틱 혹은 세라믹 기재에 코팅하고 다공성 인쇄회로기판(PCB)을 설치하여 형성된 수소센서를 제공한다.In addition, the present invention provides a hydrogen sensor formed by coating at least one of the cyclic Pd nanostructure or the cyclic Pd nanostructure mixture on a paper, glass, plastic or ceramic substrate and installing a porous printed circuit board (PCB) do.

또한, 본 발명은 상기 수소센서에 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기를 제공한다.The present invention also provides a hydrogen alarm manufactured by connecting an electronic circuit to the hydrogen sensor.

또한, 본 발명은 상기 수소센서에 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기를 제공한다.The present invention also provides a hydrogen concentration meter manufactured by connecting an electronic circuit to the hydrogen sensor.

상술한 바와 같이 고리형 Pd나노구조체는 그 구조체 자체의 높은 에너지와 표면적이 크고, 화학적으로 물리적 특성을 조절할 수 있고, 구조적으로 매우 안정한 물질이라는 나노의 특이한 작용으로 인해 그 Pd나노구조체를 이용한 수소센서, 상기 수소센서에 수소경보기 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기, 상기 수소센서에 수소농도측정기 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기 등 다양한 분야에 탁월한 효과를 나타낸다.As described above, the cyclic Pd nanostructure has a high energy and surface area of the structure itself, and is able to control chemical properties physically, and due to the unique action of the nano structure, a hydrogen sensor using the Pd nanostructure In addition, the hydrogen alarm produced by connecting the hydrogen alarm electronic circuit to the hydrogen sensor, the hydrogen concentration meter produced by connecting the hydrogen concentration meter electronic circuit to the hydrogen sensor exhibits excellent effects in various fields.

아울러, 낮은 에너지인 상온, 상압에서 간단하게 나노구조체 형성을 할 수 있어 대량생산이 가능한 고순도 초정밀의 Pd나노구조체를 생산할 수 있다.In addition, the nanostructures can be easily formed at room temperature and atmospheric pressure, which is low energy, so that high-purity ultra-precision Pd nanostructures can be produced.

본 발명은 나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체로서 입경 1~30nm로 형상 제어된 나노입자가 재조립된 구조체로서 단위 입자간에 거리를 조절하여 고리형 Pd나노구 조체를 형성하게 하는 기술이다.The present invention is a cyclic Pd nanostructure reassembled cubic Pd nanoparticles by adjusting the crystal growth direction and speed of the nanoparticles with a voltage and a current as a structure in which the nanoparticles of the shape-controlled nanoparticles with a particle diameter of 1 ~ 30nm is reassembled It is a technique for forming a cyclic Pd nanostructure by controlling the distance between particles.

즉, 본 발명은 나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 제공한다.That is, the present invention provides a cyclic Pd nanostructure in which cubic Pd nanoparticles are reassembled by controlling the direction and speed of crystal growth of nanoparticles with voltage and current.

여기서, 상기 전류는 0.01A~10A이고, 상기 전압은 2V~40V인 범위이다.Here, the current is in the range of 0.01A ~ 10A, the voltage is 2V ~ 40V.

이 방법은 나노금속의 결정성장 방향 및 속도를 전압과 전류의 변화로 pH로 조절함으로써 환원속도를 제어하여 나노입자를 재합성한 것이다. In this method, nanoparticles are resynthesized by controlling the reduction rate by adjusting the direction and speed of crystal growth of nanometals with a change in voltage and current.

여기서, 상기 고리형 Pd나노구조체는 pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립하여 형성된다.Here, the cyclic Pd nanostructure is formed by reassembling the cubic Pd nanoparticles by adjusting the pH in the range of 6 ~ 10.

이때, 상기 입방형 Pd나노입자는 입경 1~30nm로 형상 제어된 것을 사용한다.At this time, the cubic Pd nanoparticles are those whose shape is controlled to a particle size of 1 ~ 30nm.

여기서, 본 발명은 Pd금속을 나노미터크기인 Pd나노입자로 만들면서 분자 재조립과정 중 상기 Pd나노입자의 형상 제어를 통해 고리형 Pd나노구조체를 형성하게 하는 기술이다. 이 방법은 Pd나노금속의 결정성장 방향 및 속도를 전압과 전류의 변화로 pH로 조절함으로써 환원속도를 제어하여 상기 고리형 Pd나노구조체를 제조한 것이다. Here, the present invention is a technique for forming a cyclic Pd nanostructure through the shape control of the Pd nanoparticles during the molecular reassembly process while making the Pd metal nanoparticle sized Pd nanoparticles. In this method, the cyclic Pd nanostructure is manufactured by controlling the reduction rate by adjusting the direction and speed of crystal growth of Pd nanometals to pH with a change in voltage and current.

본 발명의 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자와 Pd나노구조체 제조방법은 Pd봉을 사용하여 전해질속에서 전기분해하여 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 생산하고, 수소이온농도를 조절하여 생산된 Pd나노입자가 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체를 생산하는 것이다.1 to 30nm cubic Pd nanoparticles and Pd nanostructure manufacturing method of the present invention by using the Pd rod electrolysis in the electrolyte to produce 100% pure Pd nanoparticles of 1 ~ 30nm cubic nanoparticles, Pd nanoparticles produced by adjusting the hydrogen ion concentration is to produce a cyclic Pd structure having a size of 10 ~ 300nm in which a certain shape that is self-assembled, that is, a ring shape is controlled.

이렇게 합성된 각자 하나의 Pd나노입자(1~30nm)는 넓은 비표면적을 가지며, 형성된 나노구조체(10~300nm)는 특별한 높은 에너지로 기존의 상용 광촉매보다 높은 광활성을 가진다.Each Pd nanoparticle (1 ~ 30nm) synthesized in this way has a large specific surface area, and the formed nanostructure (10 ~ 300nm) has a high optical activity than the conventional commercial photocatalyst with a special high energy.

이때, 나노 물질은 벌크(bulk) 상태와 다른 성질을 나타내며 100nm 이하의 크기에서 물질의 크기와 조성 및 형태 등 화학적 물성을 조절하면 물질의 광 특성, 전기적 특성, 자기적 특성 등 물리적 물성을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 이러한 나노 물질을 이용하여 형성한 나노 구조체는 여러가지 특성을 가지게 되는데 그 첫째는 크기가 작기 때문에 아주 큰 표면을 가지며, 둘째는 화학적으로 물리적 특성을 조절할 수 있다는 것, 셋째는 우수한 타켓 결합 특성을 가지며 구조적으로 매우 안정한 물질이라는 것이다. 이러한 나노구조체 자체의 특별히 높은 에너지와 상기 나노의 특이한 작용으로 인해 여러분야에서 다양한 작용을 할 수 있다.In this case, nanomaterials exhibit different properties from the bulk state, and if the chemical properties such as the size, composition, and shape of the material are controlled at a size of 100 nm or less, the physical properties such as optical properties, electrical properties, and magnetic properties of the materials can be freely changed. You can. Nanostructures formed using these nanomaterials have various characteristics. First, they have a very large surface because of their small size. Second, they can control physical properties chemically. Third, they have excellent target binding properties. It is a very stable substance. The extraordinary high energy of these nanostructures themselves and the unique action of the nanostructures can cause a variety of functions in all of you.

상기 나노구조체의 형상은 도 1에 나타나 있다. 도 1은 Pd원소의 면심입방격자(Face Centered Cubic; FCC)상으로 분석한 것들이다. The shape of the nanostructures is shown in FIG. 1. 1 is an analysis of the face centered cubic (FCC) of the Pd element.

도 1의 경우는 그 Pd는 순수 Pd 금속으로 그 결정구조가 거의 완벽하게 배열된 상태를 보여주는 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy;STEM) 사진이다. 이러한 Pd나노입자들은 다시 집적화되며 이는 분자자기조립에 의한 것으로 이야기되기도 하는데, 집적화된 후에도 고리모양으로 가운데가 빈 형태를 띠게 된다. 이러한 집적화가 계속되더라도 어느 정도까지는 계속하여 고리형태를 보이게 되는데 마치 프렉탈과 같은 경향을 가진다. 결국은 이는 Pd이 원자 수준에서 높은 결정화가 이루어졌음을 의미하는 것으로 이를 통해 높은 반응성과 선택성을 갖는 것으로 짐작하고 있다.In the case of FIG. 1, the Pd is a pure Pd metal, and a scanning transmission electron microscopy (STEM) photograph showing the state in which the crystal structure is almost perfectly arranged. These Pd nanoparticles are re-integrated, which may be said to be due to molecular self-assembly, and even after they are integrated, they have an annular hollow shape. Even if this integration continues, it continues to show a ring shape to some extent, and has a tendency like a fractal. In the end, this means that Pd has high crystallization at the atomic level, and it is assumed that it has high reactivity and selectivity.

상기 Pd나노구조체는 수소흡착력이 대단히 높아지게 된다. 특히 이러한 수소흡착력은 “실험실상 통상의 온도와 압력(이하 본 명세서에서는 “통상 온도와 압력”이라한다, 여기서 “통상의 온도와 압력”이라 함은 물이 액체상태를 유지하는 온도와 1기압은 물론 1기압을 초과하는 경우도 포함한다)”에서도 대단히 효율적으로 나타나는데 대체로 부피대비 약 100배 이상이 되는 것으로 나타났다. 본 반응은 1기압 하에서도 반응이 가능하며 압력이 이를 초과할 경우에도 당연히 반응 가능하다. The Pd nanostructure has a very high hydrogen adsorption force. In particular, the hydrogen adsorption force is referred to as "normal temperature and pressure in the laboratory" (hereinafter, "normal temperature and pressure", where "normal temperature and pressure" means the temperature and 1 atmosphere of water to maintain a liquid state Of course, it also appears to be more than 100 times the volume. The reaction can be carried out even under 1 atm, and of course, even when the pressure exceeds this.

또한, 상기 Pd나노구조체는 수소센서로서도 탁월한 성능을 발휘한다. 수소 센서는 전력 변압기의 고장 파악, 연료전지에서 수소밀도 모니터링, 수소 운송 및 저장시의 누출검사, 산업체에서 가스 모니터링 프로세스, 자동차의 납축전지에 쌓이는 수소 검출, 암모니아, 메탄올 제조업체 및 석유제품의 탈황 등에서 발생하는 수소누출 검사에 응용되고 있다. In addition, the Pd nanostructure exhibits excellent performance as a hydrogen sensor. Hydrogen sensors are used to identify faults in power transformers, monitor hydrogen density in fuel cells, leak checks during transportation and storage of hydrogen, gas monitoring processes in industry, hydrogen accumulation in lead-acid batteries in automobiles, and desulfurization of ammonia, methanol manufacturers and petroleum products. It is applied to the hydrogen leakage test.

종래의 수소센서로는 Pd금속박막과 Pd합금이 사용되어 왔다. 팔라듐(Pd)은 수소에만 선택적으로 반응하기 때문이다. 팔라듐(Pd) 수소센서는 수소분자가 팔라듐(Pd) 내부에 확산되면 Pd금속박막이나 Pd합금의 부피가 늘어나 자유전자의 농도가 감소하여 전기저항이 증가한다는 원리이다.As a conventional hydrogen sensor, a Pd metal thin film and a Pd alloy have been used. This is because palladium (Pd) selectively reacts only with hydrogen. Palladium (Pd) hydrogen sensor is based on the principle that when hydrogen molecules diffuse into the palladium (Pd), the Pd metal thin film or Pd alloy increases in volume, which reduces the concentration of free electrons and increases the electrical resistance.

그러나, 본 발명의 Pd나노구조체는 수소에 노출되면 나노가 아닌 Pd금속박막 이나 Pd합금에서 일어나는 전기저항 특성이 정반대로 전기저항이 급격히 감소한다. 즉, 본 발명의 Pd나노구조체에 수소가 흡입 또는 흡착되면 H+와 e-로 해리되어 전자의 흐름이 활발해지기때문에 저항이 급격히 감소한다. 또한, 종래의 수소센서는 Pd금속박막이나 Pd합금에 열선을 설치하여 수소를 태워 저항변화를 측정하는 데 반하여 본 발명의 Pd나노구조체 수소센서는 열선을 설치할 필요가 없이 수소를 직접 감지하는 센서로서 작용하므로 종래의 수소센서들보다 본 발명의 Pd나노구조체는 센서로서의 높은 성능을 구현할 수 있으며 그 성능이 수십 배 이상이 된다.However, when the Pd nanostructure of the present invention is exposed to hydrogen, the electrical resistance of the Pd metal thin film or Pd alloy which is not nano is reversed, and the electrical resistance rapidly decreases. That is, when hydrogen is sucked or adsorbed to the Pd nanostructure of the present invention, the resistance dissociates into H + and e , and the flow of electrons becomes active. In addition, the conventional hydrogen sensor is installed on the Pd metal thin film or Pd alloy heating wire to measure the resistance change by burning hydrogen, whereas the Pd nano-structure hydrogen sensor of the present invention is a sensor that directly detects hydrogen without the need to install a heating wire As a result, the Pd nanostructure of the present invention can realize higher performance as a sensor than the conventional hydrogen sensors, and its performance is more than tens of times.

또한, 본 발명의 Pd나노구조체 혼합물은 본 발명의 Pd나노구조체와 전기저항 특성이 정반대로 수소에 노출되면 전기저항이 급격히 증가한다. 즉, 본 발명의 Pd나노구조체 혼합물에 수소가 흡입 또는 흡착되면 전자의 흐름을 방해하여 Pd나노구조체 혼합물의 전기저항이 급격히 상승하고 수소가 제거되면 전기저항이 하락하여 원상태로 돌아온다. 또한, 종래의 수소센서는 Pd금속박막이나 Pd합금에 열선을 설치하여 수소를 태워 저항변화를 측정하는 데 반하여 본 발명의 Pd나노구조체 혼합물 수소센서는 열선을 설치할 필요가 없이 수소를 직접 감지하는 센서로서 작용하므로 종래의 수소센서들보다 본 발명의 Pd나노구조체 혼합물은 센서로서의 높은 성능을 구현할 수 있으며 그 성능이 수십 배 이상이 된다. In addition, the Pd nanostructure mixture of the present invention, the electrical resistance of the Pd nanostructure of the present invention is opposite to the electrical resistance is rapidly increased when exposed to hydrogen. That is, when hydrogen is sucked or adsorbed to the Pd nanostructure mixture of the present invention, the flow of electrons is interrupted, and the electrical resistance of the Pd nanostructure mixture is rapidly increased, and when hydrogen is removed, the electrical resistance is decreased to return to the original state. In addition, the conventional hydrogen sensor is installed on the Pd metal thin film or Pd alloy heating wire to measure the resistance change by burning hydrogen, whereas the Pd nano-structure mixture hydrogen sensor of the present invention does not need to install a heating wire sensor to detect hydrogen directly Since it acts as a Pd nano-structure mixture of the present invention than the conventional hydrogen sensors can realize a high performance as a sensor, the performance is several times more.

또한, 종래의 수소센서는 한번 노출되면 교체해야하는 단점이 있으나 본 발명의 Pd나노구조체 수소센서 또는 Pd나노구조체 혼합물 수소센서는 수소에 노출된 후에도 계속 사용할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the conventional hydrogen sensor has a disadvantage that it must be replaced once exposed, but the Pd nano-structure hydrogen sensor or Pd nano-structure mixture hydrogen sensor of the present invention has the advantage that it can continue to use even after exposure to hydrogen.

즉, 상기 Pd나노구조체 수소센서 또는 상기 Pd나노구조체 혼합물 수소센서는 수소노출에 대해 계속 사용가능하며 수명이 길고, 초소형, 대랭생산이 가능하고, 원통형, 사각형 등 여러 모양의 센서로 제작가능하고, 수소감응속도가 500ppm/초로 뛰어나고, 100ppm이하의 미세량의 수소도 감지하고, 다른 가스에는 반응하지 않고 수소에만 반응하고, 히터, 팬 등의 부가적인 장치를 센서에 부착할 필요가 없어 저비용으로 생산가능하고, 초기 수소 노출에 농도표시가 가능하고, 측정온도에 따른 영향이 전혀 없는 등의 장점이 있다.That is, the Pd nano-structure hydrogen sensor or the Pd nano-structure mixture hydrogen sensor can continue to be used for hydrogen exposure, long life, ultra-small, can be produced in cold, can be produced in a variety of shapes, such as cylindrical, rectangular, Excellent hydrogen response rate of 500ppm / sec, detects minute amount of hydrogen below 100ppm, reacts only to hydrogen without reacting to other gases, and does not need to attach additional devices such as heaters and fans to the sensor It is possible to display the concentration of the initial exposure to hydrogen, and there is no effect of measuring temperature at all.

또한, 상기 Pd나노구조체와 상기 Pd나노구조체 혼합물은 수소 흡착력이 종래의 Pd입자나 Pd박막보다 뛰어나므로 광섬유에 코팅하면 전기공급(열선)이 필요없으므로 전기방전에 의한 수소 폭발의 위험이 없는 광섬유센서에 이용될 수 있고 초소형화가 가능하다.In addition, since the Pd nano structure and the Pd nano structure mixture is superior to conventional Pd particles or Pd thin film, the hydrogen adsorption power does not require electric supply (heating wire) when coated on an optical fiber, so there is no danger of hydrogen explosion due to electric discharge. It can be used for and miniaturization is possible.

상기 Pd나노구조체는 다음과 같이 제작된다. The Pd nanostructure is manufactured as follows.

본 발명의 나노구조체 제조방법은 Pd봉을 사용하여 전해질속에서 전기분해하여 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 생산하고, 수소이온농도를 조절하여 생산된 Pd나노입자가 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체를 대량으로 생산하는 것이다.In the nanostructure manufacturing method of the present invention, Pd nanoparticles are 100% pure Pd nanoparticles, which are 1-30 nm cubic nanoparticles by electrolysis in an electrolyte using Pd rods, and Pd nanoparticles are produced by controlling hydrogen ion concentration. It is to mass produce a cyclic Pd structure having a size of 10 ~ 300nm, the shape of which is self-assembled, the shape of which is controlled in a ring shape.

이때, Pd봉을 전극으로 사용하여 전해질 속에서 전극과 물을 전기분해한다.At this time, the electrode and water are electrolyzed in the electrolyte using a Pd rod as an electrode.

여기서, 전해질은 여러 가지를 사용할 수 있으나 염화나트륨(NaCl)을 기준으로 농도는 0.01%~5%로 하며, 전류와 전압은 0.01A~10A, 2V~40V 사이를 교대로 조절하여 양극에서는 염화이온(Cl-)이 팔라듐(Pd)과 결합하여 Pd와 Cl의 금속염을 생성시킨다.Here, the electrolyte may be used in various ways, but the concentration is 0.01% to 5% based on sodium chloride (NaCl), and the current and voltage are alternately adjusted between 0.01A to 10A and 2V to 40V, so that the anode has chloride ion ( Cl ) combines with palladium (Pd) to form metal salts of Pd and Cl.

이러한 공정은 생성된 Pd나노입자와 전해질을 고르게 교반시키는 과정에서 이루어진다. This process is performed in the process of evenly stirring the generated Pd nanoparticles and the electrolyte.

생성된 Pd와 Cl의 금속염 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지고 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자인 팔라듐(Pd)원자가 생성된다. 곧 생성된 팔라듐(Pd)원자는 분자자기조립(응집)을 하면서 Pd나노구조체가 형성되어 생산 용기의 바닥으로 침전된다. 침전된 Pd내에는 염화팔라듐과 Pd나노구조체가 혼재되어 있게 된다. 여기서, 바닥으로 침전된 Pd나노구조체 또는 서서히 바닥으로 가라앉는 침전이 덜된 Pd나노구조체를 염화나트륨 용액과 분리하여 순수한 Pd나노구조체를 얻는다. 이때, 염화이온(Cl-)은 염소기체(Cl2)가 되어 날아가거나 염화나트륨(NaCl) 용액에 다시 들어가고, 상기 수소이온(H+)은 전자를 받아 수소기체(H2)가 된다. 여기서, 용액의 pH 조절이 대단히 중요한데, 이는 pH가 Pd나노구조체의 응집형태와 관련이 크기 때문이다. 통상 pH 6~10에서 원활한 응집이 일어나는 것을 알 수 있다. 여기서, 용액의 pH 조절은 전압과 전류를 조절 하여 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 양을 조절하는 것으로서 pH가 조절된다. 이때, 나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 형성한다. Pd and Cl metal salts of palladium chloride (PdCl 2 ) are formed by the palladium (Pd) atom, which is a cubic Pd nanoparticle of 1 to 30 nm, with the chloride ion (Cl ) dropping by hydrogen ions (H + ) generated around the cathode. Is generated. The resulting palladium (Pd) atoms undergo molecular self-assembly (aggregation) to form Pd nanostructures and settle to the bottom of the production vessel. In the precipitated Pd, palladium chloride and Pd nanostructures are mixed. Here, the Pd nanostructure precipitated to the bottom or the Pd nanostructure gradually precipitated to the bottom is separated from the sodium chloride solution to obtain a pure Pd nanostructure. At this time, the chloride ion (Cl ) is a chlorine gas (Cl 2 ) to fly or re-enter the sodium chloride (NaCl) solution, the hydrogen ion (H + ) receives the electron becomes a hydrogen gas (H 2 ). Here, the pH control of the solution is very important because the pH is related to the aggregation form of the Pd nanostructure. It can be seen that smooth aggregation usually occurs at pH 6-10. Here, pH adjustment of the solution protons (H +) and hydroxide ions (OH -) to adjust the voltage and current, the pH is adjusted as to control the amount of. At this time, the crystal growth direction and speed of the nanoparticles are controlled by voltage and current to form a cyclic Pd nanostructure reassembled cubic Pd nanoparticles.

본 발명의 또 다른 성과는 상기의 Pd나노구조체를 획득하는 방법을 또다시 크게 개선했다는 점이다.Another achievement of the present invention is that the method of obtaining the Pd nanostructures is again greatly improved.

상기 공정에서 전극으로 사용하는 Pd봉(순수 Pd금속 덩어리)을 전극으로 사용 전에 수소를 흡장(흡수하여 저장)하도록 하여 사용할 경우 Pd나노구조체 생산 효율을 획기적으로 상승시킬 수 있었다. 여기서 수소 흡장이라 함은 Pd격자 사이로 수소를 주입하는 것을 말한다.When the Pd rod (pure Pd metal mass) used as an electrode in the process was used to absorb (storage and store) hydrogen before using as an electrode, the production efficiency of Pd nanostructures could be significantly increased. Here, hydrogen occlusion refers to injection of hydrogen between Pd lattice.

Pd금속에 수소를 흡장하는 방법은 널리 알려진 것으로 그 어떤 방법이라도 사용할 수 있다. 그 중 하나의 수소흡장법은 Pd금속을 수소 기체 분위기에서 압력과 온도를 올리면 수소가 Pd에 흡장되는 것이다. 이때 수소 흡장량은 압력과 온도와 시간에 비례한다.The method of occluding hydrogen in Pd metal is widely known, and any method may be used. One of the hydrogen occlusion methods is that hydrogen is occluded in Pd when the Pd metal is raised in pressure and temperature in a hydrogen gas atmosphere. At this time, the hydrogen storage amount is proportional to the pressure, temperature and time.

또한, 수소의 흡장량은 물속에서 지속적으로 수소를 배출하는 것이 중요하므로 가능한 많은 양의 수소를 흡장시키는 것이 필요하다.In addition, since the storage amount of hydrogen is important to continuously discharge hydrogen in water, it is necessary to occlude as much hydrogen as possible.

이후의 공정은 상기 수소를 흡장하지 않은 Pd를 사용하는 것과 유사하며 다음과 같다. The subsequent process is similar to using Pd without occluding hydrogen, as follows.

수소를 흡장한 Pd를 전극으로 사용하여 전해질 속에서 전극과 물을 전기분해 한다.Electrodes and water are electrolyzed in electrolyte using Pd absorbed hydrogen.

이때, 전해질은 여러 가지를 사용할 수 있으나 염화나트륨(NaCl)을 기준으로 농도는 0.01%~5%로 하며, 전류와 전압은 0.01A~10A, 2V~40V 사이를 교대로 조절하여 양극에서는 염화이온(Cl-)이 팔라듐(Pd)과 결합하여 Pd와 Cl의 금속염을 생성시킨다.In this case, various electrolytes may be used, but the concentration is 0.01% to 5% based on sodium chloride (NaCl), and the current and voltage are alternately controlled between 0.01A to 10A and 2V to 40V to allow chloride ion ( Cl ) combines with palladium (Pd) to form metal salts of Pd and Cl.

이러한 공정은 생성된 나노입자와 전해질을 고르게 교반시키는 과정에서 이루어진다. This process is performed in the process of evenly stirring the resulting nanoparticles and the electrolyte.

생성된 Pd와 Cl의 금속염 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지기도 하나 대부분은 흡장된 수소가 방출되어 염화이온(Cl-)을 분리시키고 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자인 팔라듐(Pd)원자가 생성된다. 곧 생성된 팔라듐(Pd)원자는 분자자기조립(응집)을 하면서 Pd나노구조체가 형성되어 생산 용기의 바닥으로 침전된다. 침전된 Pd내에는 염화팔라듐과 Pd나노구조체가 혼재되어 있게 된다. 여기서, 바닥으로 침전된 Pd나노구조체 또는 서서히 바닥으로 가라앉는 침전이 덜된 Pd나노구조체를 염화나트륨 용액과 분리하여 순수한 Pd나노구조체를 얻는다. 이때, 염화이온(Cl-)은 염소기체(Cl2)가 되어 날아가거나 염화나트륨(NaCl) 용액에 다시 들어가고, 상기 수소이온(H+)은 전자를 받아 수소기체(H2)가 된다. 여기서, 용액의 pH 조절이 대단히 중요한데, 이는 pH가 Pd나노 구조체의 응집형태와 관련이 크기 때문이다. 통상 pH 6~10에서 원활한 응집이 일어나는 것을 알 수 있다. 이때, 용액의 pH 조절은 전압과 전류를 조절하여 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 양을 조절하는 것으로서 pH가 조절된다. Pd and Cl metal salts of palladium chloride (PdCl 2 ) are formed by the hydrogen ions (H + ) generated around the cathode, and the chloride ions (Cl ) are dropped. However, most of the stored hydrogen is released and the chloride ions (Cl ) And palladium (Pd) atoms, which are cubic Pd nanoparticles of 1 to 30 nm, are produced. The resulting palladium (Pd) atoms undergo molecular self-assembly (aggregation) to form Pd nanostructures and settle to the bottom of the production vessel. In the precipitated Pd, palladium chloride and Pd nanostructures are mixed. Here, the Pd nanostructure precipitated to the bottom or the Pd nanostructure gradually precipitated to the bottom is separated from the sodium chloride solution to obtain a pure Pd nanostructure. At this time, the chloride ion (Cl ) is a chlorine gas (Cl 2 ) to fly or re-enter the sodium chloride (NaCl) solution, the hydrogen ion (H + ) receives the electron becomes a hydrogen gas (H 2 ). Here, the pH control of the solution is very important because the pH is related to the aggregation form of the Pd nanostructure. It can be seen that smooth aggregation usually occurs at pH 6-10. In this case, pH adjustment of the solution has a hydrogen ion (H +) and hydroxide ions (OH -) to adjust the voltage and current, the pH is adjusted as to control the amount of.

특히 수소를 흡장한 Pd를 사용할 경우 수시간에 걸쳐 다량의 Pd나노구조체를 생산할 수 있는데 이는 수소를 흡장하지 않은 Pd를 사용할 경우 Pd나노구조체의 생산이 수분 이내에 멈추는 것과 비교하면 획기적이라 하지 않을 수 없다. Particularly, when Pd containing hydrogen is used, a large amount of Pd nanostructures can be produced over several hours. When Pd without hydrogen is used, production of Pd nanostructures can be inferior compared to stopping production within minutes. .

또한, 수소를 흡장하지 않은 Pd봉을 사용할 경우 침전된 Pd 내에는 염화팔라듐과 Pd나노구조체가 혼재되어 있으나 수소를 흡장한 Pd봉을 사용할 경우 순수한 Pd나노구조체를 얻을 수 있는 점도 큰 차이라 할 수 있다. In addition, when using Pd rods that do not occlude hydrogen, palladium chloride and Pd nanostructures are mixed in the precipitated Pd. However, when Pd rods that occupy hydrogen are used, pure Pd nanostructures can be obtained. have.

여기서, 상기 수소를 흡장한 Pd봉을 사용하여 전기분해에서 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 생산하고, 생산된 Pd나노입자가 수소를 흡장함으로써 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체로 된다.Here, the hydrogen-containing Pd rod produces 100% purity Pd nanoparticles, which are 1-30 nm cubic nanoparticles in electrolysis, and the Pd nanoparticles produced are self-assembled by occluding hydrogen. It has a cyclic Pd structure having a size of 10 to 300 nm whose shape is cyclically controlled.

또한, Pd나노구조체를 형상의 변화를 최소화하기 위하여 고정하는 과정을 수행할 수 있다. In addition, the process of fixing the Pd nanostructure to minimize the change in shape can be performed.

상기 고리형 Pd나노구조체는 온도 10℃~200℃로 유지하면서 압력 10~100기압으로 60분~120분 동안 산소를 제거한 분위기에서 처리하여 구조체의 형상이 고정된 것을 특징으로 한다.The cyclic Pd nanostructure is characterized in that the shape of the structure is fixed by treatment in an atmosphere from which oxygen is removed for 60 minutes to 120 minutes at a pressure of 10 to 100 atmospheres while maintaining the temperature 10 ℃ ~ 200 ℃.

이때, Pd가 PdO로 산화가 일어나지 않게 산소를 제거한 후 불활성기체인 아르곤과 질소등을 가하고 상기 압력을 가하여 상기 고리형 Pd나노 구조체의 형상을 고정한다.At this time, after removing oxygen to prevent oxidation of Pd into PdO, argon and nitrogen, which are inert gases, are added, and the pressure is applied to fix the shape of the cyclic Pd nanostructure.

즉, 생성된 나노구조체를 고정하기 위해서는 온도를 10~200℃로 유지한 채 압력 10~100기압으로 60~120분 동안 산소를 제거한 분위기에서 처리한다. In other words, in order to fix the resulting nanostructures, the temperature is maintained at 10 to 200 ° C. and treated under an atmosphere from which oxygen is removed for 60 to 120 minutes at a pressure of 10 to 100 atmospheres.

이렇게 처리된 Pd는 주로 고리형 Pd나노구조체로 형성이 된다. The treated Pd is mainly formed of a cyclic Pd nanostructure.

이렇게 생성된 나노구조체는 광민감성 촉매(photosensitivity catalyst)로 탁월한 효과가 있는 것으로 판명되었다.The nanostructures thus produced proved to have excellent effects as photosensitivity catalysts.

이 촉매의 구조체는 일반적으로 물을 산화 또는 환원시키는데 필요한 원칙적 에너지인 약 1.23eV 이상의 에너지를 가시광선 영역의 햇빛으로 증폭시킬 수 있는 구조체를 가지며 실험결과 단결정표면상에서 얻어졌던 많은 연구결과보다 실제로 더 높은 반응성과 선택성을 갖는 촉매가 됨을 알 수 있다.The structure of this catalyst generally has a structure capable of amplifying more than about 1.23 eV of energy, which is the principle energy required to oxidize or reduce water, to sunlight in the visible range, and is actually higher than many studies obtained on single crystal surfaces. It can be seen that it is a catalyst having reactivity and selectivity.

이렇게 형상이 제어된 나노입자의 독특한 촉매적 특성은 나노입자 간의 거리를 변화시킴으로써 광학적 특성을 조절할 수 있으며 나노입자의 큰 표면반응뿐만 아니라, 나노구조체가 가지는 양자점(Quantum dot) 에너지로 큰 반응을 나타낸다.The unique catalytic properties of the shape-controlled nanoparticles can control the optical properties by varying the distance between the nanoparticles, and show not only the large surface response of the nanoparticles, but also the quantum dot energy of the nanostructures. .

곧 이 기술의 발전은 전 세계가 하고자 하는 인공 광시스템(artifical photosystem)의 가장 핵심기술의 발명을 의미하는 것이다.In other words, the development of this technology means the invention of the core technology of the artifical photosystem that the world intends to do.

또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체에 산화팔라듐(PdO), 이산화티탄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 산화철(Fe2O3) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속 나노 산화물을 혼합한 고리형 Pd나노구조체 혼합물을 제공한다.In addition, the present invention is a metal nano containing at least one of palladium oxide (PdO), titanium dioxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the cyclic Pd nanostructures Provided is a cyclic Pd nanostructure mixture in which oxides are mixed.

여기서, 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물의 입자크기는 상기 고리형 Pd나노구조체의 입자크기와 동일한 것이 바람직하다.Here, the particle size of the cyclic Pd nanostructure mixture is preferably the same as the particle size of the cyclic Pd nanostructure.

이때, 상기 고리형 Pd나노구조체의 입자크기는 10~300nm이고, 바람직하게는 40~70nm이다. 따라서, 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물의 입자크기는 10~300nm이고, 바람직하게는 40~70nm이다. At this time, the particle size of the cyclic Pd nanostructure is 10 ~ 300nm, preferably 40 ~ 70nm. Therefore, the particle size of the cyclic Pd nanostructure mixture is 10 ~ 300nm, preferably 40 ~ 70nm.

본 발명에 의하면 간단한 방법으로 큰 에너지를 증폭시킬 수 있는 Pd나노구조체를 생산할 수 있으며 이렇게 생성된 Pd나노구조체로 수소센서, 수소경보기, 수소농도측정기를 제조하여 탁월한 성능을 입증하였다. According to the present invention, it is possible to produce a Pd nanostructure that can amplify a large energy by a simple method, and produced a hydrogen sensor, a hydrogen alarm, a hydrogen concentration meter using the Pd nanostructure thus proved excellent performance.

또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체 또는 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물 중 어느 하나 이상을 종이, 유리, 플라스틱 혹은 세라믹 기재에 코팅하고 다공성 인쇄회로기판(PCB)을 설치하여 형성된 수소센서를 제공한다.In addition, the present invention provides a hydrogen sensor formed by coating at least one of the cyclic Pd nanostructure or the cyclic Pd nanostructure mixture on a paper, glass, plastic or ceramic substrate and installing a porous printed circuit board (PCB) do.

여기서, 상기 고리형 Pd나노구조체 또는 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물 중 어느 하나 이상을 부도체 상태인 종이, 유리, 플라스틱 혹은 세라믹 기재에 코팅하는 코팅 두께는 0.002~2mm가 바람직하다. 그러나, 그에 한정하지 않고 용도에 맞게 변화 가능하다. 상기 기재의 갯수는 1개 이상일 수 있다. 즉, 상기 고리형 Pd나노구조체를 하나의 기재 앞 뒷면에 모두 코팅할 수도 있고, 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물을 하나의 기재 앞 뒷면에 모두 코팅할 수도 있고, 하나의 기재 앞면에 상기 고리형 Pd나노구조체를 코팅하고, 같은 기재의 뒷면에 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물을 코팅할 수도 있다. 또는 상기 방법에 의해 코팅된 기재들을 2개, 3개, 4개 등 여러개를 사용할 수 있다.Here, the coating thickness of coating at least one of the cyclic Pd nanostructure or the cyclic Pd nanostructure mixture on a non-conductive paper, glass, plastic or ceramic substrate is preferably 0.002 to 2 mm. However, the present invention is not limited thereto and can be changed to suit the purpose. The number of the substrate may be one or more. That is, the cyclic Pd nanostructures may be coated on both the front and back of one substrate, and the cyclic Pd nanostructure mixture may be coated on both the front and back of one substrate, and the cyclic Pd may be coated on the front of one substrate. The nanostructure may be coated and the cyclic Pd nanostructure mixture may be coated on the back side of the same substrate. Alternatively, two, three, four or more substrates coated by the above method may be used.

이때, 상기 코팅을 하고 다공성 인쇄회로기판(PCB)을 설치하는 수소센서의 모양과 크기도 용도에 따라 조정 가능하다. 여기서, 구멍이 여럿있는 다공은 수소가 흡수되기 쉽도록 하기 위한 부분이다.At this time, the shape and size of the hydrogen sensor to the coating and install a porous printed circuit board (PCB) can also be adjusted according to the application. Here, the pore with several holes is a part for making hydrogen absorbable easily.

일예로, 상기 수소센서를 인쇄회로기판(PCB)형 접점으로 조립할 수 있다. 이때, 상기 인쇄회로기판(PCB)형 접점의 접점 부분이 소켓에 끼워질 수 있다.For example, the hydrogen sensor may be assembled into a PCB type contact. In this case, the contact portion of the PCB-type contact may be inserted into the socket.

또한, 본 발명은 상기 수소센서에 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기를 제공한다.The present invention also provides a hydrogen alarm manufactured by connecting an electronic circuit to the hydrogen sensor.

즉, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체 또는 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물 중 어느 하나 이상을 종이, 유리, 플라스틱 혹은 세라믹 기재에 코팅하고 다공성 인쇄회로기판(PCB)을 설치하여 수소센서를 형성하고 상기 수소센서에 수소경보기 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기를 제공한다.That is, the present invention coats at least one of the cyclic Pd nanostructure or the mixture of the cyclic Pd nanostructure on a paper, glass, plastic or ceramic substrate and install a porous printed circuit board (PCB) to form a hydrogen sensor It provides a hydrogen alarm produced by connecting a hydrogen alarm electronic circuit to the hydrogen sensor.

여기서, 상기 수소경보기 전자회로의 구성 소자는 상기 수소센서, CPU, 충방전 전지, 리셋, 경고 LED, 전원 LED, 부저, 디스플레이, 외부출력신호를 포함한다. Here, the components of the hydrogen alarm electronic circuit includes the hydrogen sensor, CPU, charge and discharge battery, reset, warning LED, power LED, buzzer, display, external output signal.

이때, 상기 수소경보기는 상기 수소센서에 상기 수소경보기 전자회로를 설치하여 수소노출시 경고음이 나도록 구성되어 있다. At this time, the hydrogen alarm is configured to emit a warning sound upon hydrogen exposure by installing the hydrogen alarm electronic circuit in the hydrogen sensor.

또한, 본 발명은 상기 수소센서에 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기를 제공한다.The present invention also provides a hydrogen concentration meter manufactured by connecting an electronic circuit to the hydrogen sensor.

즉, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체 또는 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물 중 어느 하나 이상을 종이, 유리, 플라스틱 혹은 세라믹 기재에 코팅하고 다공성 인쇄회로기판(PCB)을 설치하여 수소센서를 형성하고 상기 수소센서에 수소농도측정기 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기를 제공한다.That is, the present invention coats at least one of the cyclic Pd nanostructure or the mixture of the cyclic Pd nanostructure on a paper, glass, plastic or ceramic substrate and install a porous printed circuit board (PCB) to form a hydrogen sensor It provides a hydrogen concentration meter manufactured by connecting a hydrogen concentration meter electronic circuit to the hydrogen sensor.

여기서, 상기 수소농도측정기 전자회로의 구성 소자는 상기 수소센서, CPU, 전원 LED, 수소 주입부, 디스플레이를 포함한다.Here, the components of the hydrogen concentration meter electronic circuit includes the hydrogen sensor, CPU, power LED, hydrogen injection unit, display.

이때, 상기 수소센서에서 수소의 농도에 따라 전기저항이 변화한다는 것을 알 수 있으므로, 역으로 전기저항의 값의 변화데이터로부터 수소 농도를 정확히 측정할 수 있다.In this case, since the electrical resistance is changed according to the concentration of hydrogen in the hydrogen sensor, the hydrogen concentration can be accurately measured from the change data of the value of the electrical resistance.

또한, 상기 고리형 Pd나노구조체 분석은 TEM(transmission electron microscope; 투과형 전자현미경), HREM(High-resolution transmission electron microscopy; 고 분해능 투과형 전자현미경), STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy; 주사 투과 전자 현미경)로 분석하였다.In addition, the cyclic Pd nanostructure analysis may be performed using a transmission electron microscope (TEM), a high-resolution transmission electron microscopy (HREM), and a scanning transmission electron microscope (STEM). Analyzed.

도 2에 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 TEM 분석 결과를 나타내었다.Figure 2 shows the results of TEM analysis of the metal powder specimen of the cyclic Pd nanostructures.

도 2와 같이, Pd나노입자가 붙어서 고리형을 형성하는 고리형 Pd나노구조체의 크기는 10nm 정도이고 A 영역 (대부분의 영역)은 거의 Pd 원소로 구성된다.As shown in FIG. 2, the size of the cyclic Pd nanostructure to which the Pd nanoparticles are attached to form a ring is about 10 nm, and the A region (most regions) is almost composed of Pd elements.

도 3에 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 STEM 분석 결과를 나타내었다.3 shows the results of STEM analysis of the metal powder specimen of the cyclic Pd nanostructure.

도 3은 Pd나노입자가 고리형 Pd나노구조체로 완전한 구조체를 형성한 것을 나타낸다. 즉, 도 3은 Pd나노입자의 면심입방격자(Face Centered Cubic; FCC)상으로 분석한 것으로서, 그 Pd나노입자는 순수 Pd 금속으로 그 결정구조가 거의 완벽하게 배열된 상태를 보여주는 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy;STEM) 사진이다. 여기서, 불빛이 링 모양으로 있는 것은 나노 입자 하나 하나가 정확하게 결정체가 되었다는 것을 보여준다.3 shows that the Pd nanoparticles form a complete structure with a cyclic Pd nanostructure. That is, Figure 3 is a face centered cubic (FCC) analysis of the Pd nanoparticles, the Pd nanoparticles are pure Pd metal scanning electron microscope showing the state that the crystal structure is almost perfectly arranged (scanning transmission electron microscopy; STEM). Here, the ringing of the light shows that every single nanoparticle is exactly a crystal.

도 4는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 HREM(High-resolution transmission electron microscopy; 고 분해능 투과형 전자현미경) 사진으로서 투과된 전자빔에 의한 대조이미지(contrast image)를 분석한 것을 나타낸다.FIG. 4 is a high-resolution transmission electron microscopy (HREM) photograph of a metal powder specimen of a cyclic Pd nanostructure, showing analysis of a contrast image by a transmitted electron beam.

도 4와 같이, 본 발명의 Pd나노구조체는 고리형임을 나타낸다.As shown in FIG. 4, the Pd nanostructure of the present invention is cyclic.

도 5는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy; 주사 투과 전자 현미경) 사진으로서 좌측 사진은 BF 즉, STEM의 명시야(z-contrast)이고, 우측 사진은 HAADF 즉, STEM의 암시야(z-contrast)를 나타내는 사진이다.FIG. 5 is a Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) picture of the metal powder specimen of the cyclic Pd nanostructure, the left picture is BF, that is, the Z-contrast of STEM, and the right picture is HAADF, The picture shows the z-contrast of STEM.

도 5와 같이, 본 발명의 Pd나노구조체는 고리형임을 나타낸다.As shown in FIG. 5, the Pd nanostructure of the present invention is cyclic.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

실시예 1Example 1

Pd봉 300g을 전극으로 사용하여 3% 농도의 염화나트륨 전해질 500g속에서 전극과 물을 전기분해하여 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 100g 생산하였다. 이때, 전류와 전압은 0.01A~10A, 2V~40V 사이를 교대로 조절하여 pH를 8로 조절하여 양극에서는 염화이온(Cl-)이 팔라듐(Pd)과 결합하여 Pd와 Cl의 금속염인 염화팔라듐(PdCl2)을 280g 생성시켰다. 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지고 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자인 팔라듐(Pd)원자가 생성되었다. 곧 생성된 팔라듐(Pd)원자는 분자자기조 립(응집)을 하면서 Pd나노구조체가 형성되어 생산 용기의 바닥으로 침전되었다. 바닥으로 침전된 Pd나노구조체 또는 서서히 바닥으로 가라앉는 침전이 덜된 Pd나노구조체를 염화나트륨 용액과 분리하여 수소이온농도를 조절하여 생산된 Pd나노입자가 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체를 50g 생산하였다.The electrode and water were electrolyzed in 500 g of 3% sodium chloride electrolyte using 300 g of Pd rod as an electrode, thereby producing 100 g of 100% pure Pd nanoparticles, which are 1-30 nm cubic nanoparticles. At this time, the current and voltage are alternately adjusted between 0.01A ~ 10A and 2V ~ 40V to adjust the pH to 8. At the positive electrode, chloride ion (Cl ) is combined with palladium (Pd), which is a metal salt of Pd and Cl. 280 g of (PdCl 2 ) was produced. The palladium chloride (PdCl 2 ) is ions (Cl ) drop by the hydrogen ions (H + ) generated around the cathode and a palladium (Pd) atom, a cubic Pd nanoparticle of 1 to 30nm was produced. The resulting palladium (Pd) atoms were molecularly self-assembled (aggregated) to form Pd nanostructures and settled to the bottom of the production vessel. The Pd nanostructures precipitated to the bottom or Pd nanostructures gradually settled to the bottom are separated from the sodium chloride solution to control the hydrogen ion concentration, and the Pd nanoparticles produced by self-assembly are uniformly shaped, that is, the shape is controlled. 50 g of a cyclic Pd structure having a size of 10 to 300 nm was produced.

실시예 2Example 2

실시예 1에서 생성된 고리형 Pd나노구조체를 이용하여 수소센서를 제작하였다. 먼저 도 6과 같이, 가로 20mm, 세로 7mm의 부도체인 종이에 상기 고리형 Pd나노구조체를 0.01mm로 코팅하였다. 그런 다음, 도 7과 같이, 다공성의 인쇄회로기판을 설치하여 PCB형 접점으로 조립하였다.A hydrogen sensor was manufactured using the cyclic Pd nanostructure produced in Example 1. First, as shown in FIG. 6, the annular Pd nanostructure was coated with 0.01 mm on a paper that is a non-conductor having a width of 20 mm and a length of 7 mm. Then, as shown in Figure 7, a porous printed circuit board was installed and assembled into a PCB-type contact.

실시예 3Example 3

실시예 1에서 생성된 고리형 Pd나노구조체 혼합물을 이용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수소센서를 제작하였다.A hydrogen sensor was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the cyclic Pd nanostructure mixture produced in Example 1 was used.

실시예 4Example 4

실시예 2에서 제작한 수소센서와 실시예 3에서 제작한 수소센서를 각각 도 8과 같이 1L의 용기에 넣고 여기에 수소를 하기 표 1과 같이 농도별로 주입하고 디지털 테스터기(상품명:애질런트(Agilent) 34970A)로 전기저항을 측정하여 도 9(실 시예 2의 고리형 Pd나노구조체 수소센서의 경우)와 도 10(실시예 3의 고리형 Pd나노구조체 혼합물 수소센서의 경우)에 전기저항비로 나타내었다.Put the hydrogen sensor produced in Example 2 and the hydrogen sensor produced in Example 3 in a container of 1L as shown in Fig. 8, respectively, and injected hydrogen according to the concentration as shown in Table 1 below, and a digital tester (trade name: Agilent) 34970A) was used to measure the electrical resistance and shown in FIG. 9 (in the case of the cyclic Pd nanostructure hydrogen sensor of Example 2) and FIG. 10 (in the case of the cyclic Pd nanostructure mixture hydrogen sensor of Example 3). .

여기서, 전기저항비(%)는

Figure 112009079469042-pat00001
으로 나타내었다.Here, the electrical resistance ratio (%) is
Figure 112009079469042-pat00001
As shown.

단위unit 수소 농도Hydrogen concentration %% 0.010.01 0.050.05 0.10.1 0.50.5 1One 22 33 44 cccc 0.10.1 0.50.5 1One 55 1010 2020 3030 4040 ppmppm 100100 500500 10001000 50005000 1000010000 2000020000 3000030000 4000040000

* 사용주사기는 500cc, 10cc, 5cc, 1cc 이였다.* The syringes used were 500cc, 10cc, 5cc and 1cc.

도 9와 같이, 실시예 2의 고리형 Pd나노구조체 수소센서의 경우 수소 노출 후 10초 동안 수소 농도가 증가할 수록 전기저항이 급격히 감소함을 알 수 있었다.As shown in FIG. 9, in the case of the cyclic Pd nanostructure hydrogen sensor of Example 2, it was found that as the hydrogen concentration increased for 10 seconds after the hydrogen exposure, the electrical resistance rapidly decreased.

또한, 도 10과 같이, 실시예 3의 고리형 Pd나노구조체 혼합물 수소센서의 경우 수소 노출 후 10초 동안 수소 농도가 증가할 수록 전기저항이 급격히 증가함을 알 수 있었다.In addition, as shown in Figure 10, in the case of the cyclic Pd nano-structure mixture hydrogen sensor of Example 3 it can be seen that the electrical resistance increases rapidly as the hydrogen concentration increases for 10 seconds after hydrogen exposure.

실시예 5Example 5

상기 실시예 2 또는 상기 실시예 3으로 제작한 수소센서에 도 11과 같이 전자회로를 구성하여 수소 노출 시 경고음이 나는 수소경보기를 제작하였다.An electronic circuit was constructed in the hydrogen sensor manufactured in Example 2 or Example 3 as shown in FIG. 11 to produce a hydrogen alarm having a warning sound when hydrogen was exposed.

상기 실시예 2 또는 상기 실시예 3으로 제작한 수소센서에 수소가 노출되면 중앙처리장치(CPU)는 상기 센서를 매 33초 마다 스캔하였다. 그런 다음, 초기 저항값과 변화값을 감지하여 이미 저장되어 있는 도 9 또는 도 10의 데이타를 적분계산하여 수소 농도를 적용하여 디스플레이에 수소 농도를 표시하였고 농도지정시위치에 지정된 수소 농도 이상이면 경고LED와 부저를 작동시켰다. 또한, 수소 노출로 인한 피해를 예방하기 위하여 외부출력신호 단자로 3V 전원을 공급하여 수소 노출 원인이 된 기기를 제거할 수 있도록 하였다.When hydrogen is exposed to the hydrogen sensor manufactured in Example 2 or Example 3, the CPU scans the sensor every 33 seconds. Then, the initial resistance value and the change value are sensed, and the hydrogen concentration is applied to the display by integrating the already stored data of FIG. 9 or FIG. 10 and displaying the hydrogen concentration. The LED and the buzzer were activated. In addition, in order to prevent damage caused by hydrogen exposure, 3V power was supplied to the external output signal terminal to remove the equipment causing the hydrogen exposure.

경고음을 듣고 리셋 버튼을 누르면 대기상태로 전환되었고, 이런 모든 정보를 디스플레이에 표기하도록 설계하였다.When I heard the beep and pressed the reset button, it went to standby, and all of this information was displayed on the display.

실시예 6Example 6

상기 실시예 2의 수소센서 및 상기 실시예 3의 수소센서를 함께 사용하여 도 9와 도 10의 전기적 특성을 동시에 활용함으로써 상기 실시예 2의 수소센서 및 상기 실시예 3의 수소센서가 동시에 작동하여야 경고를 할 수 있도록 한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 수소경보기를 제작하였다.The hydrogen sensor of Example 2 and the hydrogen sensor of Example 3 should be operated simultaneously by simultaneously utilizing the electrical characteristics of FIGS. 9 and 10 by using the hydrogen sensor of Example 2 and the hydrogen sensor of Example 3 together. A hydrogen alarm was produced in the same manner as in Example 5 except that the warning was possible.

실시예 7Example 7

상기 실시예 2 또는 상기 실시예 3으로 제작한 수소센서에 도 11과 같이 전자회로를 구성하여 수소 농도 측정기를 제작하였다.An electronic circuit was constructed in the hydrogen sensor manufactured in Example 2 or Example 3 as shown in FIG. 11 to prepare a hydrogen concentration meter.

상기 실시예 2 또는 상기 실시예 3으로 제작한 수소센서에 수소가 공급되면 중앙처리장치(CPU)는 상기 수소센서를 매 33초 마다 스캔하였다. 그런 다음, 초기 저항값과 변화값을 감지하여 이미 저장되어 있는 도 9 또는 도 10의 데이타를 적분계산하여 수소 농도를 적용하여 디스플레이에 수소 농도를 표시하였다. When hydrogen is supplied to the hydrogen sensor manufactured in Example 2 or Example 3, the CPU scans the hydrogen sensor every 33 seconds. Thereafter, the initial resistance value and the change value were sensed and the hydrogen concentration was applied to the display by integrating the already stored data of FIG. 9 or FIG. 10 to display the hydrogen concentration on the display.

이때, 수소센서는 교체하기 쉽게 전자회로 메인 PCB-ON 소켓형으로 설계하였다. At this time, the hydrogen sensor is designed as an electronic circuit main PCB-ON socket type for easy replacement.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 고리형 Pd나노구조체의 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy;STEM) 사진이다.1 is a scanning transmission electron microscopy (STEM) photograph of a cyclic Pd nanostructure prepared according to the present invention.

도 2는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 TEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.Figure 2 is a photograph showing the results of TEM analysis of the metal powder specimen of the cyclic Pd nanostructures.

도 3은 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 결정구조가 거의 완벽하게 배열된 상태를 나타내는 STEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.3 is a photograph showing the results of STEM analysis showing a state in which the crystal structures of the metal powder specimens of the cyclic Pd nanostructure are almost perfectly arranged.

도 4는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 HREM(High-resolution transmission electron microscopy; 고 분해능 투과형 전자현미경) 사진으로서 투과된 전자빔에 의한 대조이미지(contrast image)를 분석한 것을 나타낸다.FIG. 4 is a high-resolution transmission electron microscopy (HREM) photograph of a metal powder specimen of a cyclic Pd nanostructure, showing analysis of a contrast image by a transmitted electron beam.

도 5는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy; 주사 투과 전자 현미경) 사진으로서 좌측 사진은 BF 즉, STEM의 명시야(z-contrast)이고, 우측 사진은 HAADF 즉, STEM의 암시야(z-contrast)를 나타내는 사진이다.FIG. 5 is a Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) picture of the metal powder specimen of the cyclic Pd nanostructure, the left picture is BF, that is, the Z-contrast of STEM, and the right picture is HAADF, The picture shows the z-contrast of STEM.

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 Pd나노구조체로 나노코팅하여 수소센서를 제조하는 것을 나타낸 도면이다.Figure 6 is a view showing the production of a hydrogen sensor by nano-coating with a Pd nanostructure according to an embodiment of the present invention.

도 7은 도 6의 나노코팅한 Pd나노구조체에 다공성 인쇄회로기판을 설치하여 수소센서를 제조하는 것을 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a view illustrating a hydrogen sensor manufactured by installing a porous printed circuit board on the nano-coated Pd nanostructure of FIG. 6.

도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 Pd나노 수소센서로 수소 농도별 전기저항을 측정하는 실험장치를 나타낸 도면이다.8 is a view showing an experimental apparatus for measuring the electrical resistance according to the hydrogen concentration by the Pd nano hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 Pd나노구조체 수소센서로 수소 농도별 전기저항을 측정하여 전기저항비로 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing electrical resistance ratios by measuring electrical resistance for each hydrogen concentration with a Pd nanostructure hydrogen sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 Pd나노구조체 혼합물 수소센서로 수소 농도별 전기저항을 측정하여 전기저항비로 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing the electrical resistance ratio by measuring the electrical resistance of each hydrogen concentration with a Pd nano-structure mixture hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 Pd나노 수소센서에 수소경보기 전자회로를 설치하여 구성한 수소경보기를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating a hydrogen alarm configured by installing a hydrogen alarm electronic circuit in a Pd nano hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 Pd나노 수소센서에 수소 농도 측정기 전자회로를 설치하여 구성한 수소 농도 측정기를 나타낸 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating a hydrogen concentration meter configured by installing a hydrogen concentration meter electronic circuit in a Pd nano hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.

Claims (8)

나노 입자의 결정성장 방향과 속도를 전압과 전류로 조절하고, pH를 6 내지 10의 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 자기조립에 의해 응집시켜 형성한 고리형 Pd나노구조체.A cyclic Pd nanostructure formed by agglomerating cubic Pd nanoparticles by self-assembly by controlling the direction and speed of crystal growth of nanoparticles with voltage and current, and adjusting the pH in a range of 6 to 10. 제1항에 있어서, 상기 전류는 0.01A~10A이고, 상기 전압은 2V~40V인 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체.The cyclic Pd nanostructure of claim 1, wherein the current is 0.01A to 10A and the voltage is 2V to 40V. 제1항에 있어서, 상기 입방형 Pd나노입자는 입경 1~30nm로 형상 제어된 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체. The cyclic Pd nanostructure of claim 1, wherein the cubic Pd nanoparticles are shape-controlled to have a particle diameter of 1 to 30 nm. 제1항에 있어서, 상기 고리형 Pd나노구조체는 온도 10℃~200℃로 유지하면서 압력 10~100기압으로 60분~120분 동안 산소를 제거한 분위기에서 처리하여 구조체의 형상이 고정된 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체.The method of claim 1, wherein the cyclic Pd nano structure is characterized in that the shape of the structure is fixed by treating in an atmosphere from which oxygen is removed for 60 minutes to 120 minutes at a pressure of 10 to 100 atm while maintaining the temperature 10 ℃ ~ 200 ℃ Cyclic Pd nanostructures. 제1항에 기재된 상기 고리형 Pd나노구조체에 산화팔라듐(PdO), 이산화티 탄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 산화철(Fe2O3) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속 나노 산화물을 혼합한 고리형 Pd나노구조체 혼합물.The metal containing any one or more of palladium oxide (PdO), titanium dioxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the cyclic Pd nanostructure of claim 1 Cyclic Pd nanostructure mixture of nano oxides. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 상기 고리형 Pd나노구조체 또는 제5항에 기재된 상기 고리형 Pd나노구조체 혼합물 중 어느 하나 이상을 종이, 유리, 플라스틱 혹은 세라믹 기재에 코팅하고 다공성 인쇄회로기판(PCB)을 설치하여 형성된 수소센서.The coating of any one or more of the cyclic Pd nanostructures according to any one of claims 1 to 4 or the mixture of the cyclic Pd nanostructures according to claim 5 on a paper, glass, plastic or ceramic substrate and porous printing Hydrogen sensor formed by installing a circuit board (PCB). 제6항 기재의 상기 수소센서에 전자회로를 연결하여 제조한 수소경보기.A hydrogen alarm produced by connecting an electronic circuit to the hydrogen sensor of claim 6. 제6항 기재의 상기 수소센서에 전자회로를 연결하여 제조한 수소농도측정기.A hydrogen concentration measuring instrument manufactured by connecting an electronic circuit to the hydrogen sensor of claim 6.
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