KR101342594B1 - 금속 나노결정의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
금속 나노결정 전구체 및 환원제를 백금 촉매 존재하에 용액상에서 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법을 개시한다.
본 발명의 제조 방법은 간단하면서도 높은 수율로 금속 나노결정을 제조하는 것이 가능하다.
금속 나노결정, 용액법
Description
본 발명은 금속 나노결정의 제조 방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 간단하면서도 높은 수율로 금속 나노결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속 나노결정은 양자점으로도 불리며, 보어(Bohr) 엑시톤 반경보다 더 작은 크기 즉, 수 나노 미터의 크기를 가지며 상기 양자점 내에 많은 수의 전자를 가지지만 자유 전자의 수는 1 내지 100 개 정도로 제한된다.
이 경우 상기 전자들이 가지는 에너지 준위가 불연속적으로 제한되어 연속적인 밴드를 형성하는 벌크(bulk) 상태의 금속과는 다른 전기적 및 광학적 특성을 나타낸다.
예를 들어 종래에는 일정한 밴드갭을 가지는 반도체를 얻기 위해서 여러 가지 도체 및 부도체를 혼합하여야 했었지만 반도체 양자점은 그 크기에 따라 에너지 준위가 달라지기 때문에 단순히 크기를 바꾸어 줌으로써 밴드갭을 조절할 수 있다. 또한, 벌크 상태의 반도체와 달리 전자를 추가하는데 드는 에너지가 균일하지 않고 서로 단계적으로 변하게 되어 기존에 존재하는 하나의 전자가 새로운 전자의 추가를 방해하는 소위 쿨롱 봉쇄(coulomb blockade) 효과가 발생하기도 한다.
따라서, 이러한 금속 나노결정의 새로운 성질에 의해 광자기적(magnetooptic), 열전적(thermoelectric), 전기자기적(magnetoelectric) 기능의 구현이 가능하며 보다 구체적으로는 정보 저장 매체, 단전자 소자, 발광 소자(LED), 생체 분자 라벨링 및 태양 전지 등 다양한 분야에서 이용이 가능하다.
금속 나노결정의 제조 방법으로는 기상법, 액상법 등이 있으며 기상법으로는 유기금속 화학증착(MOCVD: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 분자선 에피택시(MBE: molecular Beam Epitaxy) 등의 방법이 있다. 그러나, 기상법은 나노결정의 결정성은 높지만 나노 결정의 밀도 및 균일도를 조절하기 어려운 문제가 있다.
이에 반해 액상법은 화학적 습식 합성 방법으로서 유기 용매상에서 결정을 성장시키는 방법으로서 반응 조건에 따라 나노결정의 물성을 제어하기가 용이하고 제조가 간단하여 많은 연구의 대상이 되어 왔다.
그러나, 상기 액상법에 의할 경우 얻어지는 금속 나노결정의 수율이 낮은 것이 문제로 지적되어 왔다. 따라서 높은 수율로 금속 나노결정을 합성할 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 수율로 금속 나노결정을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,
금속 나노결정 전구체 및 환원제를 백금 촉매 존재하에 용액상에서 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 백금 촉매가 H2PtCl6, (NH4)2PtCl4, (NH4)2PtCl6, K2PtCl4, 및 K2PtCl6 로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 금속 나노결정 전구체의 금속이 2족 금속, 3족 금속, 또는 4족 금속인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 금속 나노결정 전구체의 금속이 Si, Sn, Ge, Al, 및 Pb로 이루어진 군에서 선택되는 1이 상의 금속인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 금속 나노결정 전구체의 금속이 리튬과 반응하지 않는 금속을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 리튬과 반응하지 않는 금속이 Co, Fe, Ni, Cu 및 Ti 로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 금속인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법 에서 상기 금속 나노결정 전구체가 금속 할로겐화물 로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 환원제가 유기금속 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 유기금속 화합물이 나트륨 나프탈렌화물, 칼륨 나프탈렌화물, 나트륨 안트라센화물 및 칼륨 안트라센화물 로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 용액에 상기 금속 나노결정을 캡핑하는 작용기를 포함하는 화합물이 첨가되는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 금속 나노결정을 캡핑하는 작용기가 탄소수 2 내지 10 의 알킬, 탄소수 3 내지 10 의 아릴알킬, 탄소수 3 내지 10 의 알킬아릴, 또는 탄소수 2 내지 10의 알콕시인 것이 바람직하다.
본 발명의 금속 나노결정 제조 방법은 수율이 낮은 종래 방법과 달리 백금 촉매를 사용하여 높은 수율로 금속 나노결정을 제조하는 것이 가능하다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 금속 나노결정 전구체 및 환원제를 백금 촉매 존재하에 용액상에 서 반응시켜 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법을 제공한다. 상기 백금 촉매는 금속 나노결정의 형성 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 즉, 금속 나노결정 전구체로부터 결정이 성장하는 속도를 증가시켜 얻어지는 금속 나노결정의 수율을 향상시킨다.
보다 구체적으로 상기 백금 촉매는 H2PtCl6, (NH4)2PtCl4, (NH4)2PtCl6, K2PtCl4, 및 K2PtCl6 등이 바람직하나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 다른 백금 촉매도 가능하다.
상기 금속 나노결정 전구체에서 전구체의 금속이 2족 금속, 3족 금속, 또는 4족 금속인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 Si, Sn, Ge, Al, 또는 Pb 등이 바람직하다.
또한, 상기 금속 나노결정 전구체의 금속이 리튬과 반응하지 않는 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 리튬과 반응하지 않는 금속이 Co, Fe, Ni, Cu 및 Ti 등이 바람직하다.
상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 금속 나노결정 전구체는 금속 할로겐화물 등이 바람직하다. 보다 구체적으로는 SiCl4, SnCl4, 및 GeCl4 등이 바람직하나 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 금속 나노결정의 금속을 제공할 수 있는 전구체로서 당해 기술 분야에서 사용 가능한 것이라면 어떠한 전구체라도 가능하다.
한편 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 환원제는 유기금속 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 유기금속 화합물이 나트륨 나프탈렌화물(Sodium Naphthalenide), 칼륨 나프탈렌화물(Potassium Naphthalenide), 나트륨 안트라센화물 (Sodium Anthracenide) 및 칼륨 안트라센화물(Potassium Anthracenide) 등이 바람직하다.
상기 캡핑된 금속 나노결정 제조 방법에서 상기 용액에 상기 금속 나노결정을 캡핑하는 작용기를 포함하는 화합물이 첨가되는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 금속 나노결정을 캡핑하는 작용기는 탄소수 2 내지 10 의 알킬, 탄소수 3 내지 10 의 아릴알킬, 탄소수 3 내지 10 의 알킬아릴, 또는 탄소수 2 내지 10의 알콕시인 것이 바람직하다.
상기의 방법에 의해 고수율로 얻어진 캡핑된 금속 나노결정은 그 물성이 유용한 모든 분야에 사용 가능하다.
특히, 상기 방법에 따라 제조된 캡핑된 금속 나노결정을 비활성 분위기에서 소성시켜 얻어지는 금속 나노결정 복합체를 얻을 수 있다.
이러한 금속 나노결정 복합체는 예를 들어 상기 금속 나노결정 복합체가 입경 20nm 이하의 금속 나노결정 및 상기 금속 나노결정의 표면 상에 형성된 탄소 코팅층으로 이루어진 복합체 제 1 입자를 포함할 수 있다. 그리고, 복수개의 상기 복합체 제 1 입자가 상기 탄소 코팅층을 매개로 서로 연결되어 형성된 복합체 제 2 입자를 포함하는 것도 가능하다.
이러한 금속 나노결정 복합체는 전지의 음극 활물질로 사용가능하며 전지 등에 사용할 수 있다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
캡핑된 금속 나노결정 제조
실시예 1
50ml의 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 6.82g의 SiCl4가 용해된 용액을 교반하면서 상기 용액에 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 소듐 나프탈라이드 가 용해된 용액(상기 소듐 나프탈라이드 용액은 100 ml의 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 소듐 5.4g 및 나프탈렌 19.38g을 첨가하고 밤새 교반하여 제조되었다)을 캐뉼러(cannula)를 통하여 재빨리 첨가하였다. 이어서 3.4g의 H2PtCl6를 첨가하였다. 상기 첨가에 의하여 진한 갈색 분산액이 얻어졌고 이러한 분산액을 30분 동안 추가적으로 교반하였다. 그런 다음, 상기 분산액에 60ml의 부틸리튬을 첨가하였다. 그 결과, 진한 갈색 용액이 즉시 얻어졌다. 이어서, 회전증발기(rotary evaporator)를 사용하여 가열된 수조에서 감압하에 용매와 나프탈렌을 제거하였다. 그리고, 상기 용매 등을 제거한 결과물인 흑갈색 고체는 헥산으로 추출하여 증류수로 세 차례 세척하였다. 이어서, 용매를 제거하고 점성을 가진 연한 노란색 고체가 얻어졌다. 이렇게 하여 캡핑된 금속 나노결정 분말 3.38g 이 얻어졌다. 상기 캡핑된 금속 나노결정 내의 Si 양을 TGA 분석을 통하여 측정하고, 이를 출발 물질 내의 Si양과 비교하여 계산한 수율이 19.3%였다.
실시예 2
50ml의 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 3.41g의 SiCl4 및 5.26g의 SnCl4가 용해된 용액을 교반하면서 상기 용액에 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 소듐 나프탈라이드 가 용해된 용액(상기 소듐 나프탈라이드 용액은 100 ml의 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 소듐 5.4g 및 나프탈렌 19.38g을 첨가하고 밤새 교반하여 제조되었다)을 캐뉼러(cannula)를 통하여 재빨리 첨가하였다. 이어서 3.4g의 H2PtCl6를 첨가하였다. 상기 첨가에 의하여 진한 갈색 분산액이 얻어졌고 이러한 분산액을 30분 동안 추가적으로 교반하였다. 그런 다음, 상기 분산액에 60ml의 부틸리튬을 첨가하였다. 그 결과, 흑갈색 용액이 즉시 얻어졌다. 이어서, 회전증발기(rotary evaporator)를 사용하여 가열된 수조에서 감압하에 용매와 나프탈렌을 제거하였다. 그리고, 상기 용매 등을 제거한 결과물인 연한 노란색 고체는 헥산으로 추출하여 증류수로 세 차례 세척하였다. 이어서, 용매를 제거하고 점성을 가진 연한 노란색 고체가 얻어졌다. 이렇게 하여 캡핑된 금속 나노결정 분말 6.5g 이 얻어졌다.
실시예 3
50ml의 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 8.6g의 GeCl4 가 용해된 용액을 교반하면서 상기 용액에 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 소듐 나프탈라이드 가 용해된 용액(상기 소듐 나프탈라이드 용액은 100 ml의 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에 소듐 5.4g 및 나프탈렌 19.38g을 첨가하고 밤새 교반하여 제조되었다)을 캐뉼러(cannula)를 통하여 재빨리 첨가하였다. 이어서 3.4g의 H2PtCl6를 첨가하였다. 상 기 첨가에 의하여 진한 갈색 분산액이 얻어졌고 이러한 분산액을 30분 동안 추가적으로 교반하였다. 그런 다음, 상기 분산액에 60ml의 부틸리튬을 첨가하였다. 그 결과, 진한 갈색 용액이 즉시 얻어졌다. 이어서, 회전증발기(rotary evaporator)를 사용하여 가열된 수조에서 감압하에 용매와 나프탈렌을 제거하였다. 그리고, 상기 용매 등을 제거한 결과물인 연한 노란색 고체는 헥산으로 추출하여 약산성의 증류수로 세 차례 세척하였다. 이어서, 용매를 제거하고 점성을 가진 연한 노란색 고체가 얻어졌다. 이렇게 하여 캡핑된 금속 나노결정 분말 5.5g 이 얻어졌다.
비교예 1
H2PtCl6를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 캡핑된 금속 나노결정 내의 Si 양을 TGA 분석을 통하여 측정하고, 이를 출발 물질 내의 Si양과 비교하여 계산한 수율이 3.5%였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예에서 얻어진 금속 나노결정의 합성 수율을 하기 표 1 에 나타내었다.
사용된 음극활물질 | 합성조건 | 합성 수율(%) |
실시예 1 | 촉매 사용(H2PtCl6) | 19.3 |
실시예 2 | 촉매 사용(H2PtCl6) | 24.6 |
실시예 3 | 촉매 사용(H2PtCl6) | 21.2 |
비교예 1 | 촉매 사용 않음 | 3.5 |
상기 실시예들의 경우에 비교예에 비해 5배 이상 향상된 수율을 나타내었다.
본 발명의 제조 방법은 간단하면서도 높은 수율로 금속 나노결정을 제조하는 것이 가능하다.
Claims (11)
- 금속 나노결정 전구체 및 환원제를 백금 촉매 존재하에 용액상에서 반응시키는 단계를 포함하며,상기 금속 나노결정 전구체가 금속 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 화합물이며,상기 환원제가 유기금속 화합물이며,상기 백금 촉매가 H2PtCl6, (NH4)2PtCl4, (NH4)2PtCl6, K2PtCl4, 및 K2PtCl6 로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 화합물이며,상기 금속 나노결정 전구체의 금속이 Si, Sn, Ge, Al, 및 Pb로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속 및 리튬과 반응하지 않는 Co, Fe, Cu 및 Ti 로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속 나노결정 제조 방법.
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- 제 1 항에 있어서, 상기 유기금속 화합물이 나트륨 나프탈렌화물, 칼륨 나프탈렌화물, 나트륨 안트라센화물 및 칼륨 안트라센화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 금속 나노결정 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 용액에 상기 금속 나노결정을 캡핑하는 작용기를 포함하는 화합물이 첨가되는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 나노결정 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 금속 나노결정을 캡핑하는 작용기가 탄소수 2 내지 10 의 알킬, 탄소수 3 내지 10 의 아릴알킬, 탄소수 3 내지 10 의 알킬아릴, 또는 탄소수 2 내지 10의 알콕시인 것을 특징으로 하는 금속 나노결정 제조 방법.
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2007
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Patent Citations (2)
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