KR101415729B1 - Synthesis of layered double hydroxide or mixed oxide embedding nanoparticles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 층상이중수산화물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 입자를 포획하고 있는 층상이중수산화물 및 혼합금속산화물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 나노입자-층상이중수산화물 복합체는 온화한 조건에서 생성이 가능하여, 대량생산 및 생산단가 절감이 가능하다. 또한 크기 등의 물성이 조절된 합성 나노입자들을 이용하여 복합체를 만들기 때문에 복합체의 특성 제어가 가능하다. 본 발명의 나노입자-층상이중수산화물은 층상이중수산화물로서 음이온교환체, 촉매지지체, 전자재료, 광학코팅재료, 자외선 흡수체, 광촉매 등 여러 응용분야에서 사용할 수 있으며, 나노입자와 나노입자를 포획하고 있는 모체의 상호작용에 따른 특성이 추가적으로 부여될 수 있다. 합성된 복합체는 나노 입자를 둘러싼 층상이중수산화물 구조를 이루게 되기 때문에 기체나 수분과 같은 외부물질의 침투를 줄여줄 수 있어, 나노 입자를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. 한편, 복합체 내에서의 나노입자의 공간적 구속력이 커지게 되어 열이 가해졌을 때의 서로 phase 분리나 뭉침을 방지할 수 있다. 양자점 나노입자-층상이중수산화물 또는 혼합금속산화물 복합체는 금속산화물 또는 층상이중수산화물이 양자점의 표면 보호층으로 작용하여 발광특성 향상과 같은 현상을 도모할 수 있다. The present invention relates to a layered double hydroxide and a process for producing the layered double hydroxide, and more particularly to a layered double hydroxide and a mixed metal oxide capturing nanoparticles and a method for producing the same.
The nanoparticle-layered double hydroxide complex of the present invention can be produced under mild conditions, and mass production and production cost can be reduced. In addition, composites are made using synthetic nanoparticles whose physical properties such as size are controlled, so that the properties of the composite can be controlled. The nanoparticle-layered double hydroxide of the present invention can be used as a layered double hydroxide in various applications such as an anion exchanger, a catalyst support, an electronic material, an optical coating material, an ultraviolet absorber, a photocatalyst, The characteristics depending on the interaction of the matrix can be additionally given. Since the composite material forms a layered double hydroxide structure surrounding the nanoparticles, the penetration of foreign substances such as gas and moisture can be reduced, and the nanoparticles can be protected from the external environment. On the other hand, the spatial binding force of the nanoparticles in the composite is increased, thereby preventing phase separation or aggregation of the nanoparticles when heat is applied. In the quantum dot nanoparticle-layered double hydroxide or mixed metal oxide composite, a metal oxide or a layered double hydroxide acts as a surface protective layer of a quantum dot, thereby improving the luminescence property.
Description
본 발명은 층상이중수산화물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 입자를 포획하고 있는 층상이중수산화물 및 혼합금속산화물 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a layered double hydroxide and a process for producing the layered double hydroxide, and more particularly to a layered double hydroxide and a mixed metal oxide capturing nanoparticles and a method for producing the same.
2차원 금속 수산화물은 2가 또는 3가 금속이온과 수산화이온의 8면체 구성단위로 이루어진다. 2가 금속 이온으로는 아연, 마그네슘, 코발트, 니켈, 철 이온 등이 사용될 수 있고 3가 금속이온으로는 알루미늄, 크롬, 갈륨 이온 등이 사용될 수 있다. 2차원 금속 수산화물은 임의적으로 분포하고 있는 3가 금속 이온의 존재에 의해서 전체적으로 양전하를 띤다. 일반적으로 수용액에서 합성되는데 수용액 내의 음이온 (예: 탄산이온 (CO3 2 -))들과 정전기적 인력에 의해서 도 1과 같이 양전하 판과 음이온이 교대로 존재하는 구조를 이루고 있다. The two-dimensional metal hydroxide is composed of octahedral units of divalent or trivalent metal ions and hydroxide ions. As the divalent metal ion, zinc, magnesium, cobalt, nickel, iron ion and the like can be used, and as the trivalent metal ion, aluminum, chromium, gallium ion and the like can be used. Two-dimensional metal hydroxides are totally positively charged by the presence of arbitrarily distributed trivalent metal ions. Generally, it is synthesized in an aqueous solution, which is composed of alternating positive and negative ions as shown in FIG. 1 due to anions (for example, carbonate ions (CO 3 2 - )) in the aqueous solution and electrostatic attraction.
이러한 층상이중수산화물의 열처리를 통해서 생성되는 혼합금속산화물은 높은 안정성을 가지며 2가 금속 이온과 3가 금속 이온의 여러 조합에 따라서 다양한 광학적, 전기적, 자기적 특성을 가질 수 있다. Mixed metal oxides produced through the heat treatment of such layered double hydroxides are highly stable and can have various optical, electrical, and magnetic properties depending on various combinations of divalent and trivalent metal ions.
한편, 층상이중수산화물이 개질하여 새로운 성질을 부여하는 시도들이 이루어지고 있는데, 예를 들어, PCT/EP2006/069206에서는 고무입자와 결합할 수 있는 층상이중수산화물을 개시하고 있다. 층상이중수산화물과 고무에 결합될 수 있는 유기 음이온을 도입함으로써 제조된다. 개질된 층상이중수산화물은 고무와 결합되어 나노 복합체로 사용된다. On the other hand, attempts have been made to modify the layered double hydroxides to give new properties, for example, PCT / EP2006 / 069206 discloses layered double hydroxides capable of bonding with rubber particles. Layered double hydroxide and an organic anion capable of bonding to the rubber. Modified layered double hydroxides are used as nanocomposites in combination with rubber.
그러나, 여전히 층상이중수산화물에 보다 다양한 특성을 부여하여 새로운 용도를 사용할 수 있는 방안에 대한 요구가 계속되고 있다. However, there is a continuing need for new ways of using the layered double hydroxides to provide more diverse properties.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 층상이중수산화물을 개질하여 새로운 특성을 가지는 층상이중수산화물 제조 방법을 개발하는 것이다. A problem to be solved by the present invention is to develop a method for producing a layered double hydroxide having new properties by modifying a layered double hydroxide.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 층상이중수산화물을 개질하여 새로운 특성을 가지는 층상이중수산화물을 개발하는 것이다. Another problem to be solved in the present invention is to develop a layered double hydroxide having new properties by modifying layered double hydroxides.
본 발명에서 해결하고자 하는 또 다른 과제는 개질된 층상이중수산화물을 이용하여 혼합금속산화물을 개발하는 것이다. Another problem to be solved in the present invention is to develop mixed metal oxides using modified layered double hydroxides.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 2가 및 3가 금속 양이온 수용액을 수산화 이온 및 음이온 나노입자와 반응시키는 것을 특징으로 하는 나노입자-LDH의 복합체 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing nanoparticle-LDH complexes, wherein an aqueous solution of divalent and trivalent metal cations is reacted with hydroxide ions and anionic nanoparticles.
본 발명의 실시에 있어서, 2가 및 3가 금속 양이온 수용액을 수산화 이온 및 음이온 나노입자와 반응은 2가 금속 및 3가 금속 이온 수용액에 수산화 이온 및 음이온 나노입자를 첨가하여 공침시키는 것을 특징으로 한다. 상기 수산화 이온은 NaOH 수용액 형태로 사용될 수 있다.In the practice of the present invention, the reaction of the divalent and trivalent metal cation aqueous solutions with the hydroxide ions and the anionic nanoparticles is characterized in that the hydroxide ions and the anionic nanoparticles are added to an aqueous solution of a divalent metal and a trivalent metal ion to coprecipitate . The hydroxide ion may be used in the form of an aqueous NaOH solution.
본 발명에 있어서, 상기 나노입자는 층상 이중수산화물의 층간에 삽입될 수 있는 수 나노에서 수백 나노 크기의 입자로 이해된다. 상기 나노 입자의 원료로는 금속, 반도체, 무기물 등을 사용할 수 있다. 금속 나노입자는 금속 입자나 또는 실리카와 같은 물질에 금속이 코팅된 입자일 수 있으며, 상기 금속은 단일 금속 또는 합금일 수 있다. 상기 반도체 나노 입자는 반도체 화합물로 이루어진 양자점과 같은 입자이며, 일 예로 Cd, Se, Zn, S 등의 화합물들이 코어/쉘 형태를 이루는 양자점일 수 있다. In the present invention, the nanoparticles are understood to be particles of several hundred nanometers to several nanometers, which can be inserted between layers of a layered double hydroxide. As raw materials for the nanoparticles, metals, semiconductors, and inorganic materials can be used. The metal nanoparticles may be metal particles or particles coated with a metal such as silica, and the metal may be a single metal or an alloy. The semiconductor nanoparticles are particles such as quantum dots made of a semiconductor compound. For example, compounds such as Cd, Se, Zn, and S may be quantum dots having a core / shell shape.
본 발명에 있어서, 상기 음이온 나노입자는 LDH와 반응할 수 있는 음이온성기를 가지는 나노입자이다. LDH와 반응할 수 있는 음이온성기의 예로는 카르복실레이트, 설페이트, 설포네이트, 니트레이트, 포스페이트 및 포스포네이트 등이다.In the present invention, the anionic nanoparticles are nanoparticles having an anionic group capable of reacting with LDH. Examples of anionic groups that can react with LDH include carboxylates, sulfates, sulfonates, nitrates, phosphates, and phosphonates.
본 발명에 있어서, 상기 음이온 나노입자는 LDH와 반응할 수 있는 음이온 작용기와 나노입자에 결합할 수 있는 표면 결합기를 가지는 양쪽 관능성 화합물을 나노입자와 반응시켜 제조될 수 있다.In the present invention, the anionic nanoparticles may be prepared by reacting nanoparticles with an amphoteric compound having an anionic functional group capable of reacting with LDH and a surface bonding group capable of binding to nanoparticles.
본 발명에 있어서, 양쪽 관능성 화합물은 LDH와 반응할 수 있는 음이온성기, 예를 들어, 카르복실레이트, 설페이트, 설포네이트, 니트레이트, 포스페이트 및 포스포네이트를 포함하며, 바람직하게는 카르복실레이트이다. In the present invention, the amphoteric compound includes an anionic group capable of reacting with LDH, for example, a carboxylate, a sulfate, a sulfonate, a nitrate, a phosphate and a phosphonate, preferably a carboxylate to be.
또한, 나노입자의 표면에 화학적으로 결합할 수 있는 표면 결합기, 예를 들어, 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 히드록실, 클로라이드, 브로마이드, 아민, 에폭시, 티올, 비닐, 디설파이드, 폴리설파이드, 카르바메이트, 암모늄, 설폰산, 설핀산, 설포늄, 포스포늄, 포스핀산, 이소시아네이트, 히드라이드, 이미드, 니트로소벤질, 디니트로소벤질, 페놀, 아세톡시, 사이놀기, 디사이놀기 및 무수물이 있ㅇ으며, 바람직하게는 금나노 입자 등에 쉽게 결합할 수 사이놀기 또는 다이사이놀기이다. It is also possible to use surface bonding groups capable of chemically bonding to the surface of the nanoparticles such as acrylate, methacrylate, hydroxyl, chloride, bromide, amine, epoxy, thiol, vinyl, disulfide, polysulfide, carbamate There may be mentioned ammonium, sulfonic, sulfinic, sulfonium, phosphonium, phosphinic acid, isocyanate, hydride, imide, nitrosobenzyl, dinitrosobenzyl, phenol, acetoxy, And preferably a cyano group or a dithiano group which can be easily bonded to gold nanoparticles or the like.
상기 양쪽 관능성 화합물은 적어도 2개의 탄소 원자, 바람직하게는 적어도 6개의 탄소 원자, 더욱 바람직하게는 적어도 8개의 탄소 원자, 가장 바람직하게는 적어도 10개의 탄소 원자를 포함하며, 통상 1,000개 이하의 탄소 원자, 바람직하게는 500개 이하의 탄소 원자, 가장 바람직하게는 100개 이하의 탄소 원자를 포함한다. The amphoteric compound comprises at least two carbon atoms, preferably at least six carbon atoms, more preferably at least eight carbon atoms, most preferably at least ten carbon atoms, Atoms, preferably not more than 500 carbon atoms, and most preferably not more than 100 carbon atoms.
본 발명에 따른 적절한 양쪽 관능성 화합물은 리포산이다. A suitable amphoteric compound according to the invention is lipoic acid.
본 발명에 있어서, 상기 음이온성 나노입자는 수용액에서 양이온을 띤 2차원 금속 수산화물이 형성되기 시작하는 시점에서 첨가하는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the anionic nanoparticles are added at the time when the cationic two-dimensional metal hydroxide starts to form in the aqueous solution.
본 발명은 일 측면에서, 하기 화학식(1)로 표현되는 LDH 층간에 음이온 나노 입자가 삽입된 나노입자-LDH 복합체를 제공한다. In one aspect, the present invention provides a nanoparticle-LDH complex having an anionic nanoparticle interposed between LDH layers represented by the following chemical formula (1).
(1) (One)
여기서, M2 +는 2가 금속 이온, 예컨대 Zn2 +, Mn2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Cu2 +, Sn2 +, Ba2+, Ca2 + 및 Mg2 +이며, M3 +은 3가 금속 이온, 예컨대 Al3 +, Cr3 +, Fe3 +, Co3 +, Mn3 +, Ni3+, Ce3 +및 Ga3 +이며, m 및 n은 m/n이 1 내지 10이 되는 값을 가지며, b는 0 내지 10 범위의 값을 가지며, X는 당 분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 공지된 적당한 음이온일 수 있으며, 적어도 일부가 음이온 나노입자에 형성된 음이온이다. 당분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 공지된 음이온의 예로는 히드록시드, 카르보네이트, 비카르보네이트, 니트레이트, 클로라이드, 브로마이드, 설포네이트, 설페이트, 비설페이트, 바나데이트, 텅스테이트, 보레이트, 포스페이트 등이며, 및 케긴-이온(Keggin-ions)을 포함한다. Wherein, M 2 + is a divalent metal ion, such as Zn 2 +, Mn 2 +, Ni 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Cu 2 +, Sn 2 +, Ba 2+, Ca 2 + and Mg 2 + a, M 3 + is a trivalent metal ion, such as 3 + Al, Cr + 3, Fe + 3, Co + 3, Mn + 3, Ni 3+, and Ce 3 + and Ga + 3, m and n are m has a value of 1 to 10, b has a value of 0 to 10, X may be a suitable anion known to a person skilled in the art, and at least a part of the anion nanoparticle Lt; / RTI > Examples of anions known to those of ordinary skill in the art include, but are not limited to, hydroxides, carbonates, bicarbonates, nitrates, chlorides, bromides, sulfonates, sulfates, bisulfates, vanadates, tungstates, Borate, phosphate, and the like, and Keggin-ions.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 나노입자의 크기는 형성되는 복합체의 구조상 10 nm 이하가 적절하다. 또한 상기 나노입자와 이중금속수산화물의 무게비는 복합체 구조상 1/50 이하가 적절하다. In the practice of the present invention, the size of the nanoparticles is suitably 10 nm or less on the structure of the composite to be formed. The weight ratio of the nanoparticles to the double metal hydroxide is preferably 1/50 or less of the composite structure.
본 발명은 다른 일 측면에서, 층간에 나노입자가 삽입된 층상이중수산화물을 가열하여 산화시키는 것을 특징으로 하는 혼합금속산화물 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 실시에서, 2가 금속 및 3가 금속 이온수용액에 음이온 나노입자를 첨가하여 공침시켜 나노입자-LDH의 복합체를 제조하고, 이를 열처리하여 혼합금속산화물을 제조하는 방법으로 이루어진다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a mixed metal oxide characterized in that a layered double hydroxide having nanoparticles inserted therein is heated to be oxidized. In the practice of the present invention, an anionic nanoparticle is added to an aqueous solution of a divalent metal and a trivalent metal ion to coprecipitate it to prepare a composite of nanoparticles-LDH, and heat-treated to prepare a mixed metal oxide.
본 발명은 일 측면에서, 금속 나노입자 또는 양자점;및 LDH에서 유래된 혼합금속산화물로 이루어진 복합체를 제공한다. In one aspect, the present invention provides a composite consisting of metal nanoparticles or quantum dots and mixed metal oxides derived from LDH.
본 발명의 나노입자-층상이중수산화물 복합체는 온화한 조건에서 생성이 가능하여, 대량생산 및 생산단가 절감이 가능하다. 또한 크기 등의 물성이 조절된 합성 나노입자들을 이용하여 복합체를 만들기 때문에 복합체의 특성 제어가 가능하다.The nanoparticle-layered double hydroxide complex of the present invention can be produced under mild conditions, and mass production and production cost can be reduced. In addition, composites are made using synthetic nanoparticles whose physical properties such as size are controlled, so that the properties of the composite can be controlled.
본 발명의 나노입자-층상이중수산화물은 층상이중수산화물로서 음이온교환체, 촉매지지체, 전자재료, 광학코팅재료, 자외선 흡수체, 광촉매 등 여러 응용분야에서 사용할 수 있으며, 나노입자와 나노입자를 포획하고 있는 모체의 상호작용에 따른 특성이 추가적으로 부여될 수 있다. 합성된 복합체는 나노 입자를 둘러싼 층상이중수산화물 구조를 이루게 되기 때문에 기체나 수분과 같은 외부물질의 침투를 줄여줄 수 있어, 나노 입자를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. 한편, 복합체 내에서의 나노입자의 공간적 구속력이 커지게 되어 열이 가해졌을 때의 서로 phase 분리나 뭉침을 방지할 수 있다. The nanoparticle-layered double hydroxide of the present invention can be used as a layered double hydroxide in various applications such as an anion exchanger, a catalyst support, an electronic material, an optical coating material, an ultraviolet absorber, a photocatalyst, The characteristics depending on the interaction of the matrix can be additionally given. Since the composite material forms a layered double hydroxide structure surrounding the nanoparticles, the penetration of foreign substances such as gas and moisture can be reduced, and the nanoparticles can be protected from the external environment. On the other hand, the spatial binding force of the nanoparticles in the composite is increased, thereby preventing phase separation or aggregation of the nanoparticles when heat is applied.
양자점 나노입자-층상이중수산화물 또는 혼합금속산화물 복합체는 금속산화물 또는 층상이중수산화물이 양자점의 표면 보호층으로 작용하여 발광특성 향상과 같은 현상을 도모할 수 있다. In the quantum dot nanoparticle-layered double hydroxide or mixed metal oxide composite, a metal oxide or a layered double hydroxide acts as a surface protective layer of a quantum dot, thereby achieving a phenomenon such as improvement in luminescence property.
도 1은 양전하를 띠는 2차원 층들로 구성된 무기 점토의 모식도이다.
도 2는 표면에 작용기를 가지는 나노입자의 구조 모식도이다.
도 3은 금속 이온 전구체, 수산화이온, 나노입자를 포함한 수용액 반응을 통한 나노입자-층상이중수산화물 복합체 형성 모식도이다.
도 4는 유기 용매에서 합성된 CdSe/CdS/ZnS 나노 입자의 리포산 표면 치환 모식도이다.
도 5는 CdSe/CdS/ZnS 나노 입자의 형광 스펙트럼이다.
도 6은 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 형광 스펙트럼이다.
도 7은 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 X-선 회절분석 그래프이다.
도 8은 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 주사전자현미경 이미지이다.
도 9는 열처리를 통한 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체와 CdSe/CdS/ZnS 나노입자의 형광 변화이다.
도 10은 합성된 금 나노입자 수용액의 흡광 스펙트럼 및 3 μM 금 나노입자 수용액 이미지이다.
도 11은 합성 후 수용액에 분산되어 있는 층상이중수산화물과 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체 이미지이다.
도 12는 층상이중수산화물과 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 흡광 스펙트라이다.
도 13은 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 주사전자현미경 이미지와 이미지 영역의 정성분석을 위한 EDS 스펙트럼이다.
도 14는 층상이중수산화물과 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체, 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체를 공기 중에서 400℃ 2시간 열처리해서 생성된 금 나노입자-혼합금속산화물 복합체의 흡광 스펙트라이다.Fig. 1 is a schematic view of an inorganic clay composed of two-dimensional layers having positive electric charge.
2 is a structural schematic diagram of a nanoparticle having a functional group on its surface.
FIG. 3 is a schematic view illustrating formation of a nanoparticle-layered double hydroxide complex through an aqueous solution reaction including a metal ion precursor, a hydroxide ion, and a nanoparticle.
FIG. 4 is a schematic diagram of liposane surface substitution of CdSe / CdS / ZnS nanoparticles synthesized in an organic solvent.
5 is a fluorescence spectrum of CdSe / CdS / ZnS nanoparticles.
6, CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex.
7 is an X-ray diffraction analysis graph of a CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex.
8 is a scanning electron microscope image of a CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex.
9 is a fluorescence change of CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex and CdSe / CdS / ZnS nanoparticles through heat treatment.
10 shows an absorption spectrum of the synthesized gold nanoparticle aqueous solution and an image of a 3 μM gold nanoparticle aqueous solution.
11 is a composite image of a layered double hydroxide and a gold nanoparticle-layered double hydroxide dispersed in an aqueous solution after synthesis.
12 is an absorption spectrum of a layered double hydroxide and a gold nanoparticle-layered double hydroxide complex.
13 is a scanning electron microscope image of a gold nanoparticle-layered double hydroxide complex and an EDS spectrum for qualitative analysis of an image area.
14 is an absorption spectrum of a gold nanoparticle-mixed metal oxide complex produced by heat treatment of a layered double hydroxide, a gold nanoparticle-layered double hydroxide complex, and a gold nanoparticle-layered double hydroxide complex in air at 400 DEG C for 2 hours.
양전하를 띠는 2차원 금속 수산화물이 수용액에서 형성되는 과정의 시작 시점에서, 표면에 작용기를 가지는 나노입자를 첨가하여, 두 물질 간 정전기적 인력 또는 배위결합에 의한 결합을 유도함으로써 나노입자-층상이중수산화물 복합체를 형성한다. 또한, 제조된 복합체를 열처리하여 나노입자-혼합금속산화물 복합체를 형성한다. At the beginning of the process of formation of a positively charged two-dimensional metal hydroxide in an aqueous solution, nanoparticles having functional groups on the surface are added to induce bonding by electrostatic attraction or coordination bonding between the two materials, Hydroxide complex. Further, the produced composite is heat-treated to form a nanoparticle-mixed metal oxide composite.
표면에 작용기를 가지는 나노입자 및 그 제조 방법을 도 2와 같이 도식적으로 표현하면, LDH에 결합할 수 있는 음이온 작용기와 나노입자에 결합할 수 있는 표면 결합기를 가지는 양쪽 관능성 화합물을 나노입자에 도입한다. As shown in FIG. 2, nanoparticles having a functional group on the surface and a method for producing the nanoparticles having the functional groups on the surface are introduced into the nanoparticles with an anionic functional group capable of bonding to the LDH and a surface bonding group capable of bonding to the nanoparticle do.
표면 결합기는 나노입자의 표면과 결합하며, 음이온 작용기 영역은 나노 입자의 가장 바깥쪽에 위치하여 음전하 특성 및 금속과의 배위 결합 특성 등을 나노입자에 부여하게 된다. The surface coupler is bonded to the surface of the nanoparticles, and the anionic functional region is located at the outermost side of the nanoparticles, thereby imparting the negative charge property and the coordination bonding property with the metal to the nanoparticles.
나노입자-층상이중수산화물 또는 혼합금속산화물 복합체 형성원리는 도 3을 참조하여 설명한다. 수용액에 2가 금속 이온 전구체, 3가 금속 이온 전구체 그리고 용액에 염기성 환경을 부여하는 물질을 넣은 용액을 교반하면서 반응 조건에서 음전하를 띠는 기능성 분자체로 표면이 도포된 나노입자를 넣어준다. 수용액을 교반하면서 특정한 온도로 유지시키면, 도 3(가)와 같이 염기환경이 형성되어 수용액 내에 수산화이온 (OH-)이 풍부하게 존재하게 되며, 도 3(나)와 같이 양전하를 띠는 2가 또는 3가 금속 이온들과 음전하를 띠는 수산화이온들 간의 결합에 의한 8면체 구성단위를 기반으로 이루어진 2차원 금속수산화물이 형성되게 된다.The principle of nanoparticle-layered double hydroxide or mixed metal oxide complex formation will be described with reference to Fig. Add surface-coated nanoparticles with negatively charged functional molecular sieves under reaction conditions while stirring a solution of a divalent metal ion precursor, a trivalent metal ion precursor, and a material that imparts a basic environment to the solution. When the aqueous solution is maintained at a specific temperature while being stirred, a basic environment as shown in Fig. 3 (A) is formed, and hydroxide ions (OH - ) are abundant in the aqueous solution. As shown in Fig. 3 (B) Or a two-dimensional metal hydroxide based on an octahedral unit formed by bonding between trivalent metal ions and negatively charged hydroxide ions.
2차원 금속수산화물은 3가 금속 이온을 포함하고 있기 때문에 전체적으로 양전하를 띠게 되고, 수용액에 금속 이온 전구체와 염기성 환경을 부여하는 물질을 투입하는 반응의 시작 시점에, 표면의 작용기에 의해 음전하를 띠는 나노입자를 수용액에 첨가한다. Since the two-dimensional metal hydroxide contains a trivalent metal ion, it is positively charged as a whole, and at the beginning of the reaction for introducing a metal ion precursor and a basic environment into the aqueous solution, the surface of the metal hydroxide is negatively charged The nanoparticles are added to the aqueous solution.
도 3 (나)와 (다)에 도시된 바와 같이, 반응 초기에 음전하를 띠는 작용기를 가지는 나노입자를 첨가하게 되면 양전하를 띤 전구체 또는 2차원 금속 수산화물과 같은 중간체와 음전하를 띠는 기능기를 가지는 나노입자가 정전기적 인력 또는 작용기와 금속이온간의 배위결합에 따라 결합하게 되어, 반응이 진행되면서 도 4 (라)와 같이 나노입자를 포함하는 층상이중수산화물 복합체가 형성된다. As shown in FIGS. 3 (B) and 3 (C), when nanoparticles having a functional group having a negative charge are added at the initial stage of the reaction, an intermediate such as a positively charged precursor or a two-dimensional metal hydroxide and a functional group The nanoparticles are bound by the electrostatic attractive force or the coordination bond between the functional group and the metal ion. As the reaction progresses, a layered double hydroxide complex including nanoparticles is formed as shown in FIG. 4 (d).
이러한 층상이중수산화물은 층간이 정전기적 인력에 의해 결합되어 있으므로 상대적으로 약한 구조적 유지력을 가진다. 따라서 열에너지가 가해지거나 산화환경이 되었을 때, 층간이중 수산화물은 구조가 변하면서 혼합금속산화물로 전환된다. These layered double hydroxides have relatively weak structural retention because the interlayer is bonded by electrostatic attraction. Therefore, when thermal energy is applied or oxidized, interlayer diatomic hydrocarbons are converted to mixed metal oxides as their structure changes.
이하 구체적인 실시예에서는 층상이중수산화물의 2가 이온은 아연 이온, 3가 이온은 알루미늄이온을 사용하였고 여러 가지 나노 입자 중에서 양자점 (CdSe/CdS/ZnS,핵/껍질/껍질) 또는 금속(금) 나노 입자를 도입하였다.In the following concrete examples, divalent ions of layered double hydroxide were used as zinc ions and trivalent ions were used as aluminum ions. Among the various nanoparticles, quantum dots (CdSe / CdS / ZnS, nucleus / shell / Particles were introduced.
실시예 1: 양자점나노입자-층상이중수산화물 복합체.Example 1: Quantum dot nanoparticle-layered double hydroxide complex.
CdSeCdSe // CdSCdS // ZnSZnS 나노 입자의 음전하 표면 개질 Negative charge surface modification of nanoparticles
CdSe/CdS/ZnS를 다음과 같은 방법으로 제조하였다. Octadecene, oleylamine을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 100 ℃로 가열하면서 진공 상태, 질소 주입상태를 번갈아 바꾸어 주어 결국 주변 환경을 질소 기체로만 가득 채운 환경으로 바꾸어 준다. 이후 둥근 바닥 플라스크의 온도를 섭씨 300 도까지 올리고, 각각 카드뮴(Cd)과 셀레늄(Se)을 따로 녹인 Octadecene 용액을 Cd:Se = 1:5 의 비율로 동시에 고온의 플라스크에 넣어 준다. 이 때, Cd 대 Se 의 비율은 원하는 나노 입자의 크기에 따라 조절될 수 있다. 이후 반응 용기인 플라스크를 천천히 식혀 유기 용매에 분산된 CdSe 나노 입자를 얻는다. 얻어진 CdSe 나노입자를 120℃의 octadecene, oleylamine 용매가 담긴 둥근 바닥플라스크에 분산시킨 후, 카드뮴(Cd)과 황(S)을 같이 녹인 octadecene 용액을 Cd:S = 1:1 의 비율로 동시에 넣어준다. 추가로, 140 ℃ 로 앞서의 나노입자 용액을 가열하여 아연(Zn)과 황(S)을 같이 녹인 octadecene 용액을 Zn:S = 1:1 의 비율로 동시에 넣어준다. 이후 반응 용기인 플라스크를 천천히 실온까지 식혀 유기 용매에 분산된 약 8 nm 정도의 지름을 가진 CdSe/CdS/ZnS 나노입자를 얻는다. CdSe / CdS / ZnS was prepared by the following method. Octadecene and oleylamine are placed in a round bottom flask and heated at 100 ° C to alternate between vacuum and nitrogen injection, eventually turning the environment into an environment full of nitrogen gas. Then, raise the temperature of the round bottom flask to 300 ° C and add Octadecene solution, in which cadmium (Cd) and selenium (Se) are separately dissolved, into a high temperature flask at a ratio of Cd: Se = 1: 5. At this time, the ratio of Cd to Se can be adjusted according to the size of the desired nanoparticles. Thereafter, the flask as a reaction vessel is slowly cooled to obtain CdSe nanoparticles dispersed in an organic solvent. The obtained CdSe nanoparticles were dispersed in a round bottom flask containing octadecene and oleylamine solvent at 120 ° C. and then octadecene solution containing both cadmium (Cd) and sulfur (S) was added at a ratio of Cd: S = 1: 1 . Further, the above-mentioned nanoparticle solution is heated at 140 ° C. to simultaneously add the octadecene solution in which zinc (Zn) and sulfur (S) are dissolved together at a ratio of Zn: S = 1: 1. Thereafter, the flask as a reaction vessel is slowly cooled to room temperature to obtain CdSe / CdS / ZnS nanoparticles having a diameter of about 8 nm dispersed in an organic solvent.
유기 용매에서 합성된 CdSe/CdS/ZnS 나노 입자를 클로로포름에 분산시켰다. 리포산이 과량으로 용해되어 있는 수용액과 정제된 나노 입자가 있는 클로로포름을 상온에서 교반한다. 리포산이 가진 디시올(dithiol)이 카르복실산(carboxylic acid) 또는 1차아민(primary amine)표면 결합 그룹으로 작용하는 유기 분자 리간드에 비해 CdSe/CdS/ZnS 나노 입자와 강한 표면 결합력을 가지고 있어, CdSe/CdS/ZnS 나노입자 표면의 유기 분자 리간드가 리포산으로 리간드 치환되면서 수용액 층으로 분산되었다. 클로로포름 층은 층분리 후 제거하고 수용액 층만을 투석하여 수용액 내에 존재하는 여분의 리간드를 제거하여 도 4와 같이, 리포산 표면 치환된 CdSe/CdS/ZnS 나노 입자를 얻었다. 도 5에서와 같이, CdSe/CdS/ZnS 나노입자는 615 nm 파장의 형광 peak를 가지며, 흡광제타 전위는 콜로이드 입자 표면의 전하의 종류와 크기 분석에 사용된다. 리포산 표면 치환된 나노 입자의 제타 전위는 -41.2 mV이었다. CdSe / CdS / ZnS nanoparticles synthesized in organic solvents were dispersed in chloroform. An aqueous solution in which lipoic acid is dissolved in excess and chloroform with purified nanoparticles are stirred at room temperature. The dithiol of lipoic acid has a strong surface binding force with CdSe / CdS / ZnS nanoparticles as compared with an organic molecular ligand acting as a carboxylic acid or primary amine surface binding group, The organic molecular ligands on the surface of CdSe / CdS / ZnS nanoparticles were dispersed into the aqueous solution layer by ligand substitution with lipoic acid. The chloroform layer was removed after layer separation and only the aqueous solution layer was dialyzed to remove excess ligands present in the aqueous solution to obtain CdSe / CdS / ZnS nanoparticles with liposan surface substitution as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the CdSe / CdS / ZnS nanoparticles have a fluorescence peak at a wavelength of 615 nm, and the absorbance zeta potential is used for analyzing the kind and size of charge on the surface of the colloid particles. The zeta potential of the liposan surface-substituted nanoparticles was -41.2 mV.
CdSeCdSe // CdSCdS // ZnSZnS 나노입자- The nanoparticle- 층상이중수산화물Layered double hydroxide 복합체 합성 Composite synthesis
상온에서 0.01 M 아연 나이트레이트, 0.003 M 알루미늄 나이크레이트 수용액을 교반하면서 0.01 M 암모니아와 상기 제조된 0.5 μM CdSe/CdS/ZnS 나노입자를 넣어주고 24시간 동안 교반하면서 온도를 상온으로 유지시킨다. 0.01 M ammonia and the above prepared 0.5 μM CdSe / CdS / ZnS nanoparticles were added while stirring 0.01 M zinc nitrate and 0.003 M aluminum nitrate aqueous solution at room temperature, and the temperature was maintained at room temperature while stirring for 24 hours.
반응이 끝난 후에 원심분리기를 이용하여 나노입자-층상이중수산화물 복합체를 가라앉힌 후에 상등액을 제거한 후 증류수에 재분산시켰다. 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 형광을 분석하였으며, 도 6과 같이 615 nm의 파장에서 형광이 존재하는 것을 통해, 양자점의 존재를 확인하였다. CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체에 대해, X-선 회절분석을 실시하였다. 도 7에서와 같이, CdSe/CdS/ZnS 나노입자의 양이 상대적으로 적기 때문에 피크가 나타나지 않고 층상이중수산화물의 피크만 판별되었다. CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체를 주사전자현미경(SEM)으로 분석한 결과, 도 8에서와 같이, 판상 형상을 가지는 것을 확인할 수 있었다. After the reaction was completed, the nanoparticle-layered double hydroxide complex was submerged using a centrifuge, the supernatant was removed, and then redispersed in distilled water. The fluorescence of the nanoparticle-layered double hydroxide complex was analyzed, and the presence of quantum dots was confirmed through the presence of fluorescence at a wavelength of 615 nm as shown in FIG. For the CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex, X-ray diffraction analysis was performed. As shown in Fig. 7, since the amount of CdSe / CdS / ZnS nanoparticles was relatively small, no peak appeared and only a peak of the layered double hydroxide was identified. The CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex was analyzed by a scanning electron microscope (SEM), and it was confirmed that it had a plate shape as shown in FIG.
CdSeCdSe // CdSCdS // ZnSZnS 나노입자-혼합금속산화물 복합체 합성 Nanoparticle-mixed metal oxide composite synthesis
CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체가 분산되어 있는 수용액을 유리기판 위에 떨어뜨리고, 이를 60℃에서 12시간 건조시킨 후 열처리하여 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-혼합금속산화물 복합체를 형성하였다. CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-mixed metal oxide complex was formed by drying an aqueous solution in which a CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex was dispersed on a glass substrate and drying it at 60 ° C for 12 hours .
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도 9는 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물을 질소 분위기에서 200 ℃로 열처리한 후의 형광 그래프이다. 같은 조건의 열처리에서 CdSe/CdS/ZnS 나노입자의 경우 형광 특성이 사라지는 것과는 달리 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 경우 열처리 시간에 따라서 형광 감소가 거의 일어나지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 특정 조건의 열처리를 통한 CdSe/CdS/ZnS 나노입자-혼합금속산화물 복합체 형성 후에도 복합체가 형광을 유지하는 것을 알 수 있다.9 is a fluorescence graph after heat treatment of CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxides at 200 占 폚 in a nitrogen atmosphere. In the case of CdSe / CdS / ZnS nanoparticles, the fluorescence property disappears in the heat treatment under the same conditions. In the case of the CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-layered double hydroxide complex, fluorescence decreases little with annealing time. Thus, it can be seen that the complex maintains fluorescence even after the formation of the CdSe / CdS / ZnS nanoparticle-mixed metal oxide complex by heat treatment under specific conditions.
실시예 2: 금속나노입자-층상이중수산화물 복합체.Example 2: Metal nanoparticle-layered double hydroxide complex.
음전하를 띤 금 나노입자 제조Manufacture of negatively charged gold nanoparticles
HAuCl4, 리포산, NaBH4를 각각 20 μmol, 1 μmol, 40 μmol이 용해되어 있는 10 mL 수용액을 상온에서 교반하면서 3시간 동안 반응시킨 후에 환원된 리포산을 4 μmol 더 넣어준 후에 3시간 동안 추가로 상온에서 교반시킨다. 이를 정제하여 리포산이 표면에 결합되어 있는 금 나노입자가 분산된 수용액을 얻는다. 10 mL of an aqueous solution containing 20 μmol, 1 μmol and 40 μmol of HAuCl 4 , lipoic acid and NaBH 4 was reacted for 3 hours while stirring at room temperature. After addition of 4 μmol of reduced lipoic acid, an additional 3 hours The mixture is stirred at room temperature. This is purified to obtain an aqueous solution in which gold nanoparticles bonded to the surface of lipoic acid are dispersed.
이 수용액의 흡광 스펙트럼을 통해 도 10에서와 같이 513 nm의 파장 부근에서 peak가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 수화된 입자의 크기를 동적광산란방식 입도분석기를 통해서 분석해 보면 5.2 nm 임을 알 수 있고 제타 전위는 -35.4 mV 이다. 따라서 음전하를 띠는 분자체가 표면에 결합되어 있는 금 나노입자가 합성되었음을 알 수 있다.As shown in FIG. 10, it can be seen from the absorption spectrum of this aqueous solution that a peak appears near the wavelength of 513 nm. Analysis of the size of hydrated particles through a dynamic light scattering particle size analyzer reveals that it is 5.2 nm and the zeta potential is -35.4 mV. Therefore, it can be seen that the gold nanoparticles synthesized with the negatively charged molecular sieve on the surface are synthesized.
금 나노입자-Gold nanoparticles - 층상이중수산화물Layered double hydroxide 복합체 합성 Composite synthesis
상온에서 0.01 M 아연 나이트레이트, 0.003 M 알루미늄 나이크레이트 수용액을 교반하면서 0.01 M 암모니아와 0.125 μM 금 나노입자를 넣어주고 24시간 동안 교반하면서 온도를 상온으로 유지시킨다. 0.01 M ammonia and 0.125 μM gold nanoparticles were added while stirring at a room temperature with 0.01 M zinc nitrate and 0.003 M aqueous solution of aluminum nitrate, and the temperature was maintained at room temperature while stirring for 24 hours.
반응이 끝난 후에 원심분리기를 이용하여 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체를 가라앉힌 후에 상등액을 제거한다. 도 11에서와 같이, 상등액을 제거한 후 증류수에 재분산시킨다. 이를 도 12에서와 같이, 흡광 특성을 통해 500 nm와 600 nm의 파장 사이에서 금 나노입자에 의한 peak가 존재하는 것을 확인하였다. After the reaction is completed, the gold nanoparticle-layered double hydroxide complex is decanted using a centrifuge and the supernatant is removed. As in FIG. 11, the supernatant is removed and redispersed in distilled water. As shown in FIG. 12, it was confirmed that gold nanoparticle peaks existed between the wavelengths of 500 nm and 600 nm through the light absorption characteristics.
알루미늄 포일 위에 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체가 분산되어 있는 수용액을 떨어뜨린 후에 건조시켰다. 도 13에서와 같이, 주사전자현미경 (SEM)관찰을 통해 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 형상이 판상구조를 가짐을 확인하였으며, 도 13 (나)와 같이, 전자현미경과 연동되어 있는 EDS 정성분석의 금 peak를 통해 금 나노입자가 존재하는 것을 확인하였다.An aqueous solution in which the gold nanoparticle-layered double hydroxide complex was dispersed was dropped on an aluminum foil and then dried. As shown in FIG. 13, it was confirmed by SEM observation that the shape of the gold nanoparticle-layered double hydroxide complex had a plate-like structure. As shown in FIG. 13 (B), the EDS qualities The presence of gold nanoparticles was confirmed by the gold peak of the analysis.
금 나노입자-혼합금속산화물 복합체 합성Gold nanoparticles - Mixed metal oxide composite synthesis
금 나노입자-층상이중수산화물 복합체가 분산되어 있는 수용액을 유리기판 위에 떨어뜨린 후 건조시킨 후, 400℃로 2시간 동안 열을 가해주어 금 나노입자-혼합금속산화물 복합체를 형성하였다. 도 14에서와 같이, 열처리를 통해 형성된 금 나노입자-혼합금속산화물 복합체의 흡광 peak의 상대적인 크기가 금 나노입자-층상이중수산화물 복합체의 peak 보다 증가한 것을 관찰할 수 있다.The gold nanoparticle-layered double hydroxide complex dispersed aqueous solution was dropped on a glass substrate, dried, and heated at 400 ° C for 2 hours to form a gold nanoparticle-mixed metal oxide complex. As shown in FIG. 14, it can be seen that the relative size of the absorption peak of the gold nanoparticle-mixed metal oxide complex formed through the heat treatment is larger than that of the gold nanoparticle-layered double hydroxide complex.
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