KR101450731B1 - 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 우수한 항균성을 가지는 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법은, 그라파이트 산화물을 준비하는 단계; 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계; 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계; 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계; 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계; 및 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말 및 그 제조 방법{Bi-metallic reduced graphene oxide nano powder and method of manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 항균성 나노 분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 환원형 그래핀을 포함하는 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
나노 물질을 이용하여 세탁기나 냉장고 등의 가전제품이나 공기정화 장치에 항균성을 부여하는 기술이 개발되어 왔다. 나노 물질을 이용한 항균 제품으로는 금속이나 금속 산화물을 이용하는 것이 주류를 이루고 있다. 그러나, 상기 금속 물질은 니켈과 같이 인체에 유해하거나 은과 같이 재료비가 높은 경우가 많이 경제적이고 안정성이 높은 항균성 나노 물질의 요구가 있다.
분말형 활성 탄소(powdered activated carbon, PAC), 입자형 활성 탄소(granular activated carbon, GAC) 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube)와 같이 탄소를 포함하는 물질들은 수질 개선을 위한 물질로서 많은 연구가 이루어져왔다. 이중에서, 환원형 산화 그래핀(reduced graphene oxide, RGO)은 육방정계 격자(hexagonal lattice)의 형태를 가진 탄소 분자가 한 층 또는 복수의 층으로 구성된 물질로서, 기계적, 전기적, 및 열적 특성이 뛰어나며, 센서, 촉매, 에너지 저장 장치, 및 환경 분야 등에서 그 적용이 많을 것으로 기대되는 물질이다.
환원형 산화 그래핀은 소수성을 지니는 나노재료로서 큰 표면적을 가지므로, 우수한 흡착력을 나타낼 수 있고, 이에 따라 항균성이 높을 것으로 기대할 수 있다. 특히, 수 처리용 환경 물질로서 사용될 가능성이 높다. 그러나, 현재까지 환원형 산화 그래핀을 환경 재료로서 연구한 결과는 거의 없는 실정이다. 또한, 기능성을 강조한 나노재료와 그 다양한 적용범위에 대해 많이 연구되어 발표되고 있지만, 실제 산업체에 제품으로서 구현되기에는 어려움이 있다. 따라서, 금속 나노 물질의 사용을 줄이고 높은 항균성을 가지는 환원형 산화 그래핀의 연구가 요구되고 있다.
1. 한국공개특허번호 제2011-0053998호 2. 한국공개특허번호 제2007-0006500호 3. 한국공개특허번호 제2002-0025399호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 항균성을 가지는 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 우수한 항균성을 가지는 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법은, 그라파이트 산화물을 준비하는 단계; 상기 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계; 상기 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계; 상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계; 상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계; 및 상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 금속염 및 상기 제2 금속염은 질산은(AgNO3), 질산구리(Cu(NO3)2), 및 염화철(FeCl3 6H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 환원제는 수소화붕소나트륨을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 안정제는 소르빈산 또는 소르빈산 염 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 80 mL에 대하여 상기 그라파이트 산화물을 400 mg 첨가하여 형성하고, 상기 그라파이트 산화물을 400 mg에 대하여, 상기 제1 금속염은 0.029 몰의 질산은(AgNO3)을 포함하고, 상기 제2 금속염은 0.029 몰의 질산구리(Cu(NO3)2)를 포함하고, 상기 환원제는 8 mL의 0.1 몰 수소화붕소나트륨을 포함하고, 상기 안정제는 400 mg의 소르빈산나트륨을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 80 mL에 대하여 상기 그라파이트 산화물을 400 mg 첨가하여 형성하고, 상기 그라파이트 산화물을 400 mg에 대하여, 상기 제1 금속염은 0.029 몰의 질산은(AgNO3)을 포함하고, 상기 제2 금속염은 0.029 몰의 염화철(FeCl3 6H2O)을 포함하고, 상기 환원제는 8 mL의 2.75 몰 수소화붕소나트륨을 포함하고, 상기 안정제는 400 mg의 소르빈산나트륨을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 80 mL에 대하여 상기 그라파이트 산화물을 400 mg 첨가하여 형성하고, 상기 그라파이트 산화물을 400 mg에 대하여, 상기 제1 금속염은 0.029 몰의 질산구리(Cu(NO3)2)를 포함하고, 상기 제2 금속염은 0.029 몰의 염화철(FeCl3 6H2O)을 포함하고, 상기 환원제는 8 mL의 2.75 몰 수소화붕소나트륨을 포함하고, 상기 안정제는 400 mg의 소르빈산나트륨을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 환원 반응물을 형성하는 단계는, 상기 그라파이트 산화물 분산액을 가압 반응기 내에서 100 ℃ 내지 200 ℃ 범위에 온도에서 1 시간 내지 10 시간 동안 환원 처리하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계는, 상기 환원 반응물을 탈이온수로 3회 세척하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계는, 상기 환원 반응물을 20 ℃ 내지 90 ℃ 범위의 온도로 1 시간 내지 10 시간 동안 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, 상술한 제조 방법을 이용하여 제조할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, Ag/Cu2O-환원형 산화 그래핀(RGO)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, Ag/Fe3O4-환원형 산화 그래핀(RGO)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, Cu2O/Fe3O4-환원형 산화 그래핀(RGO)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, 그라파이트를 산화하고 다시 환원하여 형성한 산화 그래핀 및 상기 산화 그래핀과 결합한 두 가지 종류의 금속을 포함한다. 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, 높은 항균성을 가질 수 있고, 이에 따라 항균용 나노 금속의 양을 절감할 수 있어 경제적이다. 또한, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, 액상환원법을 이용하여 형성하므로, 상대적으로 간단하고 경제적인 방법으로 형성할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 제조 방법에 따라 형성된 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 구성하는 성분, 주사전자 현미경 사진 및 x-선 회절 패턴을 도시하는 그래프들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 제조 방법을 따라 형성한 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 항균성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법(S100)은, 그라파이트 산화물을 준비하는 단계(S110); 상기 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계(S120); 상기 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계(S130); 상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계(S140); 상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계(S150); 및 상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계(S160);를 포함한다.
상기 그라파이트 산화물을 준비하는 단계(S110)에서는, 그라파이트를 산화시켜 상기 그라파이트 산화물을 형성한다. 예를 들어 상기 그라파이트 산화물은 험머(W.S. Hummers, R.E. Offeman, J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339.)의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 이하에서는, 그라파이트 산화물을 형성하는 예시적인 방법에 대하여 설명하기로 한다.
고농도의 황산(H2SO4) 용액, 예를 들어 약 50% 내지 99% 범위의 황산 용액에 순수 그라파이트와 질산 나트륨(NaNO3)을 혼합하여 혼합 용액을 형성한다. 상기 혼합 용액의 혼합비는, 예를 들어 약 70 mL의 황산(H2SO4)에 대하여 약 3 g의 순수 그라파이트 및 약 1.5 g의 질산 나트륨(NaNO3)일 수 있다. 이하에서 첨가물들의 양은 상기 혼합비에 대한 상대적인 수치임을 유의한다.
상기 혼합 용액을 약 4 ℃의 온도로 유지되는 욕조(bath)에서 교반하면서, 약 9g의 과망간산칼륨(KMnO4)를 더 첨가하여 그라파이트를 산화시킨다. 상기 과망간산칼륨이 첨가되는 동안, 상기 혼합 용액의 온도가 20 ℃를 넘지 않도록 유지되는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 혼합 용액을 수 내지 수십 시간 동안 교반하고, 예를 들어 약 24 시간 동안 교반한다.
상기 교반된 혼합 용액에 탈이온수를 약 150 mL 첨가한다. 상기 탈이온수를 첨가하는 동안 교반한다. 상기 탈이온수를 첨가하면, 상기 혼합 용액의 온도가 약 98℃로 증가될 수 있고, 갈색으로 변색될 수 있다.
이어서, 약 15분 후에 상기 혼합 용액에 탈이온수를 약 300 mL 첨가하고, 약 18 mL의 과산화수소수(H2O2)를 첨가한다. 상기 탈이온수 및 과산화수소수를 첨가하는 동안 교반한다. 상기 과산화수소수는 상기 혼합 용액 내에 잔류하는 과망간산과 이산화망간을 망간 황화물로 변화시킬 수 있다. 상기 혼합 용액의 색상은 갈색에서 황색으로 변색될 수 있다.
상술한 단계에서 교반은 초음파를 이용하여 수행될 수 있고, 또는 교반기를 이용하여 1 rpm 내지 100 rpm 범위의 속도로서 교반하여 수행될 수 있다.
상기 혼합 용액에는 형성된 그라파이트 산화물을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 혼합 용액을 원심 분리한 후, 1 몰(Mole)의 염산(HCl)을 이용하여 1회 이상 세척한 후, 예를 들어 3회 세척할 수 있다. 이어서, 탈이온수로 세척하고, 필터링한 후, 약 80℃에서 약 10시간 건조한다. 이에 따라, 고형의 그라파이트 산화물을 준비하는 단계를 완료할 수 있다.
상기 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계(S120)에서는, 상기 그라파이트 산화물을 탈이온수에 투입하고 교반하여 상기 그라파이트 산화물 분산액을 형성한다. 상기 교반은 초음파를 이용하여 수행될 수 있고, 예를 들어 약 1 분 내지 약 2 시간 범위의 시간 동안, 예를 들어 약 1 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 그라파이트 산화물 분산액 내에는 상기 그라파이트 산화물이 균일하게 분산될 수 있다.
상기 제1 및 제2 금속염을 첨가하는 단계(S130)에서는, 상기 제1 금속염과 상기 제2 금속염을 상기 그라파이트 산화물에 첨가한다. 상기 첨가 단계에서, 상기 그라파이트 산화물 분산액은 초음파를 이용하여 교반될 수 있다. 상기 제1 금속염과 상기 제2 금속염은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속염과 상기 제2 금속염은, 예를 들어 은(Ag), 구리(Cu), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 금속염 및 상기 제2 금속염은 질산은(AgNO3), 질산구리(Cu(NO3)2), 및 염화철(FeCl3 6H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속염은 질산은(AgNO3)을 포함하고, 상기 제2 금속염은 질산구리(Cu(NO3)2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속염은 질산은(AgNO3)을 포함하고, 상기 제2 금속염은 염화철(FeCl3 6H2O)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속염은 Cu(NO3)2 을 포함하고, 상기 제2 금속염은 염화철(FeCl3 6H2O)을 포함할 수 있다. 그러나, 상술한 상기 제1 및 제2 금속염의 물질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 금속염과 상기 제2 금속염은 각각 약 0.0001 몰 내지 약 0.050 몰 범위의 농도로 첨가될 수 있다. 상기 제1 금속염과 상기 제2 금속염은 동일한 농도로 첨가되거나 서로 다른 농도로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속염은 약 0.029 몰의 농도로 첨가되고, 상기 제2 금속염은 약 0.029 몰의 농도로 첨가될 수 있다.
상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계(S140)에서는, 상기 그라파이트 산화물 분산액에 상기 제1 및 제2 금속염을 환원시키는 환원제와 나노 입자를 안정하게 하는 안정제를 첨가한다.
상기 환원제에 의하여 상기 제1 및 제2 금속염은 환원되어 금속 물질, 예를 들어 금속 원자 또는 금속 이온으로서 상기 그라파이트 산화물 분산액 내에 존재할 수 있다. 상기 환원된 금속 물질은 상기 그라파이트 산화물가 결합할 수 있다.
상기 환원제는 수소화붕소나트륨을 포함할 수 있다. 상기 안정제는 소르빈산(sorbic acid) 또는 소르빈산 염 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 듀비 등의 연구 결과(S.P. Dubey 등, Colloid Surf. B 80 (2010) 26-33.)에 의하면, 소르빈산 또는 소르빈산 염은 나노 입자를 안정하게 하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계(S150)에서는, 상기 그라파이트 산화물 분산액을, 예를 들어 약 100 ℃ 내지 약 200 ℃ 범위에 온도에서 약 1 시간 내지 약 10 시간 동안 환원 처리하여, 예를 들어 약 175 ℃의 온도에서 약 5 시간 동안 환원 처리하여, 상기 그라파이트 산화물을 환원시켜 상기 환원 반응물을 형성한다. 상기 환원 반응물은 상기 환원된 금속 물질을 포함할 수 있다.
상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계(S160)에서는, 상기 환원 반응물을 탈이온수로 1회 이상 세척하고, 예를 들어 3 회 세척할 수 있다. 이어서, 세척된 상기 환원 반응물을, 예를 들어 약 20 ℃ 내지 약 90 ℃ 범위의 온도로 약 1 시간 내지 약 10 시간 동안 건조하여, 예를 들어 약 80 ℃의 온도에서 6 시간 동안 건조하여, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성한다.
상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, 그라파이트 산화물에 비하여 결합된 산소가 적은 환원형 산화 그래핀을 포함하고, 또한, 두 가지 종류의 금속 물질을 포함할 수 있다. 상기 금속 물질은 금속 원소, 금속 이온, 또는 금속 산화물의 형태로 상기 환원형 산화 그래핀과 결합될 수 있다. 상기 금속 물질은 상기 환원형 산화 그래핀의 표면에 코팅되거나 도핑되거나 또는 화학 결합 등의 형태로 존재할 수 있다.
이하에서는, 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 실험예를 설명하기로 한다. 이하에서 설명되는 상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 구성하는 물질은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. "RGO"는 환원형 산화 그래핀(reduced graphene oxide)를 지칭한다.
실험예1: Ag/Cu 2 O-RGO의 제조
상기 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계(S120)에서 형성한 준비한다. 상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 약 80 mL에 약 400 mg의 그라파이트 산화물을 혼합하여 형성할 수 있다.
상기 그라파이트 산화물 분산액을 초음파를 이용하여 교반하면서, 약 0.029 몰의 질산은(AgNO3)과 약 0.029 몰의 질산구리(Cu(NO3)2)를 첨가한다. 이어서, 소르빈산나트륨을 약 400 mg 첨가하고, 약 0.1 몰의 수소화붕소나트륨 8 mL를 첨가한다. 상기 수소화붕소나트륨에 의하여 질산은(AgNO3)과 질산구리(Cu(NO3)2)가 환원될 수 있다. 예를 들어, 상기 질산은에 포함된 은은 +1가 이온에서 0가 이온으로 환원될 수 있고, 예를 들어 Ag 원자로서 존재할 수 있다. 상기 질산구리에 포함된 구리는 +2가 이온에서 +1가 이온으로 환원될 수 있고, 예를 들어 구리 산화물, 예를 들어 Cu2O로서 존재할 수 있다.
상기 혼합물을 테플론 용기에 담아서 스테인리스 스틸로 구성된 가압 반응기에 장입한다. 이어서, 약 175℃에서 약 5시간 동안 그라파이트 산화물의 환원 반응을 수행한다. 반응 후 얻은 환원 반응물은 탈이온수로 3회 세척하고, 약 80℃에서 약 6시간 동안 건조하여 수분을 제거하여 Ag/Cu2O-RGO로 구성된 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 얻을 수 있다.
실험예2: Ag/Fe 3 O 4 -RGO의 제조
실험예2는 상술한 실험예1과 유사한 방법을 이용하여 형성한다. 실험예1과 비교하여 실험예2에서는, 0.029 몰의 질산은(AgNO3)과 약 0.029 몰의 염화철(FeCl3 6H2O)을 사용하고, 2.75 몰의 수소화붕소나트륨 8 mL을 첨가하는 상이점이 있다.
상기 수소화붕소나트륨에 의하여 질산은(AgNO3)과 염화철(FeCl3 6H2O)이 환원될 수 있다. 예를 들어, 상기 질산은에 포함된 은은 +1가 이온에서 0가 이온으로 환원될 수 있고, 예를 들어 Ag 원자로서 존재할 수 있다. 상기 염화철에 포함된 철은 +3가 이온에서 +8/3가 이온으로 환원될 수 있고, 예를 들어 철 산화물, 예를 들어 Fe3O4로서 존재할 수 있다.
실험예1에서 상술한 바와 같이, 혼합, 환원, 세척, 건조를 수행한 후에, Ag/Fe3O4-RGO로 구성된 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 얻을 수 있다.
실험예3: Cu 2 O/Fe 3 O 4 -RGO의 제조
실험예3은 상술한 실험예1과 유사한 방법을 이용하여 형성한다. 실험예1과 비교하여 실험예3에서는, 0.029 몰의 질산구리(Cu(NO3)2)와 약 0.029 몰의 염화철(FeCl3 6H2O)을 사용하고, 2.75 몰의 수소화붕소나트륨 8 mL을 첨가하는 상이점이 있다.
상기 수소화붕소나트륨에 의하여 질산구리(Cu(NO3)2)와 염화철(FeCl3 6H2O)이 환원될 수 있다. 예를 들어, 상기 질산구리에 포함된 구리는 +2가 이온에서 +1가 이온으로 환원될 수 있고, 예를 들어 구리 산화물, 예를 들어 Cu2O로서 존재할 수 있다. 상기 염화철에 포함된 철은 +3가에서 +2가로 일부 환원될 수 있고, 예를 들어 철 산화물, 예를 들어 Fe3O4로서 존재할 수 있다.
실험예1에서 상술한 바와 같이, 혼합, 환원, 세척, 건조를 수행한 후에, Cu2O/Fe3O4-RGO로 구성된 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 얻을 수 있다.
표 1은 실험예1 내지 실험예3에서 형성한 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 용액 내에 (= 5 mg/mL) 포함되는 금속 이온 농도를 나타내는 표이다.
Ag Cu Fe
실험예1 (Ag/Cu2O-RGO) 385 716 -
실험예2 (Ag/Fe3O4-RGO) 444 - 225
실험예3 (Cu2O/Fe3O4-RGO) - 703 207
도 2 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 제조 방법에 따라 형성된 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 구성하는 성분, 주사전자 현미경 사진 및 x-선 회절 패턴을 도시하는 그래프들이다.
도 2 및 도 3은 그라파이트를 나타내고, 도 4 및 도 5는 그라파이트 산화물을 나타내고, 도 6 및 도 7은 환원형 산화 그래핀을 나타내고, 도 8 내지 도 13는 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 나타낸다. 특히, 도 8 및 도 9는 실험예1의 Ag/Cu2O-RGO를 나타내고, 도 10 및 도 11은 실험예2의 Ag/Fe3O4-RGO를 나타내고, 도 12 및 도 13은 실험예3의 Cu2O/Fe3O4-RGO를 나타낸다. 도 2 내지 도 13에 나타난 원소 성분에서 Au 및 Pt는 x-선 회절 실험을 위한 백그라운드 물질이므로, 실험 대상체에 포함된 물질이 아님에 유의한다.
도 2에 나타난 바와 같이, 그라파이트의 산소 함량은 1.21 wt%로 매우 낮다. 도 4에 나타난 바와 같이, 그라파이트 산화물(GO, graphite oxide)은 산소 함량이 41.31 wt%로 증가되고, 탄소 대비 92%의 수치(즉, 산소 함량 41.31를 탄소 함량 44.82으로 나눔 값임)를 나타낸다. 도 6에 나타난 바와 같이, 환원형 산화 그래핀은 산소 함량이 2.98 wt%로 감소되고, 탄소 대비 8%의 수치(즉, 산소 함량 2.98을 탄소 함량 35.46으로 나눔 값임)를 나타낸다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 그라파이트는 x-선 회절 피크가 2θ = 26.552로 나타나며, 면간 거리가 0.335 nm으로 나타난다. 반면, 도 5에 나타난 바와 같이, 그라파이트 산화물은 x-선 회절 피크가 2θ = 9.14로 나타나며, 면간 거리가 0.967 nm으로 나타난다. 이에 따라, 그라파이트가 완전히 산화되어 그라파이트 산화물을 형성하였음을 알 수 있다.
도 7에 나타난 바와 같이, 환원형 산화 그래핀은 x-선 회절 피크가 2θ = 25.56로 나타나며, 약하고 넓은 피크를 형성하는 것으로 보아 비정형 탄소 구조체를 포함하는 것을 알 수 있다.
도 8및 도 9에서는 실험예1의 Ag/Cu2O-RGO에 대하여 미세 조직, 원소 성분 및 환원형 산화 그래핀 및 Ag와 Cu2O의 x-선 회절 피크들이 확인된다. 도 10 및 도 11에서는 실험예2의 Ag/Fe3O4-RGO에 대하여 미세 조직, 원소 성분 및 환원형 산화 그래핀 및 Ag와 Fe3O4의 x-선 회절 피크들이 확인되며, 도 12 및 도 13에서는 실험예3의 Cu2O/Fe3O4-RGO에 대하여 미세 조직, 원소 성분 및 환원형 산화 그래핀 및 Cu2O와 Fe3O4의 x-선 회절 피크들이 확인된다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 제조 방법을 따라 형성한 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 항균성을 나타내는 그래프이다. 도 14에서 (a)는 비교예로서 산화 그래핀을 포함하지 않는 경우이고, (b)는 본 발명의 실시예이다.
항균성은 107 CFU/mL의 농도의 세균을 포함하는 용액에 대하여 pH 7에서 상기 물질을 0.008 mg/L 농도로 첨가하고, 약 15분간 항균을 수행하였다. No는 초기 세균의 개체수이고, N은 항균 후의 세균의 개체수를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 비교예의 산화 그래핀을 포함하지 않는 바이 메탈에 비하여 본 발명의 실시예에 따라 제조된 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 항균성이 우수함을 알 수 있다. 특히, Ag/Fe3O4-RGO는 가장 우수한 항균성을 나타내고 있으며, Cu2O/Fe3O4-RGO는 대응되는 비교예에 비하여 항균 효과 개선이 두드러짐을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 그라파이트 산화물을 준비하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계; 및
    상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 제1 금속염 및 상기 제2 금속염은 질산은(AgNO3), 질산구리(Cu(NO3)2), 및 염화철(FeCl3 6H2O) 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  2. 그라파이트 산화물을 준비하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계; 및
    상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 80 mL에 대하여 상기 그라파이트 산화물을 400 mg 첨가하여 형성하고,
    상기 그라파이트 산화물을 400 mg에 대하여,
    상기 제1 금속염은 0.029 몰의 질산은(AgNO3)을 포함하고,
    상기 제2 금속염은 0.029 몰의 질산구리(Cu(NO3)2)를 포함하고,
    상기 환원제는 8 mL의 0.1 몰 수소화붕소나트륨을 포함하고,
    상기 안정제는 400 mg의 소르빈산나트륨을 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  3. 그라파이트 산화물을 준비하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계; 및
    상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 80 mL에 대하여 상기 그라파이트 산화물을 400 mg 첨가하여 형성하고,
    상기 그라파이트 산화물을 400 mg에 대하여,
    상기 제1 금속염은 0.029 몰의 질산은(AgNO3)을 포함하고,
    상기 제2 금속염은 0.029 몰의 염화철(FeCl3 6H2O)을 포함하고,
    상기 환원제는 8 mL의 2.75 몰 수소화붕소나트륨을 포함하고,
    상기 안정제는 400 mg의 소르빈산나트륨을 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  4. 그라파이트 산화물을 준비하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물을 이용하여 그라파이트 산화물 분산액을 형성하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 제1 금속을 포함하는 제1 금속염과 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속을 포함하는 제2 금속염을 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액에 환원제와 안정제를 첨가하는 단계;
    상기 그라파이트 산화물 분산액을 가열하여 그라파이트 산화물을 환원시켜 환원 반응물을 형성하는 단계; 및
    상기 환원 반응물을 세척 및 건조하여 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 그라파이트 산화물 분산액은 탈이온수 80 mL에 대하여 상기 그라파이트 산화물을 400 mg 첨가하여 형성하고,
    상기 그라파이트 산화물을 400 mg에 대하여,
    상기 제1 금속염은 0.029 몰의 질산구리(Cu(NO3)2)를 포함하고,
    상기 제2 금속염은 0.029 몰의 염화철(FeCl3 6H2O)을 포함하고,
    상기 환원제는 8 mL의 2.75 몰 수소화붕소나트륨을 포함하고,
    상기 안정제는 400 mg의 소르빈산나트륨을 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원제는 수소화붕소나트륨을 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안정제는 소르빈산 또는 소르빈산 염 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원 반응물을 형성하는 단계는,
    상기 그라파이트 산화물 분산액을 가압 반응기 내에서 100 ℃ 내지 200 ℃ 범위에 온도에서 1 시간 내지 10 시간 동안 환원 처리하여 이루어지는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계는,
    상기 환원 반응물을 탈이온수로 3회 세척하는 단계를 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말을 형성하는 단계는,
    상기 환원 반응물을 20 ℃ 내지 90 ℃ 범위의 온도로 1 시간 내지 10 시간 동안 건조하는 단계를 포함하는, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말의 제조 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 제조 방법을 이용하여 제조한, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, Ag/Cu2O-환원형 산화 그래핀(RGO)으로 구성된, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, Ag/Fe3O4-환원형 산화 그래핀(RGO)으로 구성된, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말은, Cu2O/Fe3O4-환원형 산화 그래핀(RGO)으로 구성된, 바이 메탈 환원형 산화 그래핀 나노 분말.
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