KR101671049B1 - Nickel-cobalt nanoparticle and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
니켈-코발트 나노 입자는, 실질적으로 니켈로 이루어지는 코어와, 코어의 전체면을 실질적으로 덮는 실질적으로 코발트로 이루어지는 셸을 포함한다. 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 니켈염 혹은 니켈 미립자, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 반응액을 얻는 공정, 또는, 코발트염 및 1 급 아민의 혼합물을 가열하여 반응액을 얻는 공정과, 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 갖는다.The nickel-cobalt nanoparticles include a core substantially composed of nickel and a shell substantially consisting of cobalt substantially covering the entire surface of the core. The method for producing nickel-cobalt nanoparticles comprises the steps of heating a mixture containing a nickel salt or a nickel fine particle, a cobalt salt and a primary amine to obtain a reaction liquid, or a step of heating a mixture of a cobalt salt and a primary amine, And a step of heating the reaction liquid to obtain a slurry of nickel-cobalt nano particles.
Description
본 발명은, 이종 금속으로 이루어지는 코어-셸 구조를 갖는 나노 입자에 관한 것이다.The present invention relates to a nanoparticle having a core-shell structure made of a dissimilar metal.
코발트 나노 입자는, 은 나노 입자보다 저렴하고, 구리 나노 입자보다 화학적으로 안정적이고, 니켈 입자보다 촉매 활성이나 포화 자화가 높기 때문에, 각종 촉매, 자성 재료, 연료 전지나 적층 세라믹 콘덴서에 있어서의 전극 등에 대한 이용이 기대되고 있다. 그러나, 코발트는 희소 금속으로, 니켈 입자보다 상당히 고가이기 때문에, 코발트의 성능을 보다 소량으로 끌어낼 수 있는 코발트 입자 및 그 제법의 개발이 요망되고 있다. 코발트의 성능을 잘 끌어내기 위해서는, 그 입경이나 입형이 균일한 것으로 제어되어야 한다.Cobalt nanoparticles are cheaper than silver nanoparticles, are more chemically stable than copper nanoparticles, and have higher catalytic activity and saturation magnetization than nickel particles. Therefore, it is desirable to use cobalt nanoparticles for various catalysts, magnetic materials, electrodes in fuel cells or multilayer ceramic capacitors Use is expected. However, since cobalt is a rare metal, which is considerably higher in price than nickel particles, development of cobalt particles and a production method thereof which can draw the performance of cobalt to a smaller amount is desired. In order to draw out the performance of the cobalt well, the particle size and the shape of the cobalt should be controlled to be uniform.
일반적으로, 금속 나노 입자의 제조법은, 크게 물리법과 화학법으로 분류된다. 물리법은, 벌크 금속을 분쇄하여 나노 입자를 제조하는 방법 (분쇄법) 이고, 화학법은 금속 원자를 발생시키고 그 응집을 제어하여 제작하는 방법 (응집법) 이다. 물리법에 의한 분쇄에서는, 입경을 작게 하기에는 한계가 있고, 입자의 형상도 제각각이 되어 균일한 것이 잘 형성되지 않는다. 이 때문에, 입자의 형상이나 입경을 제어하기에는 화학법 쪽이 유리하다.In general, the production method of metal nanoparticles is largely divided into physics and chemistry. The physical method is a method (milling method) of producing nanoparticles by pulverizing a bulk metal, and a chemical method is a method (agglomeration method) of producing metallic atoms by controlling aggregation thereof. In the pulverization by the physical method, there is a limit in decreasing the particle diameter, and the shape of the particles is also varied, and uniformity is not well formed. Therefore, the chemical method is advantageous for controlling the shape and particle size of the particles.
또한, 화학법에 의한 금속 나노 입자의 제조법은, 습식법과 건식법으로 분류된다. 화학법의 건식법에는, CVD (화학 기상 성장) 법이나 가스 중 증발법, 레이저법, 스퍼터법, 금속 액적 분무법 등이 알려져 있고, 생성되는 입자는 고온 처리되어 있기 때문에 구상(球狀)이고, 결정성이 양호한 반면, 입경의 분포는 폭넓고, 생산성도 낮은 것이 결점이다. 한편, 화학 환원법으로 대표되는 습식법에서는, 건식법에 비해 생산성이 높고, 입경을 컨트롤하기 쉽다는 우위성이 있기 때문에, 최근의 나노테크놀로지의 발전에 수반하여 많은 연구가 이루어지고 있다.The production method of metal nanoparticles by a chemical method is classified into a wet method and a dry method. As the dry method of the chemical method, a CVD (chemical vapor deposition) method, a gas evaporation method, a laser method, a sputtering method, a metal droplet atomization method, and the like are known, and the produced particles are spherical, While the properties are good, the distribution of the particle diameters is wide and the productivity is low. On the other hand, the wet process represented by the chemical reduction method has a higher productivity than the dry process and has an advantage in that the particle size can be easily controlled. Therefore, much research has been conducted with the recent development of nanotechnology.
그런데, 단일 금속 나노 입자에 비해 추가적인 물성 발현이 기대되는 2 원계 나노 입자 (금속 복합 나노 입자) 의 검토가 폭넓게 진행되고 있다. 그리고 또한, 나노 입자의 용도에 따라서는 입자의 표층 금속으로서 특정 성질을 가질 것이 요구되는 것에 착안하여, 2 원계 나노 입자로서, 이종 금속으로 코어 및 셸을 구성한 것에 대해서도 검토되고 있다.However, studies on binary nanoparticles (metal composite nanoparticles), which are expected to exhibit additional physical properties as compared with single-metal nanoparticles, have been extensively studied. In addition, attention has been paid to the fact that, depending on the use of the nanoparticles, it is required to have specific properties as the surface layer metal of the particles, and the core and the shell are made of a binary metal as the binary metal.
이와 같은 코어-셸 구조를 갖는 금속 나노 입자로서, 예를 들어, 구리 코어와, 구리 코어를 둘러싸고 있고 구리보다 높은 환원 전위를 갖는 은, 팔라듐, 백금, 금 등의 금속의 박막층을 포함하는 금속 나노 입자가 개시되어 있다 (특허문헌 1). 이 금속 나노 입자의 제조 방법은, 1 차 아민을 함유하는 용액 중에서 tert-부틸하이드록시톨루엔, 아스코르브산, 플라보노이드 등을 환원제에 사용하여 질산구리, 염화구리, 포름산구리 등의 구리 착물로 이루어지는 구리 전구체로부터 구리 나노 입자를 형성하는 단계와, 구리 나노 입자의 표면에 구리보다 높은 환원 전위를 갖는 금속의 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 얻어지는 코어-셸 구조를 갖는 금속 나노 입자는, 구리 입자를 코어로 하고, 이것을 귀금속으로 피복하므로, 구리의 산화를 방지하면서 구리의 함유율을 높일 수 있기 때문에, 경제성 이 우수하고, 또한, 구리보다 전기 전도도가 우수한 은 등의 금속을 박막층에 함유하므로, 구리보다 전기 전도도가 우수한 배선을 형성할 수 있다는 등의 이점을 갖는다고 되어 있다.As such metal nanoparticles having a core-shell structure, for example, there are a copper core and a metal nano-particle including a thin film layer of a metal such as silver, palladium, platinum, gold or the like surrounding the copper core and having a reduction potential higher than copper (Patent Document 1). The method for producing the metal nanoparticles comprises the steps of reacting a copper precursor comprising copper complexes such as copper nitrate, copper chloride and copper formate with tert-butylhydroxytoluene, ascorbic acid, flavonoid or the like in a solution containing primary amine as a reducing agent And forming a thin film of a metal having a reducing potential higher than copper on the surface of the copper nanoparticles. The metal nanoparticles having a core-shell structure thus obtained are coated with a noble metal by using copper particles as a core. Since the content of copper can be increased while preventing the oxidation of copper, the economical efficiency is excellent. Further, And has a merit of being able to form a wiring having an electric conductivity higher than that of copper because it contains a metal such as silver having excellent conductivity in the thin film layer.
또한, 예를 들어, 나노 입자인 제 1 금속 (예를 들어 코발트) 과, 제 1 금속보다 환원 전위가 높은 제 2 금속 (예를 들어 백금) 을 함유한 금속 전구체를 적당한 유기 용제로 각각 용해시키고, 형성된 각 용액을 혼합하여 제 1 금속과 제 2 금속 간의 금속 치환 반응에 의해 코어-셸 구조의 금속 나노 입자를 제조하는 방법이 개시되어 있다 (특허문헌 2).Further, for example, a metal precursor containing nanoparticles of a first metal (for example, cobalt) and a second metal having a reduction potential higher than that of the first metal (for example, platinum) is dissolved in an appropriate organic solvent (Patent Document 2) discloses a method of preparing metal nanoparticles having a core-shell structure by a metal substitution reaction between a first metal and a second metal by mixing each of the formed solutions.
특허문헌 1, 2 는, 상이한 수법에 의해, 환원 전위가 낮은 금속으로 이루어지는 코어와 환원 전위가 높은 금속으로 이루어지는 셸을 갖는 금속 나노 입자를 실현하는 것이다. 그러나, 특허문헌 1, 2 의 제조 방법을 사용하여, 다른 이종 금속으로 이루어지는 코어-셸 구조의 금속 나노 입자를 적절히 얻을 수 있는지의 여부에 대해서는 확실하지는 않다. 특히, 예를 들어 니켈과 코발트와 같이, 산화 환원 전위가 비슷한 이종 금속에 있어서, 특허문헌 1, 2 와 동일한 수법을 적용할 수 있다고는 생각하기 어렵다.Patent Documents 1 and 2 realize metal nanoparticles having a core made of a metal having a low reduction potential and a shell made of a metal having a high reduction potential by a different technique. However, it is not certain whether the metal nanoparticles of the core-shell structure made of different dissimilar metals can be suitably obtained by using the production methods of Patent Documents 1 and 2. Particularly, it is hard to imagine that the same technique as in Patent Documents 1 and 2 can be applied to a dissimilar metal having a similar oxidation-reduction potential, for example, nickel and cobalt.
한편, 본 발명자들은, 구리를 코어로 하고, 구리보다 환원 전위가 낮은 니켈을 셸에 갖는 Cu-Ni 합금에 대하여 검토하고, 보고하였다 (비특허문헌 1, 2). 비특허문헌 1 의 검토를 더욱 진행시킨 비특허문헌 2 에 의하면, Cu-Ni 합금의 제법은, 포름산구리와 포름산니켈을, 각각 별도로 올레일아민과 혼합하고, 포름산구리의 혼합액에 대해서는 실온에서, 포름산니켈의 혼합액에 대해서는 393 K 에서 가열함으로써 착(錯) 형성하여 전구체를 조제하여, 1-옥탄올에 혼합하고, 그 후, 마이크로파로 급속 가열시킴으로써 나노 입자를 얻는 것이다. 구리와 니켈의 산화 환원 전위의 차이로부터 상이한 온도에서 환원 및 입자 생성이 일어나기 때문에 (Cu2+ 433 K, Ni2 + 463 K), 먼저 구리 나노 입자가 생성되고, 승온함에 따라 구리 나노 입자를 핵으로 하여 그 표면에 니켈의 셸이 생성되는 것으로 생각된다. 얻어지는 나노 입자는, 입자 표면 부근에 있어서 니켈 농도가 높은 것인 것이 확인되었다.On the other hand, the present inventors have studied and reported on Cu-Ni alloys having copper as the core and nickel in the shell having a lower reduction potential than copper (Non-Patent Documents 1 and 2). According to Non-Patent Document 2 in which the examination of Non-Patent Document 1 is further carried out, the copper-nickel alloy is produced by mixing copper formate and nickel formate separately with oleylamine, and with respect to the mixed solution of copper formate, The mixture of nickel formate and nickel formate is heated at 393 K to form a precursor, which is mixed with 1-octanol, and then heated rapidly by microwave to obtain nanoparticles. (Cu 2+ 433 K, Ni 2 + 463 K), copper nanoparticles are formed first, and copper nanoparticles are formed at nuclei due to the difference in redox potential between copper and nickel And a shell of nickel is formed on the surface. It was confirmed that the resulting nanoparticles had a high nickel concentration in the vicinity of the particle surface.
본 발명은 예를 들어 촉매, 자성 재료, 전극 등의 용도에 바람직하게 사용할 수 있는, 니켈이 코어를 이루고, 코발트가 셸층을 이루는 니켈-코발트 나노 입자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The object of the present invention is to provide nickel-cobalt nanoparticles in which nickel is a core and cobalt is a shell layer, which can be suitably used for applications such as catalysts, magnetic materials and electrodes, and a method for producing the same.
본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자는, 실질적으로 니켈로 이루어지는 코어와, 그 코어의 전체면을 실질적으로 덮는 실질적으로 코발트로 이루어지는 셸을 구비하고 있다.The nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention comprise a core consisting essentially of nickel and a shell consisting essentially of cobalt substantially covering the entire surface of the core.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자는, 바람직하게는 니켈 함유량이 30 ∼ 90 질량% 의 범위 내이고, 코발트 함유량이 10 ∼ 70 질량% 의 범위 내이고, 평균 입경이 10 ∼ 200 ㎚ 의 범위 내이며, 상기 셸의 두께가 1 ∼ 50 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.The nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention preferably have a nickel content within a range of 30 to 90 mass%, a cobalt content within a range of 10 to 70 mass%, an average particle size of 10 to 200 nm And the thickness of the shell is in the range of 1 to 50 nm.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 니켈염, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 착화 반응액을 얻는 공정과, 상기 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 구비하고 있다.The method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention comprises the steps of: heating a mixture containing a nickel salt, a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution; and heating the complex reaction solution to prepare nickel- And a step of obtaining a nanoparticle slurry.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 니켈 미립자, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 착화 반응액을 얻는 공정과, 상기 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 구비하고 있다.The method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention comprises the steps of: heating a mixture containing nickel fine particles, a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution; and heating the complex reaction solution to prepare nickel- And a step of obtaining a nanoparticle slurry.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 착화 반응액을 얻는 공정과, 상기 착화 반응액에 니켈 미립자를 첨가한 후, 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 구비하고 있다.The method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention includes the steps of: heating a mixture containing a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution; and adding nickel fine particles to the complex reaction solution, Thereby obtaining a nickel-cobalt nano-particle slurry.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 바람직하게는 상기 니켈염 및 코발트염이, 각각, 탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기 및 하기 구조식 (1) 로 나타내는 기 중 어느 일방을 갖는 특징으로 한다.The method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention is characterized in that the nickel salt and the cobalt salt are preferably selected from the group consisting of a straight chain carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms and a group represented by the following structural formula (1) It is characterized by having either one.
[화학식 1] [Chemical Formula 1]
(여기서, 치환기 Ra ∼ Rc 는 메틸, 에틸, 페닐 및 할로겐으로 이루어지는 군에서 선택되는 기이다. 치환기 Ra ∼ Rc 는 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다)(Wherein the substituents Ra to Rc are groups selected from the group consisting of methyl, ethyl, phenyl and halogen), the substituents Ra to Rc may be the same or may be different from each other)
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 바람직하게는 상기 카르복실산기가, 포름산기 또는 아세트산기이고, 상기 구조식 (1) 로 나타내는 기가 아세틸아세토나토이다.In the method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention, preferably, the carboxylic acid group is a formic acid group or an acetic acid group, and the group represented by the structural formula (1) is acetylacetonato.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법은, 바람직하게는 상기 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에서, 가열 수단으로서 마이크로파를 사용한다.The method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention preferably uses microwaves as the heating means in the step of obtaining the slurry of nickel-cobalt nano particles.
본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자는, 니켈의 코어와 코발트의 셸로 구성되기 때문에, 예를 들어 촉매, 자성 재료, 전극 등의 용도에 적합한 것이다. 또한, 이들 용도에 따라 코발트 함유량을 조정함으로써, 비용을 적정하게 할 수 있고, 또한, 상기 각 용도에 있어서 코발트의 성능을 최대한으로 끌어낼 수 있다.The nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention are composed of a core of nickel and a shell of cobalt, and thus are suitable for use in, for example, catalysts, magnetic materials, electrodes and the like. Further, by adjusting the content of cobalt in accordance with these applications, the cost can be appropriately adjusted, and the performance of cobalt can be maximized in each of the above applications.
또한, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법에 의하면, 본 발명에 관련된 니켈-코발트 나노 입자를 바람직하게 얻을 수 있다.Further, according to the method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention, the nickel-cobalt nanoparticles according to the present invention can be preferably obtained.
도 1 은, 각 아세트산니켈 착물의 구조를 나타내는 도면이고, (a) 는, 2 좌 배위, (b) 는 단좌 배위, (c) 는 외권에 카르복실산 이온이 배위된 상태를 각각 나타낸다.
도 2A 는, 실시예 1 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자에 관한 투과형 전자 현미경 (TEM : Transmission Electron Microscope) 사진이다.
도 2B 는, 도 2A 의 TEM 사진 영역으로부터의 전자 회절 (ED : Electron diffraction) 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 실시예 1 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 STEM-EDS 에 의한 매핑 이미지를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 실시예 1 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 STEM-EDS 에 의한 선 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 실시예 1, 2 의 니켈-코발트 나노 입자 및 비교예 8 의 니켈 입자 및 시판되는 코발트 입자의 SQUID 자화율 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 실시예 2 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 STEM-EDS 에 의한 매핑 이미지를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 실시예 4 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 STEM-EDS 에 의한 매핑 이미지를 나타내는 도면이다.Fig. 1 is a diagram showing the structure of each nickel acetate complex. Fig. 2 (a) shows the two-coordinate coordinate system, Fig. 2 (b) shows the one-way coordinate system and Fig.
FIG. 2A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the nickel-cobalt nanoparticles obtained in Example 1. FIG.
FIG. 2B is a diagram showing an electron diffraction (ED) pattern from the TEM photographic region of FIG. 2A. FIG.
3 is a diagram showing a mapping image by STEM-EDS of the nickel-cobalt nanoparticles obtained in Example 1. Fig.
4 is a diagram showing the result of line analysis by STEM-EDS of the nickel-cobalt nanoparticles obtained in Example 1. Fig.
5 is a graph showing SQUID susceptibility measurement results of nickel-cobalt nanoparticles of Examples 1 and 2 and nickel particles of Comparative Example 8 and commercially available cobalt particles.
6 is a diagram showing a mapping image of the nickel-cobalt nanoparticles obtained in Example 2 by STEM-EDS.
7 is a diagram showing a mapping image of STEM-EDS of the nickel-cobalt nanoparticles obtained in Example 4. FIG.
본 발명의 실시형태에 대하여, 이하에 설명한다.Embodiments of the present invention will be described below.
[니켈-코발트 나노 입자] [Nickel-Cobalt Nanoparticles]
본 실시형태에 관련된 니켈-코발트 나노 입자 (이하, 이것을 간단히 「나노 입자」라고 하는 경우가 있다) 는, 실질적으로 니켈로 이루어지는 코어와, 코어의 전체면을 실질적으로 덮는 실질적으로 코발트로 이루어지는 셸을 포함한다. 여기서, 나노 입자는, 코어가 소량의 코발트를 함유하고, 또한, 셸이 소량의 니켈을 함유하는 형태를 배제하는 것은 아니다. 즉, 「실질적으로 니켈로 이루어지는 코어」란, 코어 중에 불가피적으로 함유되는 소량의 코발트의 존재를 허용하지만, 대부분은 니켈로 이루어진다는 의미이고, 「실질적으로 코발트로 이루어지는 셸」이란, 셸 중에 불가피적으로 함유되는 소량의 니켈의 존재를 허용하지만, 대부분은 코발트로 이루어진다는 의미이다. 또한, 나노 입자의 셸은 코어의 전체면을 덮는 것인 것이 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, 일부 니켈이 노출되는 형태를 배제하는 것은 아니다. 요컨대, 「코어의 전체면을 실질적으로 덮는」이란, 셸이 코어를 완전하게 덮는 형태뿐만 아니라, 본 발명의 효과 (나노 입자의 기능) 를 저해하지 않는 범위에서 셸이 불연속적으로 형성되어, 부분적으로 코어가 노출된 형태를 허용하지만, 니켈-코발트 나노 입자의 표면의 대부분은 셸로 이루어진다는 의미이다. 또한 나노 입자는, 코발트의 셸과 니켈 사이에 이너 셸을 갖는 구성이어도 된다.The nickel-cobalt nanoparticles (hereinafter, simply referred to as " nanoparticles ") according to the present embodiment include a core substantially composed of nickel and a shell substantially consisting of cobalt substantially covering the entire surface of the core . Here, the nanoparticles do not exclude a form in which the core contains a small amount of cobalt and the shell contains a small amount of nickel. That is, the term " substantially nickel-made core " means that a small amount of cobalt contained in the core is allowed to exist in the core, but most of the core is made of nickel. The term " substantially consisting of cobalt " It means that a small amount of nickel is allowed to exist, but most of it is made of cobalt. Further, it is preferable that the shell of the nanoparticle covers the whole surface of the core, but the present invention is not limited to this, and it is not excluded that a form in which some nickel is exposed. In short, " substantially covering the entire surface of the core " means that the shell is discontinuously formed within a range that does not impair the effect of the present invention (function of the nanoparticle) as well as the shape in which the shell completely covers the core, , But most of the surface of the nickel-cobalt nanoparticles is made up of the shell. The nanoparticles may also have an inner shell between the shell and the nickel of cobalt.
본 실시형태에 관련된 나노 입자는, 예를 들어, 니켈 함유량이 30 ∼ 90 질량% 및 코발트 함유량이 10 ∼ 70 질량% 이다. 나노 입자의 코발트 함유량은, 적용하는 용도에 있어서 요구되는 특성이나, 비용 등을 고려하여 적절히 설정할 수 있지만, 10 질량% 를 하회하면 예를 들어 코어가 셸로부터 크게 노출되어 촉매 성능이나 자기적 특성의 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있고, 한편 70 질량% 를 초과하면 비용이 높아진다.The nanoparticles according to this embodiment have, for example, a nickel content of 30 to 90 mass% and a cobalt content of 10 to 70 mass%. The content of cobalt in the nanoparticles can be appropriately set in consideration of the characteristics required for the intended application, cost, etc. If the content of cobalt is less than 10% by mass, for example, the core may be exposed to a large extent from the shell, There is a possibility that the effect can not be sufficiently obtained. On the other hand, if it exceeds 70% by mass, the cost becomes high.
나노 입자의 평균 입경은, 예를 들어, 10 ∼ 200 ㎚, 바람직하게는 10 ∼ 150 ㎚ 이다. 나노 입자의 평균 입경은, 10 ㎚ 를 하회하면, 응집이 심하여 분산성이 나빠져 예를 들어 촉매나 전극 등의 페이스트 재료로는 부적합해질 우려가 있다. 한편, 나노 입자의 평균 입경은, 200 ㎚ 를 초과하면, 비표면적이 작아져, 예를 들어 높은 촉매 성능이 발휘되지 않을 우려가 있다. 또한, 나노 입자는, Cv 값 [변동 계수 ; 평균 입경 (d) 과 표준 편차 (σ) 의 비율 σ/d] 이 0.01 ≤ σ/d ≤ 0.5 인 것이 바람직하다.The average particle diameter of the nanoparticles is, for example, 10 to 200 nm, preferably 10 to 150 nm. If the average particle diameter of the nanoparticles is less than 10 nm, the nanoparticles may be agglomerated to deteriorate dispersibility and may be inadequate for paste materials such as catalysts and electrodes. On the other hand, when the average particle diameter of the nanoparticles exceeds 200 nm, the specific surface area becomes small, and for example, high catalyst performance may not be exhibited. The nanoparticles have a Cv value (coefficient of variation; It is preferable that the ratio? / D of the average particle diameter (d) to the standard deviation (?) Is 0.01?? / D? 0.5.
나노 입자의 셸의 두께는, 예를 들어, 1 ∼ 50 ㎚, 바람직하게는 5 ∼ 20 ㎚ 이다. 나노 입자의 셸층의 두께는, 1 ㎚ 를 하회하면, 코발트량이 지나치게 적어, 코발트가 본래 갖는 촉매 활성이나 자기적 특성을 충분히 발휘할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 50 ㎚ 를 초과하면, 비용이 높아진다.The thickness of the shell of the nanoparticles is, for example, 1 to 50 nm, preferably 5 to 20 nm. When the thickness of the shell layer of the nanoparticles is less than 1 nm, the amount of cobalt is too small, and the catalyst activity and magnetic properties inherently possessed by cobalt may not be sufficiently exhibited. On the other hand, if it exceeds 50 nm, the cost becomes high.
나노 입자의 형상은, 예를 들어 구상, 의구상(擬球狀), 장구상(長球狀), 정육면체형, 절두(切頭) 사면체형, 쌍각추상, 정팔면체형, 정십면체형, 정이십면체형 등의 여러 가지의 형상이어도 되지만, 예를 들어 니켈 나노 입자를 전자 부품의 전극에 사용한 경우의 충전 밀도의 향상이라는 관점에서, 구상 또는 의구상이 바람직하고, 구상이 보다 바람직하다. 여기서, 나노 입자의 형상은, 주사 전자 현미경 (SEM) 으로 관찰함으로써 확인할 수 있다.The shape of the nanoparticles may be, for example, a spherical shape, a spherical shape, a long spherical shape, a cube shape, a truncated pyramidal shape, a biconvex abstract, an octahedron shape, Shape, or the like. From the viewpoint of improving the filling density when nickel nanoparticles are used for electrodes of electronic components, for example, spherical or spherical shapes are preferable, and spherical shapes are more preferable. Here, the shape of the nanoparticles can be confirmed by observing with a scanning electron microscope (SEM).
이상 설명한 본 실시형태에 관련된 나노 입자는, 촉매, 자성 재료, 전극 등의 용도에 따라 코발트 함유량을 조정하여 비용을 적정하게 할 수 있고, 또한, 코발트의 성능을 바람직하게 끌어낼 수 있다.The nanoparticles according to the present embodiment described above can adjust the content of cobalt depending on applications such as a catalyst, a magnetic material, an electrode, etc., so that the cost can be appropriately adjusted, and the performance of cobalt can be preferably obtained.
[니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법] [Method for producing nickel-cobalt nanoparticles]
다음으로, 니켈-코발트 나노 입자를 바람직하게 얻기 위한 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법에 대하여 설명한다. 본 실시형태에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법 (이하, 간단히 「나노 입자의 제조 방법」이라고 하는 경우가 있다) 으로서 제 1 예 ∼ 제 3 예를 든다.Next, a method for producing nickel-cobalt nanoparticles for obtaining nickel-cobalt nanoparticles is described. The first to third examples are given as the method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the present embodiment (hereinafter, simply referred to as "method for producing nanoparticles").
<제 1 예> ≪ Example 1 >
나노 입자의 제조 방법의 제 1 예는, 니켈염, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 착화 반응액을 얻는 공정과, 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 갖는다.A first example of the method for producing nanoparticles comprises the steps of heating a mixture containing a nickel salt, a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution, and a step of heating the complex reaction solution to obtain a nickel-cobalt nano particle slurry Respectively.
<제 2 예> <Example 2>
나노 입자의 제조 방법의 제 2 예는, 니켈 미립자, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 착화 반응액을 얻는 공정과, 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 갖는다. 즉, 제 1 예의 니켈염 대신에 니켈 미립자를 사용한다.A second example of the method for producing nanoparticles comprises a step of heating a mixture containing nickel fine particles, a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution, and a step of heating the complex reaction solution to obtain a nickel-cobalt nanoparticle slurry Respectively. Namely, nickel fine particles are used instead of the nickel salt of the first example.
<제 3 예> <Example 3>
나노 입자의 제조 방법의 제 3 예는, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하여 착화 반응액을 얻는 공정과, 착화 반응액에 니켈 미립자를 첨가한 후, 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 갖는다. 즉, 제 2 예의 니켈 미립자를 착화 반응액 생성 과정이 아니라, 니켈-코발트 나노 입자 슬러리생성 과정에서 첨가한다.A third example of the method for producing nanoparticles comprises the steps of: heating a mixture containing a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution; adding nickel fine particles to the complex reaction solution and then heating to form nickel-cobalt nanoparticles And a step of obtaining a slurry. That is, the nickel microparticles of the second example are added not in the course of the complex reaction, but in the process of producing the nickel-cobalt nano-particle slurry.
제 2 예 및 제 3 예는, 모두 바람직한 실시형태이지만, 니켈 미립자를 첨가하는 경우, 니켈 미립자를 착화 반응액 중에 고분산시키는 것이 필요하고, 그것이 불충분한 경우, 코발트 셸의 균일한 형성을 실시하지 못할 우려가 있다. 그러한 의미에서는, 고분산 처리할 필요가 없는 제 1 예가 가장 바람직한 방법이다.The second and third examples are all preferred embodiments. However, in the case of adding nickel fine particles, it is necessary to highly disperse the nickel fine particles in the complexing reaction solution, and if it is insufficient, uniform formation of the cobalt shell is not performed There is a fear of not being able to do. In this sense, the first example in which there is no need to perform highly dispersed processing is the most preferable method.
[착화 반응액을 얻는 공정] [Step of obtaining complex reaction solution]
본 공정에서는, 니켈염, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하거나 (제 1 예), 니켈 미립자, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하거나 (제 2 예), 혹은, 코발트염 및 1 급 아민을 함유하는 혼합물을 가열하거나 (제 3 예) 함으로써, 니켈 및/또는 코발트의 착물을 생성시켜, 착화 반응액을 얻는다. 여기서, 착화 반응액이란, 니켈염 및/또는 코발트염과 1 급 아민의 반응에 의해 생성되는 반응 생성액 (반응 생성물) 을 말한다. 착화 반응액은, 착물로서, 제 1 예에서는 니켈 착물 및 코발트 착물을, 제 2 예 그리고 제 3 예에서는 코발트 착물을 함유할 것으로 생각된다. 착화 반응액을 가열함으로써, 니켈 착물 및/또는 코발트 착물의 니켈 이온 및/또는 코발트 이온이 환원되고, 그 이온에 배위되어 있는 카르복실산 이온이 동시에 분해되고, 최종적으로 0 가의 Ni 및/또는 0 가의 Co 가 생성되어, 코어-셸 구조의 나노 입자가 생성된다.In this step, a mixture containing a nickel salt, a cobalt salt and a primary amine is heated (first example), or a mixture containing nickel fine particles, a cobalt salt and a primary amine is heated (second example) A complex containing nickel and / or cobalt is produced by heating the mixture containing the cobalt salt and the primary amine (the third example) or obtaining the complexation reaction solution. Here, the complex reaction liquid refers to a reaction product (reaction product) produced by the reaction of a nickel salt and / or a cobalt salt with a primary amine. It is considered that the complex reaction solution contains a nickel complex and a cobalt complex in the first example, and a cobalt complex in the second example and the third example as the complex. The nickel ion and / or the cobalt ion of the nickel complex and / or the cobalt complex is reduced, and the carboxylic acid ions coordinated to the ion are simultaneously decomposed by heating the complex reaction solution, and ultimately the zero valent Ni and / or 0 Co of Co is generated, and nanoparticles of the core-shell structure are produced.
(니켈염, 코발트염) (Nickel salt, cobalt salt)
니켈염 및 코발트염은, 모두, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기 또는 하기 구조식 (1) 로 나타내는 기 중 어느 일방 또는 쌍방을 갖는 것이 바람직하다. 하기 구조식 (1) 로 나타내는 기는, 1,3-디케토나토기 (β-디케토나토 배위자) 이다. 니켈염 및 코발트염은, 동종의 염이어도 되고 이종의 염이어도 된다. 또한, 니켈염 및 코발트염은, 모두, 무수물이어도 되고, 또한 수화물이어도 된다.The nickel salt and the cobalt salt are not particularly limited, but preferably have either one or both of a straight chain carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms or a group represented by the following structural formula (1). The group represented by the structural formula (1) below is a 1,3-diketonato group (? -Diketonato ligand). The nickel salt and the cobalt salt may be a homogeneous salt or a different kind of salt. The nickel salt and the cobalt salt may all be anhydrides or hydrates.
[화학식 2] (2)
(여기서, 치환기 Ra ∼ Rc 는 메틸, 에틸, 페닐 및 할로겐으로 이루어지는 군에서 선택되는 기이다. 치환기 Ra ∼ Rc 는 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다)(Wherein the substituents Ra to Rc are groups selected from the group consisting of methyl, ethyl, phenyl and halogen), the substituents Ra to Rc may be the same or may be different from each other)
탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기를 갖는 니켈염은, 구체적으로는, 포름산니켈, 아세트산니켈 또는 프로피온산니켈이고, 특히 포름산니켈 또는 아세트산니켈을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기를 갖는 코발트염은, 구체적으로는, 포름산코발트, 아세트산코발트 또는 프로피온산코발트이고, 특히 포름산코발트 또는 아세트산코발트를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 카르복실산니켈이나 카르복실산코발트는, 무수물이어도 되고, 또한 수화물이어도 된다. 또한, 카르복실산니켈이나 카르복실산코발트 대신에, 염화니켈 (염화코발트), 질산니켈 (질산코발트), 황산니켈 (황산코발트), 탄산니켈 (탄산코발트), 수산화니켈 (수산화코발트) 등의 무기염을 사용하는 것도 생각할 수 있지만, 무기염의 경우, 해리 (분해) 가 고온에서 이루어지기 때문에, 해리 후의 니켈 이온 (또는 니켈 착물) 이나 코발트 이온 (또는 코발트 착물) 을 환원하는 과정에서 추가적인 높은 온도에서의 가열이 필요하므로 바람직하지 않다.Specific examples of the nickel salt having a straight chain carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms include nickel formate, nickel acetate or nickel propionate, and particularly nickel formate or nickel acetate is preferably used. The cobalt salt having a straight chain carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms is specifically cobalt formate, cobalt acetate or cobalt propionate, and it is particularly preferable to use cobalt formate or cobalt acetate. These carboxylic acid nickel and carboxylic acid cobalt may be anhydrides or hydrates. (Cobalt chloride), nickel nitrate (cobalt nitrate), nickel sulfate (cobalt sulfate), nickel carbonate (cobalt carbonate), nickel hydroxide (cobalt hydroxide) and the like can be used in place of nickel carboxylate or cobalt carboxylate. (Or a nickel complex) or a cobalt ion (or a cobalt complex) after dissociation because the dissociation (decomposition) takes place at a high temperature in the case of an inorganic salt. It is not preferable because heating is required.
상기 구조식 (1) 로 나타내는 기로는, 예를 들어 2,4-펜탄디오나토 (별명 : 아세틸아세토나토), 2,4-헥사디오나토, 3,5-헵타디오나토, 1-페닐-1,3-부탄디오나토, 1-클로르-1,3-부탄디오나토 등을 들 수 있지만, 이 중에서 아세틸아세토나토를 사용하는 것이 바람직하다.Examples of the group represented by the above structural formula (1) include 2,4-pentanedionato (acetylacetonato), 2,4-hexadionato, 3,5-heptadionato, 3-butanedionato, 1-chlor-1,3-butanedionato and the like, among which acetylacetonato is preferably used.
니켈염, 코발트염의 배합량은, 예를 들어, 금속 환산으로, 착화 반응액 중의 니켈 및 코발트의 합계량 100 질량부에 대하여, 니켈 30 ∼ 90 질량부, 코발트 10 ∼ 70 질량부로 하는 것이 바람직하고, 니켈 50 ∼ 80 질량부, 코발트 20 ∼ 50 질량부로 하는 것이 보다 바람직하다. 코발트의 배합량은, 나노 입자의 용도에 있어서 요구되는 특성이나, 비용 등을 고려하여 적절히 설정할 수 있지만, 금속 환산으로, 니켈 및 코발트의 합계량 100 질량부에 대하여 10 질량부를 하회하면 예를 들어 코어가 셸로부터 크게 노출되어 촉매 성능이나 자기적 특성의 효과가 충분히 얻어지지 않을 우려가 있고, 한편 70 질량부를 초과하면 비용이 높아진다.The amount of the nickel salt and the cobalt salt is preferably 30 to 90 parts by mass of nickel and 10 to 70 parts by mass of cobalt relative to 100 parts by mass of the total amount of nickel and cobalt in the complexing reaction solution, More preferably 50 to 80 parts by mass, and
(니켈 미립자) (Nickel fine particles)
나노 입자의 제조 방법의 제 2 예 및 제 3 예에서 사용하는 니켈 미립자는, 입경의 크기를 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 5 ∼ 200 ㎚ 입경의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 입경이 5 ㎚ 를 하회하면, 응집이 심하고, 액 중에서도 잘 분산되지 않게 될 우려가 있다. 한편, 입경이 200 ㎚ 를 초과하면, 입자의 비표면적이 지나치게 작아져, 충분한 반응이 이루어지지 않을 우려가 있다. 또한, 니켈 미립자의 형상은, 예를 들어 구형, 의구형 등이 바람직하지만, 구형이 가장 바람직하다.The nickel fine particles used in the second and third examples of the method for producing nanoparticles do not limit the size of the particle size, but for example, those having a particle diameter of 5 to 200 nm are preferably used. When the particle diameter is less than 5 nm, coagulation is severe and there is a fear that the particles are not dispersed well in the liquid. On the other hand, if the particle size exceeds 200 nm, the specific surface area of the particles becomes too small, and there is a possibility that sufficient reaction is not achieved. The shape of the nickel fine particles is preferably spherical, spherical, or the like, but is most preferably spherical.
니켈 미립자의 첨가량은, 금속 환산으로, 착화 반응액 중의 니켈 및 코발트의 합계량 100 질량부에 대하여, 30 ∼ 90 질량부로 하는 것이 바람직하고, 50 ∼ 80 질량부로 하는 것이 보다 바람직하다.The amount of the nickel fine particles to be added is preferably 30 to 90 parts by mass, more preferably 50 to 80 parts by mass, in terms of the metal, based on 100 parts by mass of the total amount of nickel and cobalt in the complexing reaction liquid.
(1 급 아민) (Primary amine)
1 급 아민은, 니켈 이온이나 코발트 이온과의 착물을 형성할 수 있어, 니켈 착물 (또는 니켈 이온) 에 대한 환원능을 효과적으로 발휘한다. 한편, 2 급 아민은 입체 장해가 크기 때문에, 니켈 착물이나 코발트 착물의 양호한 형성을 저해할 우려가 있고, 3 급 아민은 니켈 이온이나 코발트 이온의 환원능을 갖지 않기 때문에, 모두 사용할 수 없다.The primary amine can form a complex with a nickel ion or a cobalt ion, and can effectively exhibit a reducing ability to a nickel complex (or a nickel ion). On the other hand, since the secondary amine has a large steric hindrance, there is a fear that the formation of a nickel complex or a cobalt complex is not favorably formed, and the tertiary amine does not have a reducing ability of nickel ion or cobalt ion.
1 급 아민은, 니켈 이온이나 코발트 이온과의 착물을 형성할 수 있는 것이면, 특별히 한정하는 것은 아니고, 상온에서 고체 또는 액체인 것을 사용할 수 있다. 여기서, 상온이란, 20 ℃ ± 15 ℃ 를 말한다. 상온에서 액체인 1 급 아민은, 니켈 착물이나 코발트 착물을 형성할 때의 유기 용매로서도 기능한다. 또한, 상온에서 고체인 1 급 아민이라도, 100 ℃ 이상의 가열에 의해 액체이거나, 또는 유기 용매를 사용하여 용해되는 것이면, 특별히 문제는 없다.The primary amine is not particularly limited as long as it can form a complex with nickel ion or cobalt ion, and a solid or liquid at room temperature can be used. Here, the room temperature refers to 20 캜 15 캜. The primary amine, which is a liquid at room temperature, also functions as an organic solvent for forming a nickel complex or a cobalt complex. A primary amine which is solid at normal temperature is not particularly problematic as long as it is a liquid by heating at 100 DEG C or higher or is dissolved by using an organic solvent.
1 급 아민은, 분산제로서도 기능하여, 니켈 착물이나 코발트 착물을 반응액 중에 양호하게 분산시킬 수 있기 때문에, 착물 형성 후에 니켈 착물이나 코발트 착물을 가열하여 분해시켜 나노 입자를 얻을 때의 입자끼리의 응집을 억제할 수 있다. 1 급 아민은, 방향족 1 급 아민이어도 되지만, 반응액에 있어서의 니켈 착물 형성이나 코발트 착물 형성의 용이성의 관점에서는 지방족 1 급 아민이 바람직하다. 지방족 1 급 아민은, 예를 들어 그 탄소 사슬의 길이를 조정함으로써 생성되는 나노 입자의 입경을 제어할 수 있고, 특히 평균 입경이 10 ∼ 200 ㎚ 인 나노 입자를 제조하는 경우에 있어서 유리하다. 나노 입자의 입경을 제어하는 관점에서, 지방족 1 급 아민은, 그 탄소수가 6 ∼ 20 정도인 것에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 탄소수가 많을수록 얻어지는 나노 입자의 입경이 작아진다. 이와 같은 아민으로서, 예를 들어 옥틸아민, 트리옥틸아민, 디옥틸아민, 헥사데실아민, 도데실아민, 테트라데실아민, 스테아릴아민, 올레일아민, 미리스틸아민, 라우릴아민 등을 들 수 있다. 예를 들어 올레일아민은, 나노 입자 생성 과정에 있어서의 온도 조건하에서 액체 상태로서 존재하기 때문에 균일 용액에서의 반응을 효율적으로 진행시킬 수 있다.The primary amine also functions as a dispersant and can disperse the nickel complex or the cobalt complex well in the reaction solution. Therefore, after the complex is formed, the nickel complex or the cobalt complex is heated and decomposed to aggregate the particles when the nanoparticles are obtained Can be suppressed. The primary amine may be an aromatic primary amine, but an aliphatic primary amine is preferable from the viewpoint of ease of nickel complex formation and cobalt complex formation in the reaction solution. The aliphatic primary amine can control the particle diameter of the nanoparticles formed by, for example, adjusting the length of the carbon chain, and is particularly advantageous when nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 200 nm are produced. From the viewpoint of controlling the particle diameter of the nanoparticles, the aliphatic primary amine is preferably selected from those having about 6 to 20 carbon atoms. The larger the carbon number, the smaller the particle size of the resulting nanoparticles. Examples of such amines include octylamine, trioctylamine, dioctylamine, hexadecylamine, dodecylamine, tetradecylamine, stearylamine, oleylamine, myristylamine and laurylamine have. For example, oleylamine is present in a liquid state under temperature conditions in the process of producing nanoparticles, so that the reaction in the homogeneous solution can be efficiently advanced.
1 급 아민은, 나노 입자의 생성시에 표면 수식제로서 기능하기 때문에, 1 급 아민의 제거 후에 있어서도 2 차 응집을 억제할 수 있다. 또한, 1 급 아민은, 환원 반응 후의 생성된 나노 입자의 고체 성분과 용제 또는 미반응의 1 급 아민 등을 분리하는 세정 공정에 있어서의 처리 조작의 용이성의 관점에서도 바람직하다. 또한, 1 급 아민은, 니켈 착물이나 코발트 착물을 환원하여 나노 입자를 얻을 때의 반응 제어의 용이성의 관점에서는 환원 온도보다 비점이 높은 것이 바람직하다. 즉, 지방족 1 급 아민에 있어서는 비점이 200 ℃ 이상인 것이 바람직하고, 탄소수가 9 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 예를 들어 탄소수가 9 인 지방족아민의 C9H21N (노닐아민) 의 비점은 201 ℃ 이다. 1 급 아민의 양은, 금속 환산으로 니켈 및 코발트의 합계량 1 ㏖ 에 대하여 2 ㏖ 이상 사용하는 것이 바람직하고, 2.5 ㏖ 이상 사용하는 것이 보다 바람직하며, 4 ㏖ 이상 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 1 급 아민의 양의 상한은 특별히는 없지만, 예를 들어 생산성의 관점에서는 금속 환산으로 니켈 및 코발트의 합계량 1 ㏖ 에 대하여 20 ㏖ 이하 정도로 하는 것이 바람직하다.Since the primary amine functions as a surface modifier when the nanoparticles are formed, the secondary aggregation can be suppressed even after the removal of the primary amine. The primary amine is also preferable from the viewpoint of easiness of treatment in the cleaning step of separating the solid component of the produced nanoparticles after the reduction reaction and the solvent or the unreacted primary amine. It is also preferable that the primary amine has a boiling point higher than the reduction temperature in view of ease of reaction control when reducing the nickel complex or the cobalt complex to obtain the nanoparticles. That is, the aliphatic primary amine preferably has a boiling point of 200 ° C or higher, and preferably has a carbon number of 9 or higher. Here, for example, the boiling point of C 9 H 21 N (nonylamine) of an aliphatic amine having 9 carbon atoms is 201 ° C. The amount of the primary amine is preferably 2 moles or more, more preferably 2.5 moles or more, and further preferably 4 moles or more, relative to the total amount of nickel and cobalt in terms of metals. The upper limit of the amount of the primary amine is not particularly limited, but it is preferably about 20 mol or less with respect to the total amount of 1 mol of nickel and cobalt in terms of the metal from the viewpoint of productivity.
2 가의 니켈 이온은 배위자 치환 활성종으로서 알려져 있고, 형성되는 착물의 배위자는 온도, 농도에 따라 용이하게 배위자 교환에 의해 착 형성이 변화될 가능성이 있다. 예를 들어 카르복실산니켈 및 1 급 아민의 혼합물을 가열하여 반응액을 얻는 공정에 있어서, 사용하는 아민의 탄소 사슬 길이 등의 입체 장해를 고려하면, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같은 카르복실산 이온 (R1COO, R2COO) 이 2 좌 배위 (a) 또는 단좌 배위 (b) 중 어느 곳에서 배위될 가능성이 있고, 또한 아민의 농도가 지나치게 과잉인 경우에는 외권에 카르복실산 이온이 존재하는 구조 (c) 를 취할 가능성이 있다. 목적으로 하는 반응 온도 (환원 온도) 에 있어서 균일 용액으로 하려면 적어도 A, B, C, D, E, F 의 배위자 중 적어도 1 개 지점에는 1 급 아민이 배위되어 있을 필요가 있다. 그 상태를 취하려면, 1 급 아민이 과잉으로 반응 용액 내에 존재하고 있을 필요가 있고, 적어도 니켈 이온 1 ㏖ 에 대하여 2 ㏖ 이상 존재하고 있는 것이 바람직하며, 2.5 ㏖ 이상 존재하고 있는 것이 보다 바람직하며, 4 ㏖ 이상 존재하고 있는 것이 더욱 바람직하다.The divalent nickel ion is known as a ligand-substituting active species, and the ligand of the complex to be formed is likely to be easily changed by ligand exchange depending on the temperature and the concentration. Considering the steric hindrance such as the carbon chain length of the amine used in the step of heating the mixture of the nickel carboxylate and the primary amine to obtain the reaction solution, for example, as shown in Fig. 1, There is a possibility that the complex acid ion (R 1 COO, R 2 COO) is coordinated in either the two-coordinate configuration (a) or the monoclinic configuration (b), and if the concentration of the amine is excessively excessive, There is a possibility of taking structure (c) in which ions exist. At least one of the ligands of A, B, C, D, E and F needs to have a primary amine coordination in order to obtain a homogeneous solution at the target reaction temperature (reduction temperature). In order to take such a state, it is necessary that the primary amine exists in excess in the reaction solution. It is preferably at least 2 mol, more preferably 2.5 mol or more, relative to 1 mol of the nickel ion, More preferably 4 mol or more.
코발트 이온에 대해서도 니켈 이온과 유사한 거동을 취하여, 착물을 형성하는 것으로 생각된다. 이 때문에, 1 급 아민은 코발트 이온에 대해서도 과잉량 존재할 필요가 있어, 적어도 니켈 이온 1 ㏖ 에 대하여 2 ㏖ 이상 존재하고 있는 것이 바람직하고, 2.5 ㏖ 이상 존재하고 있는 것이 보다 바람직하며, 4 ㏖ 이상 존재하고 있는 것이 더욱 바람직하다.It is considered that a complex is formed by taking similar behavior to nickel ions also for cobalt ions. For this reason, the primary amine needs to be present in an excessive amount relative to the cobalt ion, and it is preferably at least 2 mol or more, more preferably 2.5 mol or more, more preferably 4 mol or more Is more preferable.
착 형성 반응은 실온에 있어서도 진행시킬 수 있지만, 반응을 확실하게 또한 보다 효율적으로 실시하기 위하여, 100 ℃ 이상의 온도에서 가열을 실시하는 것이 바람직하다. 이 가열은, 니켈염이나 코발트염으로서, 예를 들어 아세트산니켈 4 수화물과 같은 카르복실산니켈의 수화물이나 카르복실산코발트의 수화물을 사용한 경우에 특히 유리하다. 가열 온도는, 바람직하게는 100 ℃ 를 초과하는 온도로 하고, 보다 바람직하게는 105 ℃ 이상의 온도로 함으로써, 카르복실산니켈이나 카르복실산코발트에 배위된 배위수(配位水)와 1 급 아민의 배위자 치환 반응이 효율적으로 이루어져, 이 착물 배위자로서의 수분자를 해리시킬 수 있고, 또한 그 물을 계 외에 내보낼 수 있기 때문에 효율적으로 착물을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 아세트산니켈 4 수화물은, 실온에서는 2 개의 배위수와 2 좌 배위자인 2 개의 아세트산 이온, 외권에 2 개의 수분자가 존재한 착물 구조를 취하고 있기 때문에, 이 2 개의 배위수와 1 급 아민의 배위자 치환에 의해 효율적으로 착 형성시키려면, 100 ℃ 보다 높은 온도에서 가열함으로써 이 착물 배위자로서의 수분자를 해리시키는 것이 바람직하다. 또한, 가열 온도는, 이후에 계속되는 니켈 착물 (또는 니켈 이온) 및 코발트 착물 (또는 코발트 이온) 의 가열 환원의 과정과 확실하게 분리하고, 전단계의 착 형성 반응을 완결시킨다는 관점에서, 175 ℃ 이하가 바람직하다. 따라서, 착물 형성시의 가열은, 예를 들어, 105 ∼ 175 ℃ 에서 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 가열 온도는 125 ∼ 160 ℃ 이다.The complexing reaction can proceed even at room temperature, but in order to reliably and more efficiently carry out the reaction, it is preferable to carry out heating at a temperature of 100 캜 or higher. This heating is particularly advantageous when a hydrate of nickel carboxylate or a hydrate of cobalt carboxylate such as nickel acetate tetrahydrate is used as a nickel salt or a cobalt salt. The heating temperature is preferably set to a temperature exceeding 100 ° C, and more preferably, to a temperature of 105 ° C or more, whereby coordination water (coordination water) coordinated with nickel carboxylate or cobalt carboxylate and primary amine The ligand substitution reaction of the complex ligand can be efficiently carried out and the water molecule as the complex ligand can be dissociated and the water can be discharged out of the system to efficiently form the complex. For example, nickel acetate tetrahydrate has two coordination numbers at room temperature, two acetic acid ions as two-coordinate ligands, and a complex structure in which two water molecules are present in the outer potion. Therefore, the two coordination numbers and the primary amine , It is preferable to dissociate the water molecule as the complex ligand by heating at a temperature higher than 100 ° C. The heating temperature is preferably 175 ° C or lower from the viewpoint of ensuring separation of the subsequent nickel complex (or nickel ion) and cobalt complex (or cobalt ion) from the heating and reduction process and completing the complexation reaction of the previous step desirable. Therefore, the heating at the time of complex formation is preferably carried out at, for example, 105 to 175 ° C. More preferably, the heating temperature is 125 to 160 ° C.
가열 시간은, 가열 온도나, 각 원료의 함유량에 따라 적절히 결정할 수 있지만, 착 형성 반응을 확실하게 완결시킨다는 관점에서, 15 분 이상으로 하는 것이 바람직하다. 가열 시간의 상한은 특별히 없지만, 장시간 가열하는 것은, 에너지 소비 및 공정 시간을 절약하는 관점에서 낭비이다. 또한, 이 가열 방법은, 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 오일 배스 등의 열매체에 의한 가열이어도 되고, 마이크로파 조사에 의한 가열이어도 된다.The heating time can be appropriately determined depending on the heating temperature and the content of each raw material, but is preferably 15 minutes or longer from the viewpoint of surely completing the complexing reaction. The upper limit of the heating time is not particularly limited, but heating for a long time is a waste in terms of saving energy consumption and processing time. The heating method is not particularly limited and may be heating by a heating medium such as an oil bath or heating by microwave irradiation.
착 형성 반응은, 니켈염 및/또는 코발트염과 1 급 아민을 혼합하여 얻어지는 용액을 가열하였을 때에, 용액의 색 변화에 의해 확인할 수 있다. 또한, 이 착 형성 반응은, 예를 들어 자외·가시 흡수 스펙트럼 측정 장치를 사용하여, 300 ㎚ ∼ 750 ㎚ 의 파장 영역에 있어서 관측되는 흡수 스펙트럼의 흡수 극대인 파장을 측정하고, 원료의 극대 흡수 파장 (예를 들어 아세트산니켈 4 수화물에서는 그 극대 흡수 파장은 710 ㎚ 이다) 에 대한 반응액의 시프트를 관측함으로써 확인할 수 있다.The complex formation reaction can be confirmed by changing the color of the solution when a solution obtained by mixing a nickel salt and / or a cobalt salt with a primary amine is heated. The complex formation reaction can be carried out by measuring the wavelength at which the absorption spectrum observed in the wavelength range of 300 nm to 750 nm is maximized, for example, using an ultraviolet / visible absorption spectrum measuring apparatus, (For example, the maximum absorption wavelength in nickel acetate tetrahydrate is 710 nm).
니켈염 및/또는 코발트염과 1 급 아민의 착 형성이 이루어진 후, 얻어지는 반응액을, 이후에서 설명하는 바와 같이, 마이크로파 조사 등의 방법에 의해 가열함으로써, 니켈 착물의 니켈 이온 및/또는 코발트 착물의 코발트 이온이 환원되어, 니켈 이온이나 코발트 이온에 배위되어 있는 카르복실산 이온이 동시에 분해되고, 최종적으로 산화수가 0 가인 니켈 및/또는 코발트를 함유하는 나노 입자가 생성된다. 일반적으로 카르복실산니켈이나 카르복실산코발트는 물을 용매로 하는 것 이외의 조건에서는 난용성이고, 마이크로파 조사에 의한 가열 환원 반응의 전단계로서, 카르복실산니켈이나 카르복실산코발트를 함유하는 용액은 균일 반응 용액으로 할 필요가 있다. 이에 대하여, 본 실시형태에서 사용되는 1 급 아민은, 사용 온도 조건에서 액체이며, 또한 그것이 니켈 이온이나 코발트 이온에 배위됨으로써 액화되어, 균일 반응 용액을 형성하는 것으로 생각된다.After the nickel salt and / or the cobalt salt and the primary amine have been formed, the resulting reaction solution is heated by microwave irradiation or the like to form nickel ions and / or cobalt complexes of nickel complexes The cobalt ions of nickel and cobalt ions are reduced and carboxylic acid ions coordinated to nickel ions and cobalt ions are simultaneously decomposed to finally produce nanoparticles containing nickel and / or cobalt whose oxidation number is zero. In general, nickel carboxylate or cobalt carboxylate is poorly soluble under conditions other than the use of water as a solvent, and a solution containing nickel carboxylate or cobalt carboxylate as a preliminary step of a heating and reducing reaction by microwave irradiation It is necessary to prepare a homogeneous reaction solution. On the other hand, it is considered that the primary amine used in the present embodiment is a liquid at the use temperature condition and is liquefied by coordination with nickel ion or cobalt ion to form a uniform reaction solution.
(유기 용매) (Organic solvent)
균일 용액에서의 반응을 보다 효율적으로 진행시키기 위하여, 1 급 아민과는 별도의 유기 용매를 새롭게 첨가해도 된다. 유기 용매를 사용하는 경우, 유기 용매를 니켈염이나 코발트염과 1 급 아민과 동시에 혼합해도 되지만, 니켈염이나 코발트염과 1 급 아민을 먼저 혼합하고, 착 형성한 후에 유기 용매를 첨가하면, 1 급 아민이 효율적으로 니켈 이온이나 코발트 이온에 배위되므로, 보다 바람직하다. 사용할 수 있는 유기 용매로는, 1 급 아민과 니켈 이온 혹은 코발트 이온과의 착 형성을 저해하지 않는 것이면, 특별히 한정하는 것은 아니고, 예를 들어 탄소수 4 ∼ 30 의 에테르계 유기 용매, 탄소수 7 ∼ 30 의 포화 또는 불포화 탄화수소계 유기 용매, 탄소수 8 ∼ 18 의 알코올계 유기 용매 등을 사용할 수 있다. 또한, 마이크로파 조사 등에 의한 가열 조건하에서도 사용할 수 있게 하는 관점에서, 사용하는 유기 용매는, 비점이 170 ℃ 이상인 것을 선택하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 200 ∼ 300 ℃ 의 범위 내에 있는 것을 선택하는 것이 좋다. 이와 같은 유기 용매의 구체예로는, 예를 들어 테트라에틸렌글리콜, n-옥틸에테르 등을 들 수 있다.An organic solvent separate from the primary amine may be newly added in order to more efficiently proceed the reaction in the homogeneous solution. When an organic solvent is used, an organic solvent may be mixed with a nickel salt or a cobalt salt and a primary amine at the same time. However, when a nickel salt or a cobalt salt and a primary amine are mixed first, It is more preferable that the quaternary amine is efficiently coordinated to the nickel ion or the cobalt ion. The organic solvent that can be used is not particularly limited as long as it does not inhibit the formation of a primary amine and nickel ion or cobalt ion, and includes, for example, an ether organic solvent having 4 to 30 carbon atoms, an organic solvent having 7 to 30 carbon atoms Saturated or unsaturated hydrocarbon-based organic solvents, and alcohol-based organic solvents having 8 to 18 carbon atoms. The organic solvent to be used is preferably selected so as to have a boiling point of 170 캜 or higher, more preferably 200 캜 to 300 캜, from the viewpoint of being usable under heating conditions by microwave irradiation or the like It is good. Specific examples of such an organic solvent include, for example, tetraethylene glycol, n-octyl ether, and the like.
[니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정] [Step of obtaining nickel-cobalt nanoparticle slurry]
본 공정에서는, 착화 반응액을 가열함으로써, 니켈 착물 및/또는 코발트 착물 (니켈 이온 및/또는 코발트 이온) 을 금속으로 환원하여 나노 입자를 생성시킨다. 예를 들어, 제 1 예에서는, 니켈 착물 및 코발트 착물의 혼합물이 환원되어 열분해될 때, 니켈 착물 쪽이 코발트 착물보다 먼저 낮은 온도에서 열분해되고 아민에 의해 환원되어, 니켈 입자가 코어가 되고, 그 코어의 표면에 코발트의 셸이 형성되는 것으로 생각된다. 통상적으로, 코발트 착물은 열분해에 의해 배위자가 해리되어, Co2 + 의 착물로부터 Co (0 가) 의 나노 입자가 형성된다. 이에 대하여, 본 발명에서는, 과잉인 올레일아민 존재하에서, Ni 를 촉매로 하여 코발트 착물이 Co2 + 로부터 Co (0 가) 로, 통상보다 저온에서 환원된다 (착물이 해리된다).In this step, by heating the complex reaction solution, the nickel complex and / or the cobalt complex (nickel ion and / or cobalt ion) is reduced with a metal to produce nanoparticles. For example, in the first example, when the mixture of the nickel complex and the cobalt complex is reduced and pyrolyzed, the nickel complex is pyrolyzed at a lower temperature than the cobalt complex and reduced by the amine, so that the nickel particles become the core, It is considered that a shell of cobalt is formed on the surface of the core. Typically, the cobalt complex is the ligand is dissociated by pyrolysis, the nanoparticles of Co (0 A) is formed from a complex of Co + 2. On the other hand, in the present invention, the cobalt complex is reduced from Co 2 + to Co (O) by using Ni as a catalyst in the presence of excess oleylamine, and is usually reduced at a lower temperature (the complex dissociates).
착화 반응액을 가열함으로써, 착화 반응액이 환원되고, 착물은 열분해된다. 가열 온도는, 환원 반응을 효율적으로 실시하는 관점에서는, 바람직하게는 200 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 220 ℃ 이상이다. 처리를 능률적으로 실시하는 관점에서는 바람직하게는 270 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 250 ℃ 이하 정도이다. 예를 들어, 니켈을 예로 들어 설명하면, 균일한 입경을 가진 나노 입자를 생성시키려면, 착화 반응액을 얻는 공정에서 니켈 착물을 균일하게 또한 충분히 생성시키는 것과, 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에서 니켈 이온의 환원에 의해 생성되는 Ni (0 가) 의 핵의 동시 발생·성장을 실시할 필요가 있다. 즉, 착화 반응액을 얻는 공정의 가열 온도를 상기의 특정 범위 내에서 조정하여, 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정의 가열 온도보다 확실하게 낮게 해 둠으로써, 입경·형상이 가지런한 입자가 생성되기 쉽다. 예를 들어, 착화 반응액을 얻는 공정에서 가열 온도가 지나치게 높으면 니켈 착물의 생성과 Ni (0 가) 로의 환원 반응이 동시에 진행되어 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에서 입자 형상이 가지런한 입자의 생성이 곤란해질 우려가 있다. 또한, 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정의 가열 온도가 지나치게 낮으면 Ni (0 가) 로의 환원 반응 속도가 느려져 핵의 발생이 적어지기 때문에 입자가 커질 뿐만 아니라, 나노 입자의 수율 면에서도 바람직하지는 않다.By heating the complex reaction solution, the complex reaction solution is reduced and the complex is pyrolyzed. The heating temperature is preferably 200 占 폚 or higher, more preferably 220 占 폚 or higher, from the viewpoint of efficiently carrying out the reduction reaction. It is preferably 270 DEG C or lower, more preferably 250 DEG C or lower from the viewpoint of efficiently carrying out the treatment. For example, in the case of using nickel as an example, in order to produce nanoparticles having a uniform particle size, it is necessary to uniformly and sufficiently produce a nickel complex in the step of obtaining an complex reaction solution, and to heat the complex reaction solution to nickel- It is necessary to co-generate and grow nuclei of Ni (0 a) produced by the reduction of nickel ions in the step of obtaining the nanoparticle slurry. That is, by adjusting the heating temperature in the step of obtaining the complex reaction solution within the above-mentioned specific range to be certainly lower than the heating temperature in the step of obtaining the nickel-cobalt nano-particle slurry, particles with uniform particle size and shape are produced easy. For example, if the heating temperature is excessively high in the step of obtaining the complex reaction solution, formation of a nickel complex and a reduction reaction to Ni (O) are simultaneously progressed to produce particles having a uniform particle shape in the step of obtaining a nickel- This may cause difficulties. If the heating temperature in the step of obtaining the nickel-cobalt nanoparticle slurry is too low, the rate of reduction reaction to Ni (O) is slowed and the generation of nuclei is reduced, so that not only is the particle size increased but also in terms of the yield of nanoparticles not.
본 공정에서는, 가열원은 오일 배스 그 밖의 것이어도 되지만, 마이크로파인 것이 바람직하다. 착화 반응액에 마이크로파를 조사하면, 마이크로파가 착화 반응액 내에 침투하여, 내부 가열에 의해 급속한 승온과 균일 가열이 이루어진다. 이로써, 착화 반응액 전체를 원하는 온도로 균일하게 할 수 있어, 니켈이나 코발트 입자의 환원, 핵 생성, 핵 성장 각각의 과정을 용액 전체에 있어서 동시에 발생시키고, 결과적으로 입경 분포가 좁은 단분산인 입자를 단시간에 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 마이크로파의 사용 파장은, 특별히 한정하는 것은 아니고, 예를 들어 2.45 ㎓ 이다.In this step, the heating source may be an oil bath or the like, but it is preferably a microwave. When the microwave is irradiated to the complex reaction solution, the microwave penetrates into the complex reaction solution, and rapid heating and uniform heating are performed by internal heating. As a result, the entire complex reaction solution can be made uniform at a desired temperature, and the reduction, nucleation, and nucleation of the nickel or cobalt particles can be simultaneously generated in the entire solution. As a result, Can be easily produced in a short time. The wavelength of use of the microwave is not particularly limited and is, for example, 2.45 GHz.
착화 반응액을 가열하여 얻어지는 나노 입자 슬러리는, 예를 들어, 정치(靜置) 분리하여, 상청액을 제거한 후, 적당한 용매를 사용하여 세정하고, 건조시킴으로써, 나노 입자가 얻어진다.The nanoparticle slurry obtained by heating the complex reaction solution is removed by, for example, standing still, removing the supernatant, washing with an appropriate solvent, and drying the nanoparticle slurry to obtain nanoparticles.
니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에 있어서는, 필요에 따라, 착화 반응액에 전술한 유기 용매를 첨가해도 된다. 또한, 상기한 바와 같이, 착 형성 반응에 사용하는 1 급 아민을 유기 용매로서 그대로 사용하는 것은, 본 발명의 바람직한 실시형태이다. 착화 반응액을 가열하는 공정에서 필요에 따라 첨가하는 용매는, 특별히 한정하는 것은 아니고, 예를 들어 옥탄올 (옥틸알코올) 등의 알코올이나 비극성 용매 등을 사용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 1 급 아민으로서 올레일아민을 사용하는 경우, 용매는 생략할 수 있다.In the step of obtaining the nickel-cobalt nano-particle slurry, the above-mentioned organic solvent may be added to the complexing reaction liquid, if necessary. As described above, it is a preferred embodiment of the present invention that the primary amine used in the polymerization reaction is used as an organic solvent. The solvent to be added in the step of heating the complex reaction solution is not particularly limited, and for example, alcohol such as octanol (octyl alcohol), a nonpolar solvent and the like can be used. As described above, when oleylamine is used as the primary amine, the solvent may be omitted.
본 실시형태의 나노 입자의 제조 방법은, 상기 공정 이외에 임의의 공정을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어 후술하는 바와 같이 표면 수식제의 첨가 등의 임의의 처리를 실시할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 나노 입자의 제조 방법은, 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에 있어서 마이크로파 등을 이용한 가열에 의한 환원 방법을 채용하기 때문에, 강력한 환원제의 사용은 필요하지 않다. 단, 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 착 형성 반응액 중에 환원 작용을 갖는 물질이 존재해도 무방한 것이다.The nanoparticle production method of the present embodiment may include an optional step in addition to the above-described steps. In addition, any treatment such as addition of a surface modifier as described later can be performed, for example. In addition, the method of producing nanoparticles of the present embodiment does not require the use of a strong reducing agent because it employs a reducing method by heating with microwave or the like in the step of obtaining the nickel-cobalt nanoparticle slurry. However, a substance having a reducing action may be present in the complexing reaction liquid within the range not hindering the effect of the invention.
(표면 수식제의 첨가) (Addition of surface modifier)
본 실시형태에 관련된 나노 입자의 제조 방법에 있어서, 나노 입자의 입경을 제어하기 위한 표면 수식제로서, 예를 들어 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 폴리에틸렌이민, 폴리아크릴아미드 등의 고분자 수지, 미리스트산, 올레산 등의 장사슬 카르복실산 또는 카르복실산염 등을 첨가할 수 있다. 단, 얻어지는 나노 입자의 표면 수식량이 많으면, 용도에 따라서는 불순물로서 악영향을 미칠 우려가 있기 때문에, 얻어지는 나노 입자를 세정한 후의 표면 수식량은 가능한 한 적은 편이 바람직하다. 예를 들어 니켈 전극용의 도전성 페이스트에 사용하는 경우, 니켈 입자를 페이스트하여 고온에서 소성하면 충전 밀도의 감소를 초래하여, 층간 박리나 크랙을 일으킬 가능성이 있다. 따라서, 표면 수식제의 첨가량은, 니켈 원소의 합계량 100 질량부에 대하여 0.1 이상 100 질량부 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 표면 수식제는, 착화 반응액 형성 공정에 있어서의 카르복실산니켈 및 1 급 아민의 혼합물의 단계에서 첨가해도 되고, 착화 반응액 형성 공정에서 얻어지는 착화 반응액에 첨가해도 되지만, 바람직하게는 첨가 타이밍은 착화 반응 후이거나, 니켈 나노 입자의 생성 후가 좋다.In the method for producing nanoparticles according to the present embodiment, as the surface modifier for controlling the particle diameter of the nanoparticles, for example, a polymer resin such as polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethyleneimine, polyacrylamide, And long-chain carboxylic acids or carboxylates such as lauric acid and oleic acid. However, if the amount of the surface water of the obtained nanoparticles is large, there is a fear that adverse effects may be given as impurities depending on the application. Therefore, the amount of surface water after cleaning the obtained nanoparticles is preferably as small as possible. For example, in the case of use in a conductive paste for a nickel electrode, if the nickel particles are pasted and fired at a high temperature, the filling density is decreased, and there is a possibility of delamination and cracking. Therefore, the addition amount of the surface modifier is preferably in the range of 0.1 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the nickel elements. The surface modifier may be added at the stage of the mixture of nickel carboxylate and primary amine in the complexation reaction liquid forming step or may be added to the complexing reaction solution obtained in the complexation reaction liquid forming step, May be after the complexing reaction or after the formation of the nickel nanoparticles.
이상 설명한 본 실시형태에 관련된 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법에 의해, 평균 입경이 10 ∼ 200 ㎚ 이고, Cv 값 [변동 계수 ; 평균 입경 (d) 과 표준 편차 (σ) 의 비율 σ/d] 이 0.01 ≤ σ/d ≤ 0.5 라는 좁은 입경 분포를 갖는, 니켈의 코어와 코발트의 셸로 구성되는 니켈-코발트 나노 입자를 얻을 수 있다.According to the method for producing nickel-cobalt nanoparticles according to the embodiment described above, the average particle diameter is 10 to 200 nm and the Cv value (coefficient of variation; It is possible to obtain nickel-cobalt nanoparticles composed of a core of nickel and a shell of cobalt having a narrow particle size distribution such that a ratio σ / d of an average particle diameter (d) and a standard deviation (σ) is 0.01 ≦ σ / d ≦ 0.5 .
실시예Example
실시예 및 비교예를 들어, 본 발명을 더욱 설명하지만, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.EXAMPLES The present invention will be further described by way of examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the examples described below.
나노 입자의 입경은, 투과형 전자 현미경 (TEM) 에 의해 나노 입자 분말의 사진을 촬영하고, 그 중에서 무작위로 200 개를 추출하여, 그 평균 입경과 표준 편차를 구하였다. 또한, 이 결과로부터 Cv 값 (= σ/d) 을 얻었다. 또한, 에너지 분산형 X 선 분석 장치를 구비한 주사형 투과 전자 현미경 (STEM-EDS) 에 의해, 얻어진 입자의 니켈, 코발트의 존재 또는 각각의 농도를 면 분석, 선 분석에 의해 확인하였다. 코발트 셸층의 두께는, 도 4 에 기재된 바와 같이, 1 입자를 횡단하는 선 상의 니켈, 코발트 원자 농도를 STEM-EDS 에 의해 산출하였다. 이 선 분석 수법에서는, 생성된 구상 입자의 코어부만의 원자 농도를 산출할 수는 없다. 즉, 입자 표면 부근의 분석에서는 단순한 입자 표면의 농도를 나타내지만, 입자 중앙 부근의 분석 결과는 입자 표면과 내부 (코어) 의 금속 원소의 농도가 서로 더해 합쳐진다. 따라서, 본 분석 결과에 있어서, 니켈보다 코발트의 강도가 높아지는 층의 두께의 평균치를 코발트 셸층의 두께로 하였다. 얻어진 입자의 조성에 관해서는, 유도 결합 플라스마 발광 분광법 (ICP-AES : Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry) 에 의해 분석을 실시하였다.The particle size of the nanoparticles was determined by taking a photograph of the nanoparticle powder by a transmission electron microscope (TEM), randomly extracting 200 pieces of the nanoparticle powder, and calculating the average particle size and standard deviation thereof. From this result, a Cv value (= sigma / d) was obtained. Also, presence or individual concentrations of nickel and cobalt in the obtained particles were confirmed by surface analysis and line analysis by a scanning transmission electron microscope (STEM-EDS) equipped with an energy dispersive X-ray analyzer. The thickness of the cobalt shell layer was calculated by STEM-EDS for nickel and cobalt atom concentrations on the line traversing one particle, as shown in Fig. In this line analysis method, the atomic concentration of only the core portion of the generated spherical particles can not be calculated. That is, in the analysis near the particle surface, the concentration of the surface of the particle is simply shown, but the result of the analysis near the center of the particle is that the concentration of the metal element in the particle surface and the inner (core) are added together. Therefore, in the result of this analysis, the average value of the thickness of the layer in which the strength of cobalt is higher than that of nickel is defined as the thickness of the cobalt shell layer. The composition of the obtained particles was analyzed by ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry).
(실시예 1) (Example 1)
포름산코발트 2 수화물 12.5 mmol 과 아세트산니켈 4 수화물 12.5 mmol 에 올레일아민 275 mmol 을 첨가하고, 질소 플로우하, 120 ℃ 에서 20 분 가열함으로써 착화 반응액을 얻었다. 이어서, 그 착화 반응액을, 마이크로파를 사용하여 225 ℃ 까지 가열하고, 그 온도를 30 분 유지함으로써 나노 입자 슬러리를 얻었다. 나노 입자 슬러리를 정치 분리하여, 상청액을 제거한 후, 헥산을 사용하여 3 회 세정하였다. 그 후, 60 ℃ 로 유지되는 진공 건조기에서 6 시간 건조시켜 나노 입자를 얻었다.12.5 mmol of cobalt formate dihydrate and 12.5 mmol of nickel acetate tetrahydrate were added 275 mmol of oleylamine and heated at 120 캜 for 20 minutes under a nitrogen flow to obtain a complex reaction solution. Subsequently, the complex reaction solution was heated to 225 DEG C using microwave, and the temperature was maintained for 30 minutes to obtain a nanoparticle slurry. The nanoparticle slurry was separated by cessation, and the supernatant was removed, followed by washing three times with hexane. Thereafter, it was dried in a vacuum dryer maintained at 60 캜 for 6 hours to obtain nanoparticles.
얻어진 나노 입자의 TEM (Transmission Electron Microscope, 투과형 전자 현미경) 사진을 도 2A 에, ED (전자 회절 : Electron diffraction) 패턴을 도 2B 에 나타냈다. 평균 입경 82 ㎚ 인 구형의 균일한 입자가 형성되었다. 또한, ED 패턴으로부터 나노 입자가 산화물을 함유하지 않는 fcc 구조의 금속인 것을 알 수 있다. 또한, ICP-AES 에 의해 얻어진 입자의 금속 조성을 확인한 결과, Ni, Co 각각 47.6 질량%, 47.3 질량% 인 것으로부터, ㏖ 비는 Ni/Co = 1.0 이고, 원료 비율 (Ni 염과 Co 염의 주입비 (㏖%)) 과 상당히 잘 일치하였다. STEM-EDS 매핑 이미지의 사진을 마찬가지로 도 3 에 나타냈다. 니켈의 분포가 나노 입자의 중앙에, 코발트가 나노 입자의 표면에 많이 분포되어 있는 것으로부터 Ni (코어)-Co (셸) 구조를 가진 나노 입자인 것을 알 수 있다.A TEM (transmission electron microscope) photograph of the obtained nanoparticles is shown in Fig. 2A, and an ED (electron diffraction) pattern is shown in Fig. 2B. Spherical uniform particles having an average particle size of 82 nm were formed. It can also be seen from the ED pattern that the nanoparticles are metals of the fcc structure which do not contain oxides. The metal composition of the particles obtained by ICP-AES was 47.6% by mass and 47.3% by mass, respectively. As a result, the molar ratio was Ni / Co = 1.0 and the ratio of raw materials (Mol%)). A photograph of the STEM-EDS mapping image is also shown in Fig. It can be seen that the distribution of nickel is a nanoparticle having a Ni (core) -Co (shell) structure at the center of the nanoparticles and a large distribution of cobalt on the surface of the nanoparticles.
또한, 도 4 에 나타낸 입자의 선 분석 결과로부터, 코발트 셸층 (셸) 의 두께는 대략 13 ㎚ 인 것을 알 수 있다. 또한, SQUID 자화율 측정에 의해 얻어진 포화 자화 (단위 : emu/g) 의 결과를 도 5 에 나타냈다. 시판되는 코발트 나노 입자 (입경 50 ㎚ 이하, 알드리치 제조) 에 비해 포화 자화는 낮기는 하지만, 후술하는 비교예 8 의 나노 입자와 비교하여 포화 자화가 대폭 증가되어 있는 것을 알 수 있다.From the line analysis results of the particles shown in Fig. 4, it can be seen that the thickness of the cobalt shell layer (shell) is approximately 13 nm. The results of saturation magnetization (unit: emu / g) obtained by SQUID susceptibility measurement are shown in Fig. Compared with the commercially available cobalt nanoparticles (
(실시예 2 ∼ 7, 비교예 1 ∼ 8) (Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 8)
실시예 2 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 8 에서는, 니켈염 및 코발트염의 종류 그리고 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에 있어서의 가열원의 종류와 반응 온도 (가열 온도) 를 바꾼 것 이외에는, 실시예 1 에 준하여 나노 입자를 조제하였다. 그 결과를, 실시예 1 과 함께 표 1 에 나타냈다. 또한, 각 실시예 및 각 비교예에 있어서, 올레일아민/(Ni 염 + Co 염) 의 ㏖ 비는, 모두 10 이다. 또한, 착화 반응액의 가열 방법은, 오일 배스를 사용한 실시예 3 을 제외하고, 모두 마이크로파 가열로 실시하였다.Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 8 were prepared in the same manner as in Example 1 except that the kind of the nickel salt and the cobalt salt and the type of the heating source in the step of obtaining the nanoparticle slurry and the reaction temperature Nanoparticles were prepared. The results are shown in Table 1 together with Example 1. In each of Examples and Comparative Examples, molar ratios of oleylamine / (Ni salt + Co salt) were all 10. The heating method of the complex reaction solution was all microwave heating except for Example 3 using an oil bath.
또한, 실시예 1, 2 의 니켈-코발트 나노 입자, 비교예 8 의 니켈 입자 및 시판되는 코발트 입자의 SQUID 자화율 측정 결과를 도 5 에, 실시예 2 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 TEM 사진을 도 6 에, 실시예 4 에서 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 TEM 사진을 도 7 에 각각 나타냈다.The SQUID susceptibility measurement results of the nickel-cobalt nanoparticles of Examples 1 and 2, the nickel particles of Comparative Example 8, and the commercially available cobalt particles are shown in FIG. 5, and the TEM pictures of the nickel-cobalt nano particles obtained in Example 2 6, TEM photographs of the nickel-cobalt nanoparticles obtained in Example 4 are shown in Fig. 7, respectively.
표 1 로부터, 니켈염 및 코발트염으로서, 포름산, 아세트산염 또는 아세틸아세톤염을 사용함으로써, 평균 입경이 10 ∼ 200 ㎚ 이고 코발트 셸층이 1 ∼ 50 ㎚ 인 니켈-코발트 나노 입자가 얻어지는 것이 확인되었다. 또한, 도 5 로부터, 실시예 1 및 2 의 니켈-코발트 나노 입자는, 코발트의 포화 자화와 비슷해져 있는 것이 확인되었다.From Table 1, it was confirmed that nickel-cobalt nanoparticles having an average particle diameter of 10 to 200 nm and a cobalt shell layer of 1 to 50 nm were obtained by using formic acid, acetic acid salt or acetylacetone salt as the nickel salt and the cobalt salt. It is also confirmed from Fig. 5 that the nickel-cobalt nanoparticles of Examples 1 and 2 are similar to the saturation magnetization of cobalt.
(실시예 8) (Example 8)
포름산코발트 2 수화물 12.5 mmol 과 평균 입경이 100 ㎚ 이며 Cv 값이 0.14인 니켈 입자 25 mmol (코발트염을 사용하지 않고, 아세트산니켈 4 수화물로부터 상기 제 1 예에 준하여 착화 반응을 얻고, 그것을 가열하여 제작한 입자 ; 비교예 8) 에 올레일아민 125 mmol 을 첨가하고, 질소 플로우하, 120 ℃ 에서 20 분 가열함으로써 착화 반응액을 얻었다. 이어서, 그 착화 반응액을, 마이크로파를 사용하여 225 ℃ 까지 가열하고, 그 온도를 30 분 유지함으로써 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻었다.12.5 mmol of cobalt formate dihydrate and 25 mmol of nickel particles having an average particle size of 100 nm and a Cv value of 0.14 (a complex reaction was obtained from nickel acetate tetrahydrate in the same manner as in Example 1, without using a cobalt salt, One particle: Comparative Example 8), 125 mmol of oleylamine was added, and the mixture was heated under a nitrogen flow at 120 占 폚 for 20 minutes to obtain a complex reaction solution. Then, the complex reaction solution was heated to 225 DEG C using microwave, and the temperature was maintained for 30 minutes to obtain a nickel-cobalt nanoparticle slurry.
상기 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 정치 분리하여, 상청액을 제거한 후, 헥산을 사용하여 3 회 세정하였다. 그 후, 60 ℃ 로 유지되는 진공 건조기에서 6 시간 건조시켜 니켈-코발트 나노 입자를 얻었다. 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 평균 입경은 120 ㎚ 이고, 입도 분포의 Cv 값은 0.15 이며, 코발트 셸층의 두께는 17 ㎚ 였다.The nickel-cobalt nanoparticle slurry was allowed to stand, the supernatant was removed, and the mixture was washed three times with hexane. Thereafter, it was dried in a vacuum dryer maintained at 60 캜 for 6 hours to obtain nickel-cobalt nanoparticles. The average particle diameter of the obtained nickel-cobalt nanoparticles was 120 nm, the Cv value of the particle size distribution was 0.15, and the thickness of the cobalt shell layer was 17 nm.
(실시예 9) (Example 9)
포름산코발트 2 수화물 12.5 mmol 에 올레일아민 125 mmol 을 첨가하고, 질소 플로우하, 120 ℃ 에서 20 분 가열함으로써 착화 반응액을 얻었다. 이어서, 그 착화 반응액에 평균 입경이 100 ㎚ 이며 Cv 값이 0.14 인 니켈 입자 25 mmol (코발트염을 사용하지 않고, 아세트산니켈 4 수화물로부터 착화 반응을 얻고, 그것을 가열하여 제작한 입자 ; 비교예 8) 을 첨가하고 잘 교반한 후에, 마이크로파를 사용하여 225 ℃ 까지 가열하고, 그 온도를 30 분 유지함으로써 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻었다.125 mmol of oleylamine was added to 12.5 mmol of cobalt formate dihydrate and heated at 120 캜 for 20 minutes under a nitrogen flow to obtain a complex reaction solution. Subsequently, 25 mmol of nickel particles having an average particle size of 100 nm and a Cv value of 0.14 (particles obtained by heating the mixture to an ignition reaction from nickel acetate tetrahydrate without using a cobalt salt, Comparative Example 8 ) Was added and stirred well. The mixture was heated to 225 ° C using microwave, and the temperature was maintained for 30 minutes to obtain a nickel-cobalt nanoparticle slurry.
상기 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 정치 분리하여, 상청액을 제거한 후, 헥산을 사용하여 3 회 세정하였다. 그 후, 60 ℃ 로 유지되는 진공 건조기에서 6 시간 건조시켜 니켈-코발트 나노 입자를 얻었다. 얻어진 니켈-코발트 나노 입자의 평균 입경은 117 ㎚ 이고, 입도 분포의 Cv 값은 0.15 이며, 코발트 셸층의 두께는 15 ㎚ 였다.The nickel-cobalt nanoparticle slurry was allowed to stand, the supernatant was removed, and the mixture was washed three times with hexane. Thereafter, it was dried in a vacuum dryer maintained at 60 캜 for 6 hours to obtain nickel-cobalt nanoparticles. The average particle diameter of the obtained nickel-cobalt nanoparticles was 117 nm, the Cv value of the particle size distribution was 0.15, and the thickness of the cobalt shell layer was 15 nm.
이상, 본 발명의 실시형태를 예시의 목적으로 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 제약되는 경우는 없다. 본 국제출원은, 2010년 3월 17일에 출원된 일본 특허출원 2010-60773호에 기초하는 우선권을 주장하는 것으로, 그 전체 내용을 여기에 원용한다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail for the purpose of illustration, the present invention is not limited to the above embodiments. This international application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2010-60773 filed on March 17, 2010, the entire contents of which are incorporated herein by reference.
Claims (9)
상기 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 구비한 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법으로서,
상기 니켈-코발트 나노 입자의 평균 입경은 10 ㎚ 초과 200 ㎚ 이하이고, 상기 니켈-코발트 나노 입자에서 니켈이 코어를 이루고 코발트가 셸을 이루며, 상기 셸의 두께는 1 ㎚ 이상 ~ 50 ㎚ 이하인, 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.A step of heating a mixture containing a nickel salt, a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution,
And a step of heating the complex reaction solution to obtain a slurry of nickel-cobalt nanoparticles,
Wherein the average particle diameter of the nickel-cobalt nanoparticles is 10 nm or more and 200 nm or less, nickel in the nickel-cobalt nanoparticles forms a core, cobalt is a shell, and the thickness of the shell is 1 nm or more and 50 nm or less. Method for preparing cobalt nanoparticles.
상기 착화 반응액을 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 구비한 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법으로서,
상기 니켈-코발트 나노 입자의 평균 입경은 10 ㎚ 초과 200 ㎚ 이하이고, 상기 니켈-코발트 나노 입자에서 니켈이 코어를 이루고 코발트가 셸을 이루며, 상기 셸의 두께는 1 ㎚ 이상 ~ 50 ㎚ 이하인, 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.A step of heating a mixture containing nickel fine particles, cobalt salt and primary amine to obtain an complex reaction solution;
And a step of heating the complex reaction solution to obtain a slurry of nickel-cobalt nanoparticles,
Wherein the average particle diameter of the nickel-cobalt nanoparticles is 10 nm or more and 200 nm or less, nickel in the nickel-cobalt nanoparticles forms a core, cobalt is a shell, and the thickness of the shell is 1 nm or more and 50 nm or less. Method for preparing cobalt nanoparticles.
상기 착화 반응액에 니켈 미립자를 첨가한 후, 가열하여 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정을 구비한 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법으로서,
상기 니켈-코발트 나노 입자의 평균 입경은 10 ㎚ 초과 200 ㎚ 이하이고, 상기 니켈-코발트 나노 입자에서 니켈이 코어를 이루고 코발트가 셸을 이루며, 상기 셸의 두께는 1 ㎚ 이상 ~ 50 ㎚ 이하인, 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.A step of heating a mixture containing a cobalt salt and a primary amine to obtain an complex reaction solution;
And a step of adding nickel fine particles to the complexing reaction solution and then heating to obtain a nickel-cobalt nano-particle slurry,
Wherein the average particle diameter of the nickel-cobalt nanoparticles is 10 nm or more and 200 nm or less, nickel in the nickel-cobalt nanoparticles forms a core, cobalt is a shell, and the thickness of the shell is 1 nm or more and 50 nm or less. Method for preparing cobalt nanoparticles.
상기 니켈염이, 탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기 및 하기 구조식 (1) 로 나타내는 기 중 어느 일방을 갖는 것인 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.
[화학식 1]
(여기서, 치환기 Ra ∼ Rc 는 메틸, 에틸, 페닐 및 할로겐으로 이루어지는 군에서 선택되는 기이다. 치환기 Ra ∼ Rc 는 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다)The method of claim 3,
Wherein the nickel salt has either one of a straight chain carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms and a group represented by the following structural formula (1).
[Chemical Formula 1]
(Wherein the substituents Ra to Rc are groups selected from the group consisting of methyl, ethyl, phenyl and halogen), the substituents Ra to Rc may be the same or may be different from each other)
상기 코발트염이, 탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기 및 하기 구조식 (1) 로 나타내는 기 중 어느 일방을 갖는 것인 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.
[화학식 2]
(여기서, 치환기 Ra ∼ Rc 는 메틸, 에틸, 페닐 및 할로겐으로 이루어지는 군에서 선택되는 기이다. 치환기 Ra ∼ Rc 는 동일해도 되고, 서로 상이해도 된다)6. The method according to any one of claims 3 to 5,
Wherein the cobalt salt has either one of a straight chain carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms and a group represented by the following structural formula (1).
(2)
(Wherein the substituents Ra to Rc are groups selected from the group consisting of methyl, ethyl, phenyl and halogen), the substituents Ra to Rc may be the same or may be different from each other)
상기 탄소수가 1 ∼ 3 인 직사슬 카르복실산기가, 포름산기 또는 아세트산기이고, 상기 구조식 (1) 로 나타내는 기가 아세틸아세토나토인 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.The method according to claim 6,
Wherein the linear carboxylic acid group having 1 to 3 carbon atoms is a formic acid group or an acetic acid group and the group represented by the structural formula (1) is acetylacetonato.
상기 니켈-코발트 나노 입자 슬러리를 얻는 공정에서, 가열 수단으로서 마이크로파를 사용하는 니켈-코발트 나노 입자의 제조 방법.6. The method according to any one of claims 3 to 5,
Wherein the nickel-cobalt nanoparticle slurry is obtained by using a microwave as a heating means.
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