KR101979288B1

KR101979288B1 - 전기화학적 방법을 이용한 탄소 양자점 제조방법 및 이를 이용하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법

Info

Publication number: KR101979288B1
Application number: KR1020170100481A
Authority: KR
Inventors: 심준호; 임호섭
Original assignee: 대구대학교 산학협력단
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-05-16
Also published as: KR20190016354A

Abstract

본 발명은 탄소 양자점 제조방법 및 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기화학적 방법을 이용하여 탄소 양자점을 합성하고, 이를 이용하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성하는 방법에 관한 것이다. 이를 위해 탄소 양자점 제조방법은 에탄올과 염기성 용액을 혼합하고 교반하는 제1단계; 에탄올과 염기성 용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계; 탄소 양자점이 합성된 용액을 원심분리하는 제3단계; 및 원심분리된 상층액을 제거한 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기화학적 방법을 이용한 탄소 양자점 제조방법 및 이를 이용하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CARBON QUANTUM DOTS BY ELECTROCHEMICAL METHOD AND MANUFACTURING METHOD OF CARBON QUANTUM DOTS-SILVER NANO PARTICLE USING THE SAME}

본 발명은 탄소 양자점 제조방법 및 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기화학적 방법을 이용하여 탄소 양자점을 합성하고, 이를 이용하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성하는 방법에 관한 것이다.

양자점은 10㎚ 내외의 금속 또는 반도체 결정을 일컫는 말로 보통 수백에서 수천 개 가량의 원자로 구성되어 있다. 일반적으로 양자점은 단일 원자와 벌크 재료 사이의 중간적 물성을 보이며 특히 작은 공간에 구속된 전자의 양자 제한 효과(quantum confinement effect)에 의해 밴드갭(band-gap)이 크기에 반비례하는 특징을 나타낸다.

이러한 특징을 이용하면 화학적 조성의 변화 없이 에너지 구조를 조절할 수 있기 때문에 태양전지, 발광소자, 광촉매, 트랜지스터, 센서, 바이오이미징 등 다양한 분야에 응용 가능하다. 양자점은 스스로 빛을 내는 몇 나노미터(㎚) 크기의 반도체 결정체로, 색 재현성이 유기발광다이오드(OLED)보다 10% 이상 높아 광학적 특성이 우수하다. 하지만 지금까지 양자점은 주로 유해성 광물인 카드뮴계 화합물로 만들어졌다. 카드뮴 사용이 엄격이 제한되고 있는데다 제조 공정도 까다로워 새로운 대체 소재의 필요성이 계속 제기돼 왔다. 인화인듐(InP)이 대안으로 관심 받고 있지만 인듐 역시 희소 물질인데다 효율성 또한 낮다.

1980년대 초 컬럼비아대 루이스 브루스(Louis Brus) 교수팀이 콜로이드 상태의 양자점을 발견하였고, 1993년 MIT 모운지 바웬디(Moungi Bawendi) 교수팀이 효율적인 습식 합성법을 개발하면서 카드뮴(Cd), 인듐(In), 납(Pb) 등 다양한 재료를 이용한 양자점에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재까지 반도체 양자점에 대한 연구는 Ⅱ-Ⅵ족(CdSe, CdS, CdTe, ZnSe 등) 및 Ⅲ -Ⅴ족(InP, GaAs, Gap, GaN 등) 단일 물질 또는 코어/쉘(core/shell)과 같이 구조를 변경하여 광전, 바이오, 에너지 소자 등에 응용한 것이 주를 이루었다.

그러나 대부분의 양자점이 유독한 중금속 재료를 이용할 뿐만 아니라 공기 중의 산소와 수분에 취약하여 이용에 많은 제약이 따른다. 따라서 안전하고 안정한 탄소 양자점에 대한 관심이 최근 급증하고 있다.

탄소 양자점은 수 nm 크기의 탄소 입자로 2004년 사우스캐롤라이나대 월터 스크리벤스(Walter scrivens)교수팀이 검댕을 정제하는 과정에서 우연히 발견하였으며 최근 효율적인 합성법 개발을 목표로 많은 연구가 진행되고 있다. 탄소 양자점은 비정질(amorphous) 탄소형 나노구조로, 다이아몬드형 나노구조인 나노 다이아몬드와 흑연(Graphite)형 나노구조인 그래핀, 나노튜브, 풀러렌과 구별되는 완전히 새로운 종류의 물질이다. 21세기 들어 다양한 탄소 나노구조들, 특히 그래핀, 나노튜브, 풀러렌의 형태와 물성에 대한 규명이 상당 부분 이루어진 반면 탄소 양자점이 나타내는 다양한 물성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 탄소 양자점은 값싸고 안전한 재료를 이용할 뿐만 아니라 생체적합성과 안정성을 두루 갖추고 있어 기존 양자점의 단점을 보완할 수 있는 후보로 각광받고 있다.

탄소 양자점 합성법으로 다양한 방법이 개발 중에 있고, 최근에는 마이크로웨이브법과 열수법 관련 연구가 많은 관심을 받고 있다. 그러나 아직까지 대부분의 합성법에서 탄소 양자점의 크기 조절이 불가능하고 별도의 크기 분류과정을 필요로 하며 사용할 수 있는 용매가 제한적이라는 단점 등이 발생하였다. 이에 탄소 양자점을 효과적으로 합성할 수 있는 방법 및 이를 활용할 수 있는 방안에 대한 개발이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1486507호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 화학적인 방법으로 탄소 양자점을 합성하고, 이를 환원제로 이용하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.

상기 목적은, 에탄올과 염기성 용액을 혼합하고 교반하는 제1단계; 에탄올과 염기성 용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계; 탄소 양자점이 합성된 용액을 원심분리하는 제3단계; 및 원심분리된 상층액을 제거한 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계;를 포함하는 탄소 양자점 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

이때, 제1단계의 염기성 용액은 수산화나트륨 수용액일 수 있고, 제2단계는 15~20V의 전압을 인가한 후, 30~50분간 반응을 진행하여 탄소 양자점을 합성할 수 있으며, 제3단계는 10000~15000rpm의 속도로 원심분리하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적은, 에탄올과 염기성 용액을 혼합하고 교반하는 제1단계; 에탄올과 염기성 용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계; 탄소 양자점이 합성된 용액을 원심분리하는 제3단계; 원심분리된 상층액을 제거한 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계; 및 정제된 탄소 양자점이 합성된 용액과 은 전구체를 혼합하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성하는 제5단계;를 포함하는 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전기 화학적인 방법을 이용하여 탄소 양자점을 합성할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 전기 화학적인 방법에 의해 제조된 탄소 양자점을 환원제로 활용하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합제를 합성할 수 있는 효과도 가진다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점 제조방법을 수행하기 위한 장치도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 반응 시간에 따른 탄소 양자점-은 나노입자 복합체의 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점 제조방법에 의해 제조된 탄소 양자점(좌)과 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법에 의해 제조된 탄소 양자점-은 나노입자 복합체(우)의 HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy) 사진이다.
도 6은 Uv-vis을 이용하여 실시예(B) 및 비교예(A)에 의해 합성된 입자의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 순환전압전류법(CVs)를 이용하여 실시예(B) 및 비교예(A)에 의해 합성된 입자를 분석한 그래프이다.
도 8은 실시예(C) 및 비교예(B)에 의해 합성된 입자의 산소환원반응에 대한 실험결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점 제조방법을 수행하기 위한 장치도를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점(Carbon Quantum Dots 또는 Carbon Dots, CDs) 제조방법은 에탄올과 염기성 용액을 혼합하고 교반하는 제1단계; 에탄올과 염기성 용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계; 탄소 양자점이 합성된 용액을 원심분리하는 제3단계; 및 원심분리된 상층액을 제거하고 남은 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계;를 포함한다. 본 발명은 종래와 달리 전기화학적인 방법을 이용하고 에탄올을 탄소 공급원으로 하여 탄소 양자점을 효과적으로 합성할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

제1단계는 에탄올과 염기성 용액을 혼합하고 교반하는 단계로, 에탄올은 탄소 양자점의 공급원으로 기능한다. 탄소 공급원으로 유기화합물인 에탄올 용액을 사용하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 메탄올, 이소프로필알콜 등을 사용할 수 있다. 염기성 용액은 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 에탄올과 염기성 용액이 충분히 섞일 수 있도록 약 15분 정도 교반하는 것이 바람직하다.

제2단계는 에탄올과 염기성 용액이 혼합된 혼합 용액에 양극과 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 단계로, 양극 및 음극은 백금 전극을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 탄소 양자점의 수득율을 향상시키고, 적합한 합성 환경을 위하여 15~20V의 전압을 인가하고, 30~50분간 반응을 진행하는 것이 바람직하다.

제3단계는 탄소 양자점이 합성된 용액을 원심분리하는 단계이다. 합성된 탄소 양자점은 10nm 이하의 평균 직경을 가지고 있어 낮은 속도의 원심분리를 할 경우, 탄소 양자점을 분리하기 제한될 수 있으므로, 10000~15000rpm의 속도로 원심분리하는 것이 바람직하다.

제4단계는 원심분리된 상층액을 제거한 후에 남은 하층액 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 단계이다. 고속 원심분리에 의해 탄소 양자점이 합성(포함)된 용액은 하층에 위치하게 되는데, 상층부의 용액을 제거한 후 투과막을 이용하여 투석(MWCO 5,000~100,000)함으로써 불필요한 불순물 등을 제거하고, 정제된 탄소 양자점을 수득할 수 있다.

다음으로, 탄소 양자점-은 나노입자 복합체(Carbon Quantum Dots-silver nano particle hybrid complex, CDs-Ag) 제조방법에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법은 에탄올과 염기성 용액을 혼합하고 교반하는 제1단계; 에탄올과 염기성 용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계; 탄소 양자점이 합성된 용액을 원심분리하는 제3단계; 원심분리된 상층액을 제거하고, 남은 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계; 및 정제된 탄소 양자점이 합성된 용액과 은 전구체를 혼합하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성하는 제5단계;를 포함한다. 본 발명은 종래와 달리 전기화학적인 방법을 이용하고 에탄올을 탄소 공급원으로 하여 탄소 양자점을 효과적으로 합성한 후, 은 전구체와 혼합하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

제1단계 내지 제4단계는 상술한 제1단계 내지 제4단계와 동일하므로, 제5단계에 대해서만 설명한다.

제5단계는 정제된 탄소 양자점이 합성된 용액과 은 전구체를 혼합하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성하는 단계로, 은 전구체는 질산은(AgNO₃)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 은 전구체는 표준용액을 제조한 후, 사용하는데, 은 전구체와 탄소 양자점이 합성된 용액을 혼합할 때, 1~10mM의 농도로 혼합하는 것이 바람직하다. 탄소 양자점이 합성된 용액과 은 전구체(예를 들어, 질산은 표준용액)을 혼합하여 상온에서 반응시키면 탄소 양자점이 화원제로 역할하여 탄소 양자점에 의해 은이온이 서서히 환원되어 CDs-Ag를 합성할 수 있다. CDs-Ag를 합성한 후에는 제3단계 및 제4단계와 동일한 과정을 거칠 수 있다. 즉, 고속 원심분리 후 투과막을 이용하여 투석함으로써 CDs-Ag를 정제할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

에탄올 50ml와 3차 증류수 2.5ml에 NaOH 2g을 혼합한 염기성 용액을 혼합하였다. NaOH가 충분히 녹을 수 있도록 15분간 교반하고, 도 1과 같이 백금 전극을 양극과 음극에 연결한 후, 40분 간 15V 전압을 인가(0.2A의 전류 유지)하여 탄소 양자점(CDs)을 합성하였다. 합성된 탄소 양자점을 포함하는 용액을 14000rpm에서 원심분리하고, 상층액은 제거한 후, 투과막으로 투석하여 정제(정제 후, CDs 수득)하였다. 정제된 용액에 AgNO₃를 첨가하여 10mM의 농도로 조절하고, 교반하였다. 충분한 시간동안 반응(50h 이상)시킨 후, 14000rpm에서 원심분리하고, 투과막으로 투석하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체(CDs-Ag)를 수득하였다.

[비교예]

NaBH₄를 환원제로 하고, citrate를 분산제로 하여 공지의 방법으로 은 나노입자를 합성하였다.

[실험예 1]

실시예에 의해 생성된 CDs-Ag의 시간에 따른 색 변화를 관찰하였다. 대조군으로 CDs가 없는 조건을 설정하여 비교하였고, 이를 도 4에 나타내었다.

도 4와 같이 시간에 따라 CDs-Ag가 생성되는 것을 관찰할 수 있었고, 반응 시간이 길어질수록 생성되는 양이 더 많아지는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 2]

실시예에 의해 생성된 CDs-Ag를 TEM 사진으로 확인하였다. 또한, AgNO₃를 혼합하기 전에 생성된 CDs도 함께 확인하였고, 이를 도 5에 나타내었다.

도 5와 같이 CDs-Ag가 결합된 복합체(도 5의 오른쪽)를 확인할 수 있었다.

[실험예 3]

실시예에 의해 합성된 CDs-Ag와 비교예에 의해 합성된 은 나노입자의 시간에 따른 UV-vis 흡광도 변화를 확인하였고, 이를 도 6에 나타내었다.

도 6을 통해 알 수 있듯이, 실시예(B)의 경우도 시간에 따라 CDs-Ag를 효과적으로 합성할 수 있음을 알 수 있었고, 이를 통해 CDs가 우수한 환원제로 사용될 수 있음을 유추할 수 있었다.

[실험예 4]

실시예에 의해 합성된 CDs-Ag와 비교예에 의해 합성된 은 나노입자를 순환전압전류법(CVs)을 이용하여 분석하였고, 이를 도 7에 나타내었다.

순환전압전류법은 지문과 같이 금속 나노물질의 고유한 특성을 확인하는데 효과적이다. 실시예에 의해 합성된 CDs-Ag(B)도 비교예에 의해 합성된 은 나노입자(A)와 비교하였을 때, 전체적으로 은 나노입자의 성질을 띠고 있음을 확인할 수 있었다.

[실험예 5]

실시예에 의해 합성된 CDs-Ag와 비교예에 의해 합성된 은 나노입자를 이용하여 산소환원반응에 대해 확인하였고, 이를 도 8에 나타내었다. 도 8의 A는 CDs, B는 비교예에 의해 합성된 은 나노입자, C는 실시예에 의해 합성된 CDs-Ag를 나타낸다.

자발적 전지인 연료전지는 현재까지 백금을 기반을 둔 전극촉매가 가장 우수한 것으로 확인되고 있다. 하지만 백금 자체의 높은 가격과 제한적인 공급이 연료전지의 상용화를 지연하는 것으로 보고되고 있다. 연료전지는 기본적으로 산화극의 수소(H₂) 산화와 환원극의 산소(O₂)환원 반응을 통해 전압을 발생하는 자발적인 전지로 보다 높은 과전위를 요구하는 환원극의 산소환원반응(oxygen reduction reaction; ORR) 제한으로 전체 반응이 느려지는 단점이 있다.

도 8에서 확인할 수 있듯이 과전위를 비교하였을 때 전류값이 가장 큰 C가 산소환원반응에 가장 우수한 촉매로 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims

에탄올과 수산화나트륨 수용액을 혼합하고 교반하는 제1단계;
에탄올과 수산화나트륨 수용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계;
탄소 양자점이 합성된 용액을 10000~15000rpm의 속도로 원심분리하는 제3단계; 및
원심분리된 상층액을 제거한 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계;를 포함하며,
상기 양극 및 음극은, 백금전극이며,
상기 제2단계는, 15~20V의 전압을 인가하고, 30~50분간 반응을 진행하는 것을 특징으로 하는, 탄소 양자점 제조방법.
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에탄올과 수산화나트륨 수용액을 혼합하고 교반하는 제1단계;
에탄올과 수산화나트륨 수용액이 혼합된 용액에 양극 및 음극을 연결하고, 전압을 인가하여 탄소 양자점을 합성하는 제2단계;
탄소 양자점이 합성된 용액을 10000~15000rpm의 속도로 원심분리하는 제3단계;
원심분리된 상층액을 제거한 용액을 투석하여 탄소 양자점이 합성된 용액을 정제하는 제4단계; 및
정제된 탄소 양자점이 합성된 용액과 은 전구체를 혼합하여 탄소 양자점-은 나노입자 복합체를 합성하는 제5단계;를 포함하며,
상기 양극 및 음극은, 백금전극이고,
상기 제2단계는, 15~20V의 전압을 인가하고, 30~50분간 반응을 진행하는 것을 특징으로 하는, 탄소 양자점-은 나노입자 복합체 제조방법.
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