KR102132471B1 - Transition metal doped ATO nanoparticles for photochemical and electrochemical oxidation of bio material - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생체 물질의 광화학적 및 전기화학적 산화를 위한 전이금속이 도핑된 ATO 나노입자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 ATO 나노입자를 전극에 적용하였을 때, 높은 전류값을 나타내므로, 생체 물질을 광화학적 및 전기화학적 방법으로 산화 반응이 가능하며, 산화 시 발생한 전자를 검출하여 시료 내 생체 물질의 양을 측정할 수 있다.
The present invention relates to ATO nanoparticles doped with transition metals for photochemical and electrochemical oxidation of biological materials.
When the ATO nanoparticles doped with a transition metal according to the present invention are applied to an electrode, it exhibits a high current value, so that it is possible to oxidize biomaterials by photochemical and electrochemical methods. I can measure the amount of my biological material.

Description

생체 물질의 광화학적 및 전기화학적 산화를 위한 전이금속이 도핑된 ATO 나노입자{Transition metal doped ATO nanoparticles for photochemical and electrochemical oxidation of bio material}Transition metal doped ATO nanoparticles for photochemical and electrochemical oxidation of bio material}

본 발명은 생체 물질의 광화학적 및 전기화학적 산화를 위한 전이금속이 도핑된 ATO 나노입자에 관한 것이다.The present invention relates to ATO nanoparticles doped with transition metals for photochemical and electrochemical oxidation of biological materials.

산화주석(SnO2)은 스마트 소재 중 하나로 잘 알려져 있으며, 태양 전지(Solar battery), 촉매 지지체(Catalyst support) 및 화학 센서(chemical sensor)와 같은 응용 분야에 사용되고 있다.Tin oxide (SnO 2 ) is well known as one of the smart materials, and is used in applications such as solar batteries, catalyst supports, and chemical sensors.

산화주석(SnO2)은 특히 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2) 및 일부 탄화수소를 포함하는 많은 가스 전환(gas conversion)에서 촉매로 이용되어 왔다.Tin oxide (SnO 2 ) has been used as a catalyst in many gas conversions, especially including carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and some hydrocarbons.

그러나, 산화주석(SnO2)을 촉매로 이용할 경우, 효율성이 떨어지므로, 주석 산화물(SnO2)의 촉매 작용을 향상시키는 것이 여전히 필요하며, 금속(metal)이나 음이온(anion)을 삽입하여 촉매 작용의 향상을 시도했지만, 이러한 공정은 제조된 촉매의 비용과 효율을 염두에 두어야 하므로, 제한적으로 접근할 수밖에 없다.However, tin oxide (SnO 2) the case of using as a catalyst, since less efficient, tin, and is still a need to enhance the catalytic action of the oxide (SnO 2), a metal (metal) or catalyzed by inserting anions (anion) Although attempts have been made to improve the process, these processes have to keep in mind the cost and efficiency of the prepared catalysts, and thus have limited access.

산화주석(SnO2) 촉매를 개질하는 방법 중 하나로서, 안티몬(Sb)을 산화주석(SnO2)에 도핑하는 것이며(안티몬이 도핑된 산화주석; 이하 ‘ATO’), 주석(Sn) 5s 상태는 촉매 활성과 관련되어 있기 때문에, 이러한 상태는 전기 전도성에 기여하는 것으로 나타났다.As a method of modifying a tin oxide (SnO 2 ) catalyst, antimony (Sb) is doped with tin oxide (SnO 2 ) (antimony-doped tin oxide; hereinafter'ATO'), and tin (Sn) 5s state Since is associated with catalytic activity, this state has been shown to contribute to electrical conductivity.

그러나, ATO 나노입자를 상기 응용분야에 적용 시, 원하는 촉매 효율을 얻을 수 없는 문제가 발생하며, 이에 대한 해결이 시급한 실정이다. However, when ATO nanoparticles are applied to the application field, a problem that a desired catalyst efficiency cannot be obtained occurs, and a solution to this problem is urgent.

대한민국 공개특허 제2018-0072542호Republic of Korea Patent Publication No. 2018-0072542

본 발명은 안티몬이 도핑된 이산화주석 나노입자에, 전이금속을 도핑시켜 광촉매 활성이 개선된 나노입자를 제공하는 데에 목적이 있다.An object of the present invention is to provide nanoparticles having improved photocatalytic activity by doping a transition metal with tin dioxide nanoparticles doped with antimony.

또한, 본 발명은 상기 나노입자를 광촉매로 이용하여 생체 물질을 광화학적 및 전기화학적 방법으로 산화시킴으로써, 시료 내에 생체 물질의 양을 측정할 수 있는 전극 및 이를 포함한 센서를 제공하는 데에 목적이 있다.Further, the present invention has an object to provide an electrode capable of measuring the amount of a biological material in a sample and a sensor including the same, by oxidizing the biological material by a photochemical and electrochemical method using the nanoparticle as a photocatalyst. .

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일실시예에서, 전이금속; 및 안티몬-주석 산화물(AT0)을 포함하고, 전이금속은 산화물 표면에 도핑된 것인 나노입자를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, in one embodiment, a transition metal; And antimony-tin oxide (AT0), wherein the transition metal provides nanoparticles doped on the oxide surface.

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 나노입자와 고체 전해질의 혼합물을 포함하는 전극을 제공한다.In addition, the present invention, in one embodiment, provides an electrode comprising a mixture of the nanoparticles and a solid electrolyte.

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 전극을 포함하는 센서를 제공한다.In addition, the present invention, in one embodiment, provides a sensor including the electrode.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 ATO 나노입자를 전극에 적용하였을 때, 높은 전류값을 나타내므로, 생체 물질을 광화학적 및 전기화학적 방법으로 산화 반응이 가능하며, 산화 시 발생한 전자를 검출하여 시료 내 생체 물질의 양을 측정할 수 있다.When the ATO nanoparticles doped with a transition metal according to the present invention are applied to an electrode, it exhibits a high current value, so that it is possible to oxidize biomaterials by photochemical and electrochemical methods. I can measure the amount of my biological material.

도 1은 5 mol%의 Cr(a), Mn(b), Fe(c) 및 Mn(d)으로 도핑된 ATO 나노입자의 투과전자현미경(transmission electron microscope; 이하 ‘TEM’) 이미지(좌측), 이들의 크기 분포(중간) 및 X선 회절(X-ray diffraction; 이하 ‘XRD’) 스펙트럼(우측)을 나타낸 도면이다.
도 2는 Sn M4,5-edge(상단), O K-edge(중단) 및 L2,3-edge(하단)의 X선 흡수 분광기(X-ray absorption spectroscopy; 이하 ‘XAS’) 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3은 50 mV/s의 스캔 속도에서, PBS 용액에 10 mM의 Cys을 포함하거나(붉은색), 포함하지 않은 경우(검은색) 순수한 GCE의 CV 곡선을 나타낸 도면이다.
도 4는 순수한 GCE(검은선)와, Cr(a), Mn(b), Fe(c) 및 Mn(d)으로 도핑된 ATO 나노입자가 개질된 GCE(붉은선)를 시스테인(L-cysteine; 이하 ‘Cys’) 10 mM과 인산 완충 식염수(Phosphate-buffered saline; 이하 ‘PBS’)가 포함된 용액에서 50 mV/s의 스캔속도로 수행하였을 때의 사이클릭 볼타메트리(Cyclic Voltametry; 이하 ‘CV’) 곡선(a 내지 d), 전이금속(Cr, Mn, Fe 및 Mn)이 도핑된 ATO 나노입자에 대한 Cys의 전기화학적 산화로부터 측정된 촉매 전류(e)를 나타낸 도면이다.
도 5는 5 mol% Cr(a), Mn(b), Fe(c) 및 Co(d)가 도핑된 ATO 나노입자 존재 하에, Cys(180 ℓ 용액)의 광촉매적 산화의 생성물에 대한 고분해능 광전자 분광기(High Resolution Photoemisson Spectroscopy; 이하 ‘HRPES’) S 2p 핵심 수준(core-level) 스펙트럼(a 내지 d), Cys의 산화에 대한 각각의 광촉매 활성을 평가하기 위해, Cys(180 ℓ 용액)에 365 nm UV 광을 인가하였을 때의 Cr, Mn, Fe 및 Co가 도핑된 ATO 나노입자에 대한 S3 대 S1 비율(e)을 나타낸 도면이다.
도 6은 실리콘 기판상에 성장된 Cr(a), Mn(b), Fe(c) 및 Co(d)가 도핑된 ATO 나노입자의 존재 하에, 다양한 도핑 금속의 양과 기판 온도에 대해, 이산화탄소(CO2) 가스(300K)에서 산소(O2) 및 일산화탄소(CO) 가스(1 × 10-6 torr)로의 변환율을 나타낸 도면이다.
도 7은 Cr이 도핑된 ATO 나노입자의 HRPES 데이터를 나타낸 것으로서, Cr 도펀트가 1 mol%(상단), 3 mol%(중단), 5 mol%(하단)로 증가함에 따른 O 1s 및 Sn 3d의 HRPES 데이터(좌측), Cr 2p의 HRPES 데이터(우측 상단) 및 Cr 도펀트가 1 mol%(검정색), 3 mol%(붉은색), 5 mol%(푸른색)로 증가함에 따른 가전자대(valence band)의 HRPES 데이터(우측 하단)를 나타낸 도면이다.
도 8은 Mn이 도핑된 ATO 나노입자의 HRPES 데이터를 나타낸 것으로서, Mn 도펀트가 1 mol%(상단), 3 mol%(중단), 5 mol%(하단)로 증가함에 따른 O 1s 및 Sn 3d의 HRPES 데이터(좌측), Mn 2p의 HRPES 데이터(우측 상단) 및 Mn 도펀트가 1 mol%(검정색), 3 mol%(붉은색), 5 mol%(푸른색)로 증가함에 따른 가전자대의 HRPES 데이터(우측 하단)를 나타낸 도면이다.
도 9는 Fe가 도핑된 ATO 나노입자의 HRPES 데이터를 나타낸 것으로서, Fe 도펀트가 1 mol%(상단), 3 mol%(중단), 5 mol%(하단)로 증가함에 따른 O 1s 및 Sn 3d의 HRPES 데이터(좌측), Fe 2p의 HRPES 데이터(우측 상단) 및 Fe 도펀트가 1 mol%(검정색), 3 mol%(붉은색), 5 mol%(푸른색)로 증가함에 따른 가전자대의 HRPES 데이터(우측 하단)를 나타낸 도면이다.
도 10은 Co가 도핑된 ATO 나노입자의 HRPES 데이터를 나타낸 것으로서, Co 도펀트가 1 mol%(상단), 3 mol%(중단), 5 mol%(하단)로 증가함에 따른 O 1s 및 Sn 3d의 HRPES 데이터(좌측), Co 2p의 HRPES 데이터(우측 상단) 및 Co 도펀트가 1 mol%(검정색), 3 mol%(붉은색), 5 mol%(푸른색)로 증가함에 따른 가전자대의 HRPES 데이터(우측 하단)를 나타낸 도면이다.
1 is a transmission electron microscope (hereinafter referred to as'TEM') image of ATO nanoparticles doped with 5 mol% of Cr(a), Mn(b), Fe(c), and Mn(d) (left). , Their size distribution (middle) and X-ray diffraction (hereinafter referred to as'XRD') spectrum (right).
2 is an X-ray absorption spectroscopy (hereinafter referred to as'XAS') spectrum of Sn M 4,5 -edge (top), O K-edge (middle) and L 2,3 -edge (bottom). It is the figure shown.
FIG. 3 shows the CV curve of pure GCE with or without 10 mM Cys (red) in PBS solution at a scan rate of 50 mV/s (black).
Figure 4 is a pure GCE (black line), Cr (a), Mn (b), Fe (c) and Mn (d) doped ATO nanoparticles modified GCE (red line) cysteine (L-cysteine) ;'Cys') Cyclic Voltametry when performed at a scan rate of 50 mV/s in a solution containing 10 mM and Phosphate-buffered saline (hereinafter'PBS') 'CV') Curve (a to d), ATO doped with transition metals (Cr, Mn, Fe and Mn) It is a diagram showing the catalytic current (e) measured from the electrochemical oxidation of Cys for nanoparticles.
5 is ATO doped with 5 mol% Cr(a), Mn(b), Fe(c), and Co(d). High Resolution Photoemisson Spectroscopy (hereinafter'HRPES') S 2p core-level spectrum (a to d), Cys for the product of photocatalytic oxidation of Cys (180 l solution) in the presence of nanoparticles Cr, Mn, Fe and Co doped ATO when 365 nm UV light is applied to Cys (180 ℓ solution) to evaluate each photocatalytic activity for oxidation of This diagram shows the ratio of S3 to S1 (e) for nanoparticles.
FIG. 6 shows ATO doped with Cr(a), Mn(b), Fe(c) and Co(d) grown on a silicon substrate. A diagram showing the conversion rate of carbon dioxide (CO 2 ) gas (300K) to oxygen (O 2 ) and carbon monoxide (CO) gas (1 × 10 -6 torr) for the amount of various doped metals and the substrate temperature in the presence of nanoparticles. to be.
Figure 7 is ATO doped with Cr It shows HRPES data of nanoparticles, HRPES data of O 1s and Sn 3d as Cr dopant increases to 1 mol% (top), 3 mol% (middle), 5 mol% (bottom), Cr 2p HRPES data (top right) and Cr dopant HRPES data of valence band (bottom right) with increasing to 1 mol% (black), 3 mol% (red), 5 mol% (blue) It is a figure showing.
8 is an MTO doped ATO Shows HRPES data of nanoparticles, HRPES data of O 1s and Sn 3d as Mn dopant increases to 1 mol% (top), 3 mol% (middle), 5 mol% (bottom), Mn 2p HRPES data (top right) and Mn dopant is 1 mol% (black), 3 mol% (red), 5 mol% (blue) HRPES data (lower right) of the valence band is a diagram showing the increase .
9 is an ATO doped with Fe HRPES data of nanoparticles, HRPES data of O 1s and Sn 3d as Fe dopant increases to 1 mol% (top), 3 mol% (middle), 5 mol% (bottom), Fe 2p HRPES data (top right) and Fe dopant is 1 mol% (black), 3 mol% (red), 5 mol% (blue) HRPES data (bottom right) of the valence band is a diagram showing the increase .
10 is an ATO doped with Co It shows the HRPES data of nanoparticles, HRPES data of O 1s and Sn 3d as Co dopant increases to 1 mol% (top), 3 mol% (middle), and 5 mol% (bottom), Co 2p HRPES data (top right) and Co dopant is 1 mol% (black), 3 mol% (red), 5 mol% (blue) HRPES data (bottom right) is a diagram showing the increase .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as “comprises” or “have” are intended to indicate that there are features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, and one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.In addition, the accompanying drawings in the present invention should be understood to be shown enlarged or reduced for convenience of description.

나노입자Nanoparticles

본 발명은 일실시예에서, 전이금속; 및 안티몬-주석 산화물(AT0)을 포함하고, 전이금속은 산화물 표면에 도핑된 것인 나노입자를 제공한다.The present invention, in one embodiment, a transition metal; And antimony-tin oxide (AT0), wherein the transition metal provides nanoparticles doped on the oxide surface.

본 출원에서 용어 「전이금속」은, 원자의 전자배치에서 최외곽 부분의 d껍질이 불완전한 양이온을 만드는 원소를 의미한다.In the present application, the term "transition metal" refers to an element in which the d-shell of the outermost portion of the electron arrangement of atoms makes an incomplete cation.

상기 전이금속은 안티몬-주석 산화물의 표면을 도핑할 수 있는 것이라면, 주기율표에서 4~7주기, 3~12족 까지의 원소 중에서 어느 하나의 전이금속일 수 있으며, 구체적으로 전이금속은 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 코발트(Co) 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 전이금속은 저가의 4주기 전이금속일 수 있으며, 이에 따라 경제적인 측면에서 효용성이 높을 수 있다.If the transition metal is capable of doping the surface of the antimony-tin oxide, it may be any one of the transition metals of elements 4 to 7 and 3 to 12 in the periodic table, and specifically, the transition metal is chromium (Cr). , Manganese (Mn), iron (Fe), and cobalt (Co). For example, the transition metal may be a low-cost four-cycle transition metal, and accordingly, may have high utility in economical aspects.

본 출원에서 용어 「안티몬-주석 산화물」은, 주석 산화물에 안티몬이 도핑된 것이며, 용어 「도핑」은, 미량의 다른 물질(즉, 도펀트)을 재료에 첨가하여 성질을 개선시키는 것이다.In this application, the term "antimony-tin oxide" refers to tin oxide doped with antimony, and the term "doping" refers to adding a trace amount of another substance (ie, dopant) to the material to improve properties.

즉, 본 발명은 도펀트로 전이금속을 사용하여, 안티몬-주석 산화물의 표면에 도핑됨으로써, 안티몬-주석 산화물의 촉매 활성을 개선시킬 수 있다.That is, the present invention can improve the catalytic activity of the antimony-tin oxide by doping the surface of the antimony-tin oxide using a transition metal as a dopant.

나노입자는 안티몬-주석 산화물 100 중량부 기준으로 전이금속 0.33 내지 3.76 중량부, 또는 0.99 내지 1.88 중량부를 포함할 수 있다. The nanoparticles may include 0.33 to 3.76 parts by weight of the transition metal, or 0.99 to 1.88 parts by weight based on 100 parts by weight of antimony-tin oxide.

본 출원에서 용어 「중량부」는, 어떤한 물질 중량을 1로 환산하여, 그것을 기준으로 다른 물질 중량을 계산하는 상대적 수치를 의미한다.The term "parts by weight" in the present application means a relative value in which a certain substance weight is converted to 1, and another substance weight is calculated based on the weight.

나노입자에 상기 범위 내 함량의 전이금속을 포함함으로써 도핑금속과 나노입자 금속간의 전기음성도 차이에서 발생하는 촉매 효율 상승 및 산소 결함자리 발생을 통해서 촉매 효율이 극대화되는 이점이 있다. 한편, 나노입자는 안티몬-주석 산화물 100 중량부 기준으로 전이금속이 0.33 중량부 미만인 경우, 전이금속 입자의 표면분포가 적어 촉매 활성 지점의 생성이 낮아질 수 있으며, 3.76 중량부를 초과하는 경우, 도핑된 입자들 간의 상호간섭 때문에 역시 촉매 활성이 저하 될 수 있다. 따라서, 나노입자는 상기 범위의 전이금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 나노입자는 안티몬-주석 산화물 100 중량부 기준으로 전이금속 0.99 내지 1.88 중량부를 포함할 수 있다.By including the transition metal having the content in the above range in the nanoparticle, there is an advantage that the catalyst efficiency is maximized through an increase in catalytic efficiency caused by a difference in electronegativity between a doped metal and a nanoparticle metal and generation of oxygen defect sites. On the other hand, when the transition metal is less than 0.33 parts by weight based on 100 parts by weight of the antimony-tin oxide, the nanoparticles may have less surface distribution of the transition metal particles, resulting in lower generation of catalytic activity points, and when the amount exceeds 3.76 parts by weight The catalytic activity may also be lowered due to the mutual interference between particles. Therefore, the nanoparticles may include transition metals in the above range. For example, nanoparticles may include 0.99 to 1.88 parts by weight of transition metal based on 100 parts by weight of antimony-tin oxide.

나노입자는 평균 직경이 15 nm 이하일 수 있고, 구체적으로 2 내지 15 nm 또는 4 내지 12 nm 범위 내 일 수 있다. 나노입자의 평균 직경이 상기 범위를 만족함으로써 촉매 효율은 증가시키는 동시에, 무게 대비 표면적을 극대화하여 경제성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.The nanoparticles may have an average diameter of 15 nm or less, specifically 2 to 15 nm or 4 to 12 nm. The average diameter of the nanoparticles satisfies the above range, thereby increasing the catalyst efficiency and maximizing the surface area to weight, thereby improving the economic efficiency.

전극electrode

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 나노입자와 고체 전해질의 혼합물을 포함하는 전극을 제공한다.In addition, the present invention, in one embodiment, provides an electrode comprising a mixture of the nanoparticles and a solid electrolyte.

전극의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the structure and components of the electrode are known to those skilled in the art to which the present invention pertains, detailed descriptions thereof will be omitted below.

전극의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.For the structure and components of the electrode, the contents known to those skilled in the art to which the invention pertains are incorporated into the contents of the invention.

고체 전해질은 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 나피온일 수 있다.The type of the solid electrolyte is not particularly limited, but may be specifically Nafion.

센서sensor

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 전극을 포함하는 센서를 제공한다.In addition, the present invention, in one embodiment, provides a sensor including the electrode.

센서의 구조 및 구성요소 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있으므로, 이하 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the structure and components of the sensor are known to those skilled in the art to which the present invention pertains, detailed descriptions thereof will be omitted below.

센서의 구조 및 구성요소에 대해서는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 내용은 본 발명의 내용에 합체된다.For the structure and components of the sensor, the contents known to those skilled in the art to which the invention pertains are incorporated into the contents of the invention.

상기 센서는 생체 물질 감지용일 수 있다. 본 출원에서 용어 「생체 물질」은, 자연에서 유래하거나 금속성분 및 화학적인 방법으로 실험실에서 합성할 수 있는 금속, 세라믹 또는 복합재료를 사용하여 생체의 조직이나 장기 또는 생체기능의 역할을 담당하는 재료를 의미한다.The sensor may be for detecting biological material. In this application, the term "biological material" is a material that plays a role of tissue or organ or biological function of a living body using metal, ceramic, or composite material derived from nature or which can be synthesized in a laboratory by a metal component and a chemical method. Means

상기 생체 물질은 시스테인(L-cysteine), 도파민(Dopamine) 및 글루코스(Glucose) 중 어느 하나일 수 있다.The biomaterial may be any one of cysteine, dopamine, and glucose.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples and experimental examples.

재료 준비Ingredient preparation

도판트로 질산크롬·9수화물(Cr(NO3)3·9H2O, 99%), 질산망간·x수화물(Mn(NO3)2·xH2O, 98%), 질산철·9수화물(Fe(NO3)3·9H2O, 98%) 및 질산코발트·6수화물(Co(NO3)2·6H2O, ≥98%)을 이용하였고, 이들을 Sigma Aldrich에서 구입하였다.Chromium nitrate/hexahydrate as a dopant (Cr(NO3) 3 , 9H 2 O, 99%), manganese nitrate/x hydrate (Mn(NO 3 ) 2 , xH 2 O, 98%), iron nitrate/hexahydrate (Fe (NO 3 ) 3 ·9H 2 O, 98%) and cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, ≥98%) were used, and these were purchased from Sigma Aldrich.

L-시스테인(L-cysteine; Cys, 순도 97%) 및 나피온(5 중량%)은 Sigma-Aldrich에서 구입하였고, PBS는 Gibco에서 구입하였다.L-cysteine (Cys, 97% purity) and Nafion (5% by weight) were purchased from Sigma-Aldrich, and PBS was purchased from Gibco.

합성예 1. 전구체 용액의 합성Synthesis Example 1. Synthesis of precursor solution

원-팟(one-pot) 합성을 수행함으로써 전구체 용액을 준비하였다.The precursor solution was prepared by performing one-pot synthesis.

구체적으로, 2-메톡시에탄올(≥ 99.9%) 10 ㎖에 10 mmol의 염화주석·5수화물(SnCl4·5H2O, 98%, 3.505 g)과 0.5 mmol의 염화안티몬(Ⅲ)(SbCl3, > 99.0%, 0.114055 g)을 넣었다.Specifically, 10 mmol of 2-methoxyethanol (≥ 99.9%) in 10 mmol of tin chloride/pentahydrate (SnCl 4 ·5H 2 O, 98%, 3.505 g) and 0.5 mmol of antimony (III) chloride (SbCl 3 ,> 99.0%, 0.114055 g).

도펀트(M)는 하기 일반식에 따라 금속 도판트의 몰분율이 5 mol%가 되도록 0.52 mmol의 질산크롬·9수화물(Cr(NO3)3·9H2O, 0.292 g)을 첨가한 후, 10분 동안 교반하여 전구체 용액을 제조하였다.The dopant (M) is added with 0.52 mmol of chromium nitrate hexahydrate (Cr(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, 0.292 g) so that the molar fraction of the metal dopant is 5 mol% according to the following general formula, 10 The precursor solution was prepared by stirring for a minute.

[일반식][general meal]

(전이금속의 몰수)/((전이금속의 몰수) + (주석의 몰수))(Number of moles of transition metal)/((number of moles of transition metal) + (number of moles of tin))

합성예 2. 전구체 용액의 합성Synthesis Example 2. Synthesis of precursor solution

몰분율이 5 mol%가 되도록 질산망간·3수화물(Mn(NO3)2·3H2O, 0.121 g)을 첨가한 것을 제외하고는, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 전구체 용액을 제조하였다.A precursor solution was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that manganese nitrate·trihydrate (Mn(NO 3 ) 2 ·3H 2 O, 0.121 g) was added so that the mole fraction was 5 mol%.

합성예 3. 전구체 용액의 합성Synthesis Example 3. Synthesis of precursor solution

5 mol%가 되도록 질산철·9수화물(Fe(NO3)3·9H2O, 98%, 0.210 g)을 첨가한 것을 제외하고는, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 전구체 용액을 제조하였다.A precursor solution was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that iron nitrate·9 hydrate (Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, 98%, 0.210 g) was added to be 5 mol%.

합성예 4. 전구체 용액의 합성Synthesis Example 4. Synthesis of precursor solution

5 mol%가 되도록 질산코발트·6수화물(Co(NO3)2·6H2O, 0.151 g)을 첨가한 것을 제외하고는, 상기 합성예 1과 동일한 방법으로 전구체 용액을 제조하였다.A precursor solution was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that cobalt nitrate•hexahydrate (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, 0.151 g) was added so as to be 5 mol%.

제조예 1. 크롬(Cr)이 도핑된 ATO 나노입자의 제조Production Example 1. Preparation of ATO nanoparticles doped with chromium (Cr)

합성예 1에 따른 전구체 용액을 Al2O3 도가니에 넣은 다음, 800℃에서 5시간 동안 열처리(Annealing)하여 Cr이 도핑된 ATO 나노입자(평균 직경: 약 4 내지 7 nm)를 제조하였다(Cr-SnO2).The precursor solution according to Synthesis Example 1 was placed in an Al 2 O 3 crucible, and then heat-treated at 800° C. for 5 hours (Annealing) to prepare Cr-doped ATO nanoparticles (average diameter: about 4 to 7 nm) (Cr -SnO 2 ).

제조예 2. 망간(Mn)이 도핑된 ATO 나노입자의 제조Preparation Example 2 Preparation of ATO nanoparticles doped with manganese (Mn)

합성예 2에 따른 전구체 용액을 Al2O3 도가니에 넣은 다음, 800℃에서 5시간 동안 열처리하여 Mn이 도핑된 ATO 나노입자(평균 직경: 약 5 내지 7 nm)를 제조하였다(Mn-SnO2).The precursor solution according to Synthesis Example 2 was placed in an Al 2 O 3 crucible, and then heat-treated at 800° C. for 5 hours to prepare Mn-doped ATO nanoparticles (average diameter: about 5 to 7 nm) (Mn-SnO 2) ).

제조예 3. 철(Fe)이 도핑된 ATO 나노입자의 제조Preparation Example 3. Preparation of ATO nanoparticles doped with iron (Fe)

합성예 3에 따른 전구체 용액을 Al2O3 도가니에 넣은 다음, 800℃에서 5시간 동안 열처리하여 Fe가 도핑된 ATO 나노입자(평균 직경: 약 6 내지 9 nm)를 제조하였다(Fe-SnO2).The precursor solution according to Synthesis Example 3 was placed in an Al 2 O 3 crucible, and then heat-treated at 800° C. for 5 hours to prepare Fe-doped ATO nanoparticles (average diameter: about 6 to 9 nm) (Fe-SnO 2 ).

제조예 4. 코발트(Co)가 도핑된 ATO 나노입자의 제조Production Example 4. Preparation of ATO nanoparticles doped with cobalt (Co)

합성예 4에 따른 전구체 용액을 Al2O3 도가니에 넣은 다음, 800℃에서 5시간 동안 열처리하여 Co가 도핑된 ATO 나노입자(평균 직경: 약 8 내지 11 nm)를 제조하였다(Co-SnO2).The precursor solution according to Synthesis Example 4 was placed in an Al 2 O 3 crucible, and then heat-treated at 800° C. for 5 hours to prepare ATO nanoparticles (average diameter: about 8 to 11 nm) doped with Co (Co-SnO 2 ). ).

실시예 1. Cr이 도핑된 ATO 나노입자와 나피온이 개질된 유리탄소전극의 제작Example 1. Preparation of Cr-doped ATO nanoparticles and Nafion-modified glass carbon electrode

제조예 1에 따른 Cr이 도핑된 ATO 나노입자 4.0 mg을 50 ㎕의 나피온을 함유한 1.0 ㎖의 증류수에 분산시킨 후, 초음파 처리기(Wise cleaner, DAIHAN Sci., Wonju, Korea)를 통해 10분 동안 혼합하여 균일한 Cr이 도핑된 ATO 나노입자-나피온 혼합물을 수득하였다.After dispersing 4.0 mg of Cr-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 1 into 1.0 ml of distilled water containing 50 μl of Nafion, 10 minutes through an ultrasonicator (Wise cleaner, DAIHAN Sci., Wonju, Korea) During mixing, a uniform Cr-doped ATO nanoparticle-Nafion mixture was obtained.

그 후, 혼합물 20 ㎕를 유리탄소전극(Glassy carbon electrode; GCE)에 놓고 미리 가열한 오븐에서, 75℃에서 30분 동안 건조시켜 Cr이 도핑된 ATO 나노입자와 나피온 혼합물이 개질된 유리탄소전극을 제작하였다.Then, 20 µl of the mixture was placed on a glass carbon electrode (GCE) and dried in a preheated oven for 30 minutes at 75° C., where the Cr-doped ATO nanoparticles and Nafion mixture were modified glass carbon electrodes. Was produced.

실시예 2. Mn이 도핑된 ATO 나노입자와 나피온이 개질된 유리탄소전극의 제작Example 2. Preparation of Mn-doped ATO nanoparticles and Nafion-modified glass carbon electrode

제조예 2에 따른 Mn이 도핑된 ATO 나노입자를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 Mn이 도핑된 ATO 나노입자와 나피온 혼합물이 개질된 유리탄소전극을 제작하였다.A glass carbon electrode in which Mn-doped ATO nanoparticles and a Nafion mixture were modified under the same conditions as in Example 1 was manufactured, except that Mn-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 2 were used.

실시예 3. Fe가 도핑된 ATO 나노입자와 나피온이 개질된 유리탄소전극의 제작Example 3. Preparation of Fe-doped ATO nanoparticles and Nafion-modified glass carbon electrode

제조예 3에 따른 Fe가 도핑된 ATO 나노입자를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 Fe가 도핑된 ATO 나노입자와 나피온 혼합물이 개질된 유리탄소전극을 제작하였다.A glass carbon electrode in which the mixture of Fe-doped ATO nanoparticles and Nafion was modified was prepared under the same conditions as in Example 1, except that Fe-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 3 were used.

실시예 4. Co가 도핑된 ATO 나노입자와 나피온이 개질된 유리탄소전극의 제작Example 4. Preparation of Co-doped ATO nanoparticles and Nafion-modified glass carbon electrode

제조예 4에 따른 Co가 도핑된 ATO 나노입자를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 Co가 도핑된 ATO 나노입자와 나피온 혼합물이 개질된 유리탄소전극을 제작하였다.A glass carbon electrode in which a mixture of Co-doped ATO nanoparticles and Nafion was modified was prepared under the same conditions as in Example 1, except that Co-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 4 were used.

실험예 1. 전이금속이 도핑된 ATO 나노입자의 모폴로지(Morphology) 분석Experimental Example 1. Morphology analysis of ATO nanoparticles doped with transition metal

1. TEM 및 XRD 측정1. TEM and XRD measurements

제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 모폴로지를 분석하기 위해, 300 kV의 가속 전압에서 TEM(FEI Tecnai G2F30 S-Twin) 분석을 수행하였고, 또한 Ni-filtered 방사선을 이용하여 XRD(Rigaku D/Max-A diffractometer) 분석을 수행하였다.To analyze the morphology of nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4, TEM (FEI Tecnai G 2 F30 S-Twin) analysis was performed at an accelerated voltage of 300 kV, and XRD (using Ni-filtered radiation) was also used. Rigaku D/Max-A diffractometer) analysis was performed.

구체적으로, TEM 분석을 통해 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 크기 분포와 모양을 분석하였고, TEM 이미지를 참조하면, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자 대부분이 5 nm 내지 9 nm 사이의 평균 직경을 가지며, 매우 미세한 구조임을 확인하였다(도 1 참조).Specifically, the size distribution and shape of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 were analyzed through TEM analysis. Referring to the TEM image, most of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 were 5 nm to 9 It has an average diameter between nm and was confirmed to be a very fine structure (see FIG. 1).

또한, 제조예 내지 4에 따른 나노입자의 XRD 분석을 수행하였고, XRD 스펙트럼에서의 모든 회절 피크는, 주석석(Cassiterite, SnO2)에 할당된 (110), (101), (200), (211), (310), (112) 및 (202) 반사에 해당하는 2θ = 26.8 °, 34.1 °, 38.2 °, 52.0 °, 62.2 °, 65.2 °및 71.6 °피크와 일치하였다(JCPDS card No. 41-1455).In addition, XRD analysis of the nanoparticles according to Preparation Examples 4 was performed, and all diffraction peaks in the XRD spectrum were (110), (101), (200), () assigned to tin (Cassiterite, SnO 2 ). 211), (310), (112) and (202) corresponded to the 2θ = 26.8 °, 34.1 °, 38.2 °, 52.0 °, 62.2 °, 65.2 ° and 71.6 ° peaks corresponding to the reflection (JCPDS card No. 41 -1455).

TEM 이미지와 XRD 패턴을 통해, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자는 단상 산화주석(SnO2)의 형성을 확인하였고, 이는 상분리(Phase separation) 및 격리(Cassiterite)없이 ATO 나노입자에 전이금속이 성공적으로 도핑되었음을 확인하였다.Through the TEM image and the XRD pattern, the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 confirmed formation of single-phase tin oxide (SnO 2 ), which was transferred to ATO nanoparticles without phase separation and isolation. It was confirmed that the metal was successfully doped.

2. STXM 측정2. STXM measurement

제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 형상을 분석하기 위해, 주사 투과 X선 현미경(Scanning transmission X-ray microscopy; 이하 ‘STXM’, 10 A beamline, Pohang Accelerator Laboratory) 분석을 수행하였다.In order to analyze the shape of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4, scanning transmission X-ray microscopy (hereinafter referred to as'STXM', 10 A beamline, Pohang Accelerator Laboratory) was performed.

구체적으로, STXM 분석은, 최외측 구역(outermost zone) 폭이 25 nm인 프레넬 존 플레이트(fresnel zone plate; FZP)을 사용하여, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자를 TEM 격자 상에 놓고, X선을 포커싱하였다.Specifically, STXM analysis, using a Fresnel zone plate (FZP) having an outermost zone width of 25 nm, nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 on a TEM grid The X-ray was focused.

ATO 나노입자는 열수 합성법에 의해 합성되며, 전기 전도성을 극대화하기 위해, 주석과 안티몬의 비율을 100 : 5로 설정하여 투입하였다. 이로 인하여 SEM, HRPES 측정에서 전기 전도도를 향상시키고, 최소 전도대를 얕게 함으로써 촉매 성능을 향상시키는 데에 도움이 되고, ATO는 안티몬 원자의 22 mol% 미만에서 Sn5+의 주된 기여에 의해 달성된 n형 도핑에 의해 가장 낮은 저항률을 나타낼 수 있다.ATO nanoparticles are synthesized by a hydrothermal synthesis method, and in order to maximize electrical conductivity, the ratio of tin and antimony is set to 100:5 and added. This helps to improve the electrical conductivity in SEM and HRPES measurements, and to improve the catalyst performance by shallowening the minimum conduction band, and ATO is achieved by the main contribution of Sn 5+ at less than 22 mol% of the antimony atom The lowest resistivity can be achieved by mold doping.

그러나, 산화주석(SnO2) 매트릭스에 3.8 mol%의 Sb가 포함된 경우 Sb3+ 상태가 나타나지 않았고, 이는 정공 수송 효과가 배제될 수 있음을 의미한다.However, when 3.8 mol% of Sb was included in the tin oxide (SnO 2 ) matrix, the Sb 3+ state did not appear, which means that the hole transport effect can be excluded.

이러한 구조 설계는 주요 캐리어 성분을 고정시킴으로써 전자에 의한 촉매 효과를 달성할 수 있다.This structural design can achieve the catalytic effect by electrons by fixing the main carrier component.

또한, UV 흡수를 통해 광촉매 활성을 평가할 수 있다.In addition, it is possible to evaluate the photocatalytic activity through UV absorption.

구체적으로, Sb 농도를 2 mol% 이상으로 증가시킬 경우, 산화주석(SnO2)의 밴드갭은 3.95 eV에서 3.65 eV로 감소되어 UV 파장을 능동적으로 흡수할 수 있음을 확인하였다.Specifically, when the Sb concentration was increased to 2 mol% or more, the band gap of tin oxide (SnO 2 ) was reduced from 3.95 eV to 3.65 eV, and it was confirmed that the UV wavelength can be actively absorbed.

또한, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자에서, 전이금속 L-edge, Sn M-edge 및 O K-edge 스펙트럼을 추출하기 위해, X선 흡수 분광기(X-ray absorption spectroscopy; 이하 ‘XAS’)를 사용하여 이미지 스택(Image stacks)을 수집하였다.In addition, in the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4, in order to extract the transition metal L-edge, Sn M-edge and O K-edge spectra, X-ray absorption spectroscopy (XAS) ') was used to collect the image stacks.

HRPES 분석은 포항가속기연구소(Pohang Accelerator Laboratory; PAL)에서 전자 분석기(Physical Electronics, PHI-3057, 8A1 beamline)로 수행되었다.HRPES analysis was performed with an electronic analyzer (Physical Electronics, PHI-3057, 8A1 beamline) at the Pohang Accelerator Laboratory (PAL).

핵심 수준(Core-level) 스펙트럼의 결합 에너지는, 동일한 광자 에너지에 대한 Au 4 f 핵심 수준의 결합 에너지(EB = 84.0 eV)에 대해서 결정되었다.The binding energy of the core-level spectrum was determined for the binding energy of the Au 4 f core level (E B = 84.0 eV) for the same photon energy.

도 2는 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 X선 흡수 스펙트럼(XAS)과, 해당 적층 이미지를 나타내고 있다.Figure 2 shows the X-ray absorption spectrum (XAS) of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4, and the corresponding lamination image.

구체적으로, Sn4+ 3d 상태(3d state)에서, 비어있는(Unoccupied) p 상태(p state)로의 전이(Transition)를 나타내는 Sn M4,5-edge의 스펙트럼에서, SnM5 (3d5/2 및 3d3/2)에서 파생된 490 eV 및 497 eV 사이에서의 특성과 498 eV 및 502 eV 사이에서의 특성이 관찰되었고, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 Sn M-edge 측정값은 매우 유사하게 나타났다.Specifically, in the spectrum of Sn M 4,5 -edge showing the transition from the Sn 4+ 3d state to the Unoccupied p state, the SnM 5 (3d 5/2 And 3d 3/2 ), properties between 490 eV and 497 eV and properties between 498 eV and 502 eV were observed, and Sn M-edge measurements of nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 Appeared very similar.

그러나, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 O K-edge 스펙트럼 영역은 매우 다른 경향을 보였다. However, the O K-edge spectral region of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 showed very different trends.

구체적으로, O K-edge 영역에서 볼 수 있듯이, 533 eV와 536 내지 540 eV에서 피크가 관찰되었으며, 533 eV는 O 1s 상태에서 비어있는 p 상태를 나타내며, 536 내지 540 eV는 O 2p 상태에서 O 2p - Sn 5p 하이브리드 궤도 상태를 나타낸다.Specifically, as can be seen in the O K-edge region, peaks were observed at 533 eV and 536 to 540 eV, 533 eV represents an empty p state in the O 1s state, and 536 to 540 eV are O in the O 2p state. 2p-Sn 5p Hybrid orbital state.

제조예 1에 따른 Cr이 도핑된 ATO 나노입자에 대한 O K-edge 피크의 모양과 강도는 제조예 2에 따른 나노입자와, 전이금속이 도핑되지 않은 ATO 나노입자의 경우와 매우 유사했다.The shape and strength of the O K-edge peak for Cr-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 1 were very similar to those of the nanoparticles according to Preparation Example 2 and ATO nanoparticles without transition metal doping.

그러나, 제조예 3(Fe가 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 4(Co가 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자의 O K-edge는 Fe 및 Co 도판트로 인하여, 순수한 ATO 나노입자의 O 2p 전이(533 eV)보다 더 많은 혼성 오비탈(536 내지 540 eV)을 나타내었고, Fe 및 Co 도펀트의 궤도는 각각 스펙트럼에 따라 O 2p 궤도와 혼성화되었다.However, O of the nanoparticles according to Preparation Example 3 (Fe-doped ATO nanoparticles) and Preparation Example 4 (Co-doped ATO nanoparticles) K-edge is due to Fe and Co dopants, resulting in pure ATO nanoparticles O It exhibited more hybrid orbitals (536 to 540 eV) than the 2p transition (533 eV), and the orbitals of Fe and Co dopants hybridized with the O 2p orbitals according to the spectrum respectively.

전이금속 도판트의 산화 상태는 금속 L-edge에 의해 결정되었다.The oxidation state of the transition metal dopant was determined by the metal L-edge.

구체적으로, 제조예 1에 따른 Cr이 도핑된 ATO 나노입자의 경우, 578.4 eV에서 숄더(Shoulder)를 갖는 576.0 eV와 577.0 eV에서의 피크가 관찰되었고, 이는 Cr3+ L3-edge에 해당하였다.Specifically, in the case of Cr-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 1, peaks at 576.0 eV and 577.0 eV with a shoulder at 578.4 eV were observed, which corresponded to Cr 3+ L 3 -edge. .

또한, 제조예 2에 따른 Mn이 도핑된 ATO 나노입자의 경우, 640.7 eV에서 특성을 갖는 639.2eV 피크(Sharp peak)가 관찰되었고, 이는 Mn2+ L3-edge에 해당하였다.In addition, in the case of ATO nanoparticles doped with Mn according to Preparation Example 2, a 639.2eV peak (Sharp peak) having properties at 640.7 eV was observed, which corresponded to Mn 2+ L 3 -edge.

또한, 제조예 3에 따른 Fe가 도핑된 ATO 나노입자의 경우, 706.6 eV에서 특성을 갖는 708.5 eV 피크(Sharp peak)가 관찰되었고, 이는 Fe3+ L3-edge에 해당하였다.In addition, in the case of Fe-doped ATO nanoparticles according to Preparation Example 3, a 708.5 eV peak having a characteristic at 706.6 eV (Sharp peak) was observed, which corresponded to Fe 3 + L 3 -edge.

또한, 제조예 4에 따른 Co가 도핑된 ATO 나노입자의 경우, 776.8 eV와 777.6 eV에서 이중선(doublet)이 확인되었고, 이는 791.2 eV 및 792.0 eV에서의 다른 이중선과 명확히 구별되었으며, 776.8 eV와 777.6 eV 피크는 각각 Co3+ L3-edge 및 Co3+ L2-edge에 해당하였다.In addition, in the case of ATO nanoparticles doped with Co according to Preparation Example 4, doublets were identified at 776.8 eV and 777.6 eV, which were clearly distinguished from other doublets at 791.2 eV and 792.0 eV, and 776.8 eV and 777.6. The eV peaks corresponded to Co 3+ L 3 -edge and Co 3+ L 2 -edge, respectively.

STXM 측정을 수행함으로써, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자 중에서, 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자와 제조예 3(Fe가 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 4(Co가 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자를 구별할 수 있음을 확인하였다.By performing STXM measurement, among the nanoparticles according to Production Examples 1 to 4, nanoparticles and production according to Production Example 1 (Cr-doped ATO nanoparticles) and Production Example 2 (Mn-doped ATO nanoparticles) It was confirmed that the nanoparticles according to Example 3 (Fe-doped ATO nanoparticles) and Preparation Example 4 (Co-doped ATO nanoparticles) can be distinguished.

실험예 2. 전기화학적 특성 분석Experimental Example 2. Analysis of electrochemical properties

실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유리탄소전극의 전기화학적 특성 평가는 패러데이 상자(Faraday cage)에 놓인 3-전극 셀을 갖는 CHI617B 일정전위기(CH Instruments, Austin, TX)를 사용하여 수행되었다.Evaluation of the electrochemical properties of the glass carbon electrodes according to Examples 1 to 4 was performed using a CHI617B constant potential (CH Instruments, Austin, TX) with a three-electrode cell placed in a Faraday cage.

3-전극 셀을 구성하는 작업전극, 상대전극 및 기준전극으로 각각 GCE(직경: 2 mm), 백금 와이어(직경: 0.5 mm) 및 Ag/AgCl(3 M KCl)을 사용하였다.GCE (diameter: 2 mm), platinum wire (diameter: 0.5 mm) and Ag/AgCl (3 M KCl) were used as the working electrode, counter electrode and reference electrode constituting the 3-electrode cell, respectively.

작업전극을 사용하기 전에, 미세 헝겊 패드(BBuehler, Lake Bluff, IL) 상에서 알루미나(0.05 ㎛) 페이스트로 연마했다.Before using the working electrode, it was polished with alumina (0.05 μm) paste on a fine cloth pad (BBuehler, Lake Bluff, IL).

구체적으로, Cys와 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유리탄소전극의 전기화학 반응을 측정한 후, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 활성을 비교하였다.Specifically, after measuring the electrochemical reaction of Cys and the glass carbon electrodes according to Examples 1 to 4, the activity of nanoparticles according to Production Examples 1 to 4 was compared.

0.7 V에서의 전류값은 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자의 활성을 비교하기 위해 선택되었다.The current value at 0.7 V was selected to compare the activity of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4.

1. 수성상(aqueous phase)에서의 전기화학적 산화환원반응 평가1. Evaluation of the electrochemical oxidation-reduction reaction in the aqueous phase

10 mM Cys을 함유하는 PBS 용액에 365 nm 파장 UV 광선을 조사하여 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유리탄소전극의 CV 곡선을 얻었다.The CV curve of the glass carbon electrodes according to Examples 1 to 4 was obtained by irradiating 365 nm wavelength UV light to a PBS solution containing 10 mM Cys.

도 3을 참조하면, 순수한 유리탄소전극은(대조군), 본질적으로 느린 Cys의 전기화학적 산화 때문에 느린(sluggish) 산화 전류가 관찰되었다.Referring to FIG. 3, a pure glass carbon electrode (control), a sluggish oxidation current was observed due to the electrochemical oxidation of Cys, which is essentially slow.

Cys의 전기화학적 산화와 관련된 전류를 증가시키기 위해, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자-나피온 혼합물로 개질된 유리탄소전극(실시예 1 내지 실시예 4)을 이용하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to increase the current associated with the electrochemical oxidation of Cys, a glass carbon electrode (Examples 1 to 4) modified with a nanoparticle-nafion mixture according to Preparation Examples 1 to 4 was used, and the results were obtained. It is shown in FIG. 4.

구체적으로, 실시예 1 및 2에 따른 유리탄소전극를 사용하면, Cys의 산화와 관련된 전류가 각각 14.2(± 1.7) μA 및 10.5(± 1.6) μA 로 측정되었고, 이는 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자-나피온 혼합물로 개질되지 않은 유리탄소전극(대조군, 전류: 2.0 μA)에 비해 7.1배 및 5.2배 증가하였다(도 4e 참조).Specifically, when the glass carbon electrodes according to Examples 1 and 2 were used, the currents associated with oxidation of Cys were measured to be 14.2 (± 1.7) μA and 10.5 (± 1.6) μA, respectively, which was Preparation Example 1 (Cr-doped ATO nanoparticles) and a nanocarbon-nafion mixture according to Preparation Example 2 (Mn-doped ATO nanoparticles) increased 7.1-fold and 5.2-fold compared to an unmodified glass carbon electrode (control, current: 2.0 μA). 4e).

또한, 실시예 3 및 4에 따른 유리탄소전극을 사용했을 때의 전류는 각각 3.4(± 1.1) μA 및 3.1(± 0.6) μA로 측정되었고, 이는 제조예 3(Fe가 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 4(Co가 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자-나피온 혼합물로 개질되지 않은 유리탄소전극(대조군, 전류: 2.0 μA)에 비해 1.7배 및 1.5배 증가하였다.In addition, the current when using the glass carbon electrodes according to Examples 3 and 4 was measured to be 3.4 (± 1.1) μA and 3.1 (± 0.6) μA, respectively, which is Preparation Example 3 (Fe-doped ATO nanoparticles). And a glass carbon electrode (control, current: 2.0 μA), which was not modified with the nanoparticle-nafion mixture according to Preparation Example 4 (Co-doped ATO nanoparticles), and increased 1.7-fold and 1.5-fold.

이러한 결과는, 도핑된 금속을 소량(5 mol%) 사용하더라도 Cys의 산화 반응을 촉진할 수 있고, 특히 실시예 1 및 2에 따라 도펀트로 Cr 및 Mn을 사용하였을 때 전기화학적 산화 전류가 크게 증가하는 것을 확인하였다.These results can promote the oxidation reaction of Cys even when a small amount (5 mol%) of doped metal is used, and the electrochemical oxidation current is greatly increased, especially when Cr and Mn are used as dopants according to Examples 1 and 2. Was confirmed.

2. Cys의 광촉매 산화 특성 평가2. Cys photocatalytic oxidation evaluation

실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유리탄소전극에서 실제 사용된 산소량 및 365 nm 파장의 UV 광에 Cys(180 ℓ)을 노출시킨 결과로부터 표면-민감성 S 2p 핵심 수준 HRPES 스펙트럼을 얻었다(도 5a 내지 도 5d 참조).The surface-sensitive S 2p core level HRPES spectrum was obtained from the results of exposing Cys (180 ℓ) to UV light having a wavelength of 365 nm and oxygen actually used in the glass carbon electrodes according to Examples 1 to 4 (FIG. 5A to 5d).

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, h 161.5 eV, 162.9 eV 및 168.6 eV에서 별개의 2p3/2 피크가 관찰되었고, 이는 티올기(-SH, S1로 표시됨), 결합 상태 (S2로 표시됨), 및 술폰산기(SO3H, S3으로 표시됨)에 상응하였다.5A to 5D, distinct 2p 3/2 peaks were observed at h 161.5 eV, 162.9 eV and 168.6 eV, which are thiol groups (denoted by -SH, S1), binding status (denoted by S2), And sulfonic acid groups (SO 3 H, indicated by S3).

술폰산은 티올기의 산화 생성물로 나타났기 때문에, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자 각각에 대해 S1의 강도 대 S3의 강도의 비를 측정함으로써 Cys의 산화를 모니터링하였다.Since sulfonic acid appeared as an oxidation product of the thiol group, the oxidation of Cys was monitored by measuring the ratio of the intensity of S1 to the intensity of S3 for each of the nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4.

상기 측정 결과를 통해, 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자가 효과적인 촉매임을 확인하였다(도 5a 내지 도 5d 참조).Through the measurement results, it was confirmed that the nanoparticles according to Production Example 1 (Cr-doped ATO nanoparticles) and Production Example 2 (Mn-doped ATO nanoparticles) are effective catalysts (see FIGS. 5A to 5D ).

5 mol%의 도펀트 농도에 대해 S3 대 S1의 비율을 결정함으로써 전이금속 도핑이 촉매 성능에 미치는 영향을 확인하였다(도 5e 참조).The effect of transition metal doping on the catalytic performance was confirmed by determining the ratio of S3 to S1 for a 5 mol% dopant concentration (see FIG. 5E).

특히, 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자는 광촉매 활성이 명백하게 향상되었고, 상기 결과는 EC 결과와 밀접한 상관관계가 있다.In particular, the nanoparticles according to Preparation Example 1 (ATO nanoparticles doped with Cr) and Preparation Example 2 (ATO nanoparticles doped with Mn) clearly improved photocatalytic activity, and the results closely correlate with EC results. .

다양한 전이금속 도핑 농도에서, 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자에 대한 촉매 활성의 추세를 명확히 하기 위해 일산화탄소(CO)를 이산화탄소(CO2)로 전환하는 촉매 활성 표준 테스트를 수행했다(도 6 참조).At various transition metal doping concentrations, a catalytic activity standard test for converting carbon monoxide (CO) to carbon dioxide (CO 2 ) was performed to clarify the trend of catalytic activity for nanoparticles according to Preparation Examples 1 to 4 (FIG. 6).

양이온 모드에서 작동하는 Hiden RC 301(질량 범위 약 300amu) 시스템으로, 초고진공 조건에서, 일산화탄소(CO), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2) 가스 강도를 탐지하여 질량 분석(Mass spectrometry)을 수행하였다.Hiden RC 301 (mass range approx. 300 amu) system operating in cationic mode, mass spectrometry by detecting carbon monoxide (CO), oxygen (O 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) gas intensities under ultra-high vacuum conditions Was performed.

구체적으로, UV 조사 하에서 300K 내지 450K 범위의 다양한 기판 온도에 대해 질량 분광법을 사용하여 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유리탄소전극을 통해 일산화탄소(CO)에서 이산화탄소(CO2)로의 산화를 모니터링하였다.Specifically, oxidation of carbon monoxide (CO) to carbon dioxide (CO 2 ) was monitored through a glass carbon electrode according to Examples 1 to 4 using mass spectrometry for various substrate temperatures ranging from 300K to 450K under UV irradiation. .

구체적으로, 300K에서, 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유리탄소전극에 일산화탄소(CO)와 산소(O2)를 30분 동안 노출시킨 후(15회 스캔), 일산화탄소(CO)에서 이산화탄소(CO2)로의 전환율을 평가하였다(도 6a 내지 도 6d 참조).Specifically, at 300 K, carbon monoxide (CO) and oxygen (O 2 ) were exposed to the glass carbon electrodes according to Examples 1 to 4 for 30 minutes (15 scans), followed by carbon dioxide (CO) in carbon monoxide (CO). The conversion to 2 ) was evaluated (see FIGS. 6A-6D ).

도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 일산화탄소(CO)에서 이산화탄소(CO2)로의 전환율은 예상대로 실시예 1 및 2에 따른 유리탄소전극에서 더 크게 나타났다.6A to 6D, the conversion rate of carbon monoxide (CO) to carbon dioxide (CO 2 ) was higher in the glass carbon electrodes according to Examples 1 and 2 as expected.

전자 구조 및 제조예 1 내지 제조예 4에 따른 나노입자에 대한 촉매 산화 반응의 특성화를 통해, 수용액에서의 Cys의 전기화학적 산화 속도와 초고진공 조건에서의 촉매 산화 속도는 같은 경향을 보였음을 확인하였다.Through characterization of the catalytic oxidation reaction for the nanoparticles according to the electronic structure and Preparation Examples 1 to 4, it was confirmed that the electrochemical oxidation rate of Cys in aqueous solution and the catalytic oxidation rate in ultra-high vacuum conditions showed the same tendency. .

특히, 용액에서의 Cys의 전기화학적 산화 속도와 초고진공 조건 모두에서 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자는 높은 촉매 활성을 보였다.In particular, nanoparticles according to Preparation Example 1 (Cr-doped ATO nanoparticles) and Preparation Example 2 (Mn-doped ATO nanoparticles) under both high electrochemical oxidation rate and ultra-high vacuum conditions in solution have high catalytic activity. Showed.

수성 및 UHV 조건이 측정 조건이 매우 상이 함에도 불구하고 상기와 같이 동일한 경향이 나타났다.Although the aqueous and UHV conditions showed very different measurement conditions, the same tendency was shown as above.

상기 결과는 도핑된 금속의 종류가 상이 하더라도 ATO 나노입자의 촉매 활성은 환경 조건과 무관함을 시사한다.The above result shows that even if the doped metal is different, ATO The catalytic activity of nanoparticles suggests that they are independent of environmental conditions.

또한, O K-edge XAS 영역에 따르면, 제조예 3(Fe가 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 4(Co가 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자와 비교하였을 때, 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자) 및 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자에 더 낮은 혼성 산소 상태(533 eV)의 비율이 높게 나타난다는 것이다(도 2 참조).In addition, according to the O K-edge XAS region, compared with the nanoparticles according to Preparation Example 3 (Fe-doped ATO nanoparticles) and Preparation Example 4 (Co-doped ATO nanoparticles), Preparation Example 1 (Cr The doped ATO nanoparticles) and the nanoparticles according to Preparation Example 2 (Mn-doped ATO nanoparticles) show a higher proportion of lower hybrid oxygen state (533 eV) (see FIG. 2).

도핑된 전이금속은, 3d 오비탈에서 비어있는 O 2p 상태로의 전이되고, 이는 ATO 나노입자로부터 산소 원자의 제거를 용이하게 할 수 있고, Cys의 촉매 산화를 촉진시킬 수 있다.The doped transition metal transitions from the 3d orbital to the empty O 2p state, which can facilitate the removal of oxygen atoms from ATO nanoparticles and promote catalytic oxidation of Cys.

전이금속 도핑량의 증가에 의한 HRPES 데이터에 따르면(도 7 내지 도 10 참조), O 1s 스펙트럼에서 531.9 eV가 존재하며, 이는 산소 결핍 사이트로 할당되며, 오로지 제조예 1(Cr이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자(도 7 참조)와 제조예 2(Mn이 도핑된 ATO 나노입자)에 따른 나노입자(도 8 참조)만이 가전자대 영역에서 추가적인 상태를 나타내었다.According to the HRPES data due to the increase in the amount of doping of the transition metal (see FIGS. 7 to 10), 531.9 eV exists in the O 1s spectrum, which is assigned as an oxygen deficient site, and is exclusively prepared in Preparation Example 1 (Cr-doped ATO nano Only the nanoparticles (see FIG. 7) according to the particles) and the nanoparticles (see FIG. 8) according to Preparation Example 2 (ATO nanoparticles doped with Mn) exhibited additional states in the valence band region.

그러나, 새로운 상태와 촉매 성능 사이에는 관계가 없으므로, 반응은 정공 전달에 의해 일어나지 않았다.However, since there is no relationship between the new state and catalyst performance, the reaction was not caused by hole transport.

결합 부위 및 반응성 전하의 합리적인 해석은 고온 전자가 산소 결핍 사이트 (전자 트랩 사이트)로 전달되어 광 및 전기 화학적 활성을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.Rational analysis of the binding sites and reactive charges confirmed that high temperature electrons could be delivered to the oxygen depletion site (electron trap site) to improve photo and electrochemical activity.

Claims (9)

전이금속; 및
안티몬-주석 산화물(AT0)을 포함하고,
전이금속은 안티몬-주석 산화물 표면에 도핑된 것인 나노입자와 고체 전해질의 혼합물을 포함하는 전극.
Transition metals; And
Antimony-tin oxide (AT0),
The transition metal is an electrode containing a mixture of nanoparticles and a solid electrolyte that is doped on an antimony-tin oxide surface.
제 1 항에 있어서,
전이금속은,
크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 코발트(Co) 중 어느 하나인 것인 전극.
According to claim 1,
Transition metal,
An electrode that is any one of chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), and cobalt (Co).
제 1 항에 있어서,
나노입자는,
안티몬-주석 산화물 100 중량부 기준으로 전이금속 0.33 내지 3.76 중량부를 포함하는 것인 전극.
According to claim 1,
Nanoparticles,
An electrode comprising 0.33 to 3.76 parts by weight of transition metal based on 100 parts by weight of antimony-tin oxide.
제 1 항에 있어서,
나노입자는,
평균 직경이 15 nm 이하인 것인 전극.
According to claim 1,
Nanoparticles,
An electrode having an average diameter of 15 nm or less.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
고체 전해질은 나피온인 것인 전극.
According to claim 1,
The solid electrolyte is Nafion.
제 1 항에 따른 전극을 포함하는 센서.
A sensor comprising the electrode according to claim 1.
제 7 항에 있어서,
생체 물질 감지용인 것인 센서.
The method of claim 7,
A sensor intended for biomaterial detection.
제 8 항에 있어서,
생체 물질은 시스테인(L-cysteine), 도파민(Dopamine) 및 글루코스(Glucose) 중 어느 하나인 것인 센서.
The method of claim 8,
The biological material is any one of cysteine (L-cysteine), dopamine (Dopamine) and glucose (Glucose).
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