KR102273538B1 - 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법 - Google Patents

바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본원은 바이오매스를 용매에 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 바이오매스 추출물을 수득하는 단계, 상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계, 및 상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체를 혼합하는 단계를 포함하는 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING METAL NANOPARTICLE MATERIALS USING BIOMASS}
본원은 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
바이오매스(biomass, 생물연료)는 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체와 이들을 식량으로 하는 동물, 미생물 등의 생물유기체를 총칭하며, 화학적 에너지로 이용되는 생물을 가리킨다.
금속 나노입자는 입자 크기의 분포가 균일하고, 표면의 개질이 쉬우며, 우수한 안정성을 나타내는 등의 구체적이고 특별한 특징 덕분에 다양한 과학 분야 특히, 바이오, 광학, 및 배터리 분야에서 많은 관심을 받고 있다.
일반적으로 금속 나노입자의 제조에는 화학적 합성방법, 물리적 제조 방법 등이 이용되고 있으며, 화학적 합성방법은 비교적 공정이 간단하나 비용이 많이 들고 시약의 독성 등이 문제시 되고 있다. 또한, 물리적 방법은 나노입자의 크기를 제어하기 어렵고, 고가의 제조 설비가 요구되는 등의 문제점 때문에 효과적인 금속 나노입자의 제조가 어렵다는 단점이 있다.
이러한 이유로, 최근 박테리아 또는 균주에 의한 제조 방법이나, 천연 추출물을 유효성분으로 포함하는 친환경적인 금속 나노입자의 제조 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 종래 박테리아 또는 균주에 의해 금속 나노입자를 합성하는 방법은 짧게는 하루에서 길게는 며칠까지 합성을 위한 긴 시간이 필요하고, 합성된 나노입자의 안정화를 위해 부가적인 환원제 또는 안정화제와 같은 핑제(capping agent)가 필요하다는 단점이 존재하였다. 이에, 여전히 친환경적이면서 동시에 안정하고, 화학적 또는 물리적인 합성방법과 비교할 때 제조시간의 한계를 극복한 금속 나노입자에 대한 개발은 계속 요구되고 있는 실정이다.
또한, 금속 나노입자의 특성을 활용하기 위해서는 나노입자 크기를 제어할 필요가 있다. 하지만, 입자 성장 시 일반적으로 사용하는 연소(combustion) 또는 고체상 반응(solid state reaction) 방법은 입자의 크기를 제어하기 어려운 문제가 있을 뿐만 아니라, 금속 나노입자가 성장한 이후에도 대기 중에서의 낮은 안정성으로 인해 표면이 산화되는 등 실제 산업에 이용하기에는 많은 문제점이 있는 실정이다. 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 크기가 균일하고 안정성이 향상된 금속 나노입자 제조 방법의 개발이 요구된다.
본원의 배경이 되는 기술인 한국 등록특허공보 제 10-1958625 호는 목재 열수 추출물을 이용한 전이금속 나노입자의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 전이금속 나노입자에 관한 것이다. 구체적으로는, 상기 특허는 목재 열수 추출물을 획득하는 단계, 상기 목재 열수 추출물 및 전이금속염을 포함하는 전이금속 나노입자 전구체 수용액을 제공하는 단계, 및 상기 전이금속 나노입자 전구체 수용액에 가시광선을 조사하는 단계를 포함하는 전이금속 나노입자의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 전이금속 나노입자에 관한 것이다. 그러나, 펙틴(pectin)에 의해 코팅되어 크기가 조절된 금속 나노입자 소재 및 이의 제조 방법에 대해서는 언급하지 않고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 상기 제조 방법에 의해 제조된 금속 나노입자 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 바이오매스를 용매에 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 바이오매스 추출물을 수득하는 단계, 상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계, 및 상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체를 혼합하는 단계를 포함하는 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 실험예에 따르면, 상기 바이오매스는 병아리콩(Green bean) 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용매는 증류수, 에탄올, 메탄올 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스 추출물을 수득하는 단계는 15℃ 내지 40℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계는 여과지 또는 원심분리기를 사용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 나노 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 전구체는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Al(알루미늄), Cu(구리), Mn(망간), Na(나트륨), K(칼륨), Ru(루테늄), Au(금), Pt(백금), Sn(주석), Pd(팔라듐), Zn(아연), Ti(타이타늄), Ir(이리듐), Ce(세륨), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 전구체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체는 암모니아 수용액, 수산화칼륨, 탄산암모늄, 탄산수소암모늄, 수산화나트륨 수용액, 탄산나트륨 및 암모니아 수용액 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매 상에서 혼합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합은 15℃ 내지 200℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 나노 스케일의 금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 전구체는 코발트(Co), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 전구체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합은 15℃ 내지 60℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조된 금속 나노입자 소재를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 5 nm 내지 20 nm 의 직경을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅되어 상기 금속 나노입자 소재의 크기가 조절된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법을 이용하면, 빠른 시간 내에 별도의 환원제 또는 안정제의 부가 없이도 크기가 균일한 금속 나노입자를 제조할 수 있다.
또한, 바이오매스를 활용한 제조 방법은 공정이 단순하여 경제성이 우수하고, 친환경적 방법으로 제조되어 생체친화적 특성을 가지므로 바이오/메디컬 분야의 산업에 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 상기 방법에 의해 제조된 금속 나노입자 소재는 펙틴(pectin)이 표면에 코팅되어 크기가 조절됨으로써 배터리/에너지 분야의 소재 및 전기화학반응을 위한 촉매 등 다양한 분야에 유용하게 활용될 수 있다.
또한, 종래의 나노입자 소재는 대기 중에 노출 시 표면 산화 등의 문제로 장기간 사용이 어려웠으나, 상기 방법에 의해 제조된 금속 나노입자 소재는 펙틴(pectin)이 표면에 코팅됨으로써 안정성이 향상될 수 있다.
또한, 펙틴에 의해 표면이 코팅된 나노입자는 후처리 공정, 예를 들어, 열처리 및 화학적 반응을 통해 펙틴을 카본화할 수 있어 촉매 등으로 활용될 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 단계별 모식도이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 소재를 FT-IR 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 과정의 모식도이다.
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 소재를 SEM 을 사용하여 촬영한 이미지이다.
도 6 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 금속 나노입자 소재의 생체친화적 특성을 나타낸 이미지이다.
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 소재의 자기장(magnetic field)에 의해서 발생되는 열을 나타낸 그래프이다.
도 8 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 금속 나노입자 소재의 산소환원반응 시 특성을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 단계별 모식도이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 바이오매스를 용매에 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 바이오매스 추출물을 수득하는 단계, 상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계, 및 상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체를 혼합하는 단계를 포함하는 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법을 제공한다.
본원에서 제공하는 금속 나노입자의 제조 방법은 천연 추출물인 바이오매스 추출물을 이용하기 때문에 종래의 화학적 합성방법 및 물리적 합성방법에 비해 친환경적이고, 제조시간을 현저히 단축시킬 수 있다. 동시에 별도의 환원제 또는 안정제 없이 나노입자의 크기 조절이 가능하고, 안정성이 향상된 금속 나노입자를 제조할 수 있으므로, 다양한 산업 분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
상기 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재를 제조하기 위해, 먼저 바이오매스를 용매에 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 바이오매스 추출물을 수득하는 단계를 수행한다 (S100).
바이오매스(biomass, 생물연료)는 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 식물체와 이들을 식량으로 하는 동물, 미생물 등의 생물유기체를 총칭하며, 화학적 에너지로 이용되는 생물을 가리킨다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스는 병아리콩(Green bean) 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 용매는 증류수, 에탄올, 메탄올 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 추출물을 수득하는 방법으로는 여과법, 열수추출, 침지추출, 환류냉각추출 및 초음파추출 등 당업계의 통상적인 방법을 이용할 수 있다. 상기 추출용매는 건조된 병아리콩(Green bean)를, 예를 들어, 약 200 ml의 용매에 약 1 mg 내지 약 100 mg 첨가할 수 있으며, 예를 들어, 약 1 mg 내지 약 50 mg 첨가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스 추출물을 수득하는 단계는 약 15℃ 내지 약 40℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 추출시간은 구체적으로 약 12 시간일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이어서, 상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계를 수행한다 (S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계는 여과지 또는 원심분리기를 사용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 여과지는 마이크로 스케일의 다공성 필터를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
펙틴(pectin)은 D-갈락튜론산 단위의 α-1,4 결합으로 구성된 식물계에 널리 분포되어 있는 물질로, 인접한 세포들의 세포벽이 떨어지지 않고 붙어 있도록 도와주는 얇은 막의 주성분이다. 네트워크의 집적과 붕괴를 막는 친수성 충전재로 작용하며 세포벽의 고분자에 대한 다공성을 결정하는 역할을 담당한다.
금속 나노입자는 금속으로 이루어진, 크기가 1 nm 내지 100 nm 인 초미세 입자로, 작은 크기에 기인하는 특이하고도 다양한 성질을 보이는 입자를 의미한다. 금속 나노입자는 제조 방법에 따라 서로 다른 생리활성을 가질 수 있으며, 금속 나노입자의 특성을 활용하기 위해서는 나노입자 크기를 제어할 필요가 있다.
본원의 상기 병아리콩(Green bean) 추출물의 펙틴(pectin)은 곧은 사슬모양 중합체(linear chain polymer) 구조를 가지고, 상기 금속 나노입자 소재 성장 시 입자 표면이 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅됨으로써 상기 금속 나노입자 소재의 크기가 조절되고, 금속 나노입자의 불안정한 표면을 안정화 시킬 수 있는 장점이 있다.
이어서, 상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체를 혼합하는 단계를 수행한다 (S300).
금속 나노입자 전구체는 금속 나노입자를 제조하기 위하여 첨가하는 화합물을 의미한다. 구체적으로, 금속 나노입자 전구체로는 제조하고자 하는 나노입자의 금속 종류에 따라 다양한 종류의 화합물을 선택하여 사용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 나노 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 전구체는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Al(알루미늄), Cu(구리), Mn(망간), Na(나트륨), K(칼륨), Ru(루테늄), Au(금), Pt(백금), Sn(주석), Pd(팔라듐), Zn(아연), Ti(타이타늄), Ir(이리듐), Ce(세륨), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 전구체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 금속의 산화물 전구체는 FeCl3-6H2O 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체는 암모니아 수용액, 수산화칼륨, 탄산암모늄, 탄산수소암모늄, 수산화나트륨 수용액, 탄산나트륨 및 암모니아 수용액 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매 상에서 혼합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 암모니아 수용액 상에서 혼합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 암모니아 수용액으로는 암모니아 함량이 약 25 중량% 내지 약 45 중량%, 구체적으로, 암모니아 함량이 약 35 중량% 인 암모니아 수용액을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합은 약 15℃ 내지 약 200℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 혼합은 약 180℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제조 방법에서 상기 혼합 시간은 나노 금속 산화물을 제조할 수 있는 한 이에 제한되지 않으나, 약 1 시간 내지 약 6 시간일 수 있다.
또한, 본원의 제조 방법에서 상기 금속의 산화물 전구체의 농도는 나노 금속 산화물을 제조할 수 있는 한 이에 제한되지 않으나, 약 0.01 M 내지 약 1 M 일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 나노 스케일의 금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)는 금속 이온이나 금속을 포함한 뭉치가 유기 리간드로 연결된 다공성 물질로 배위 고분자의 일종이다. 3차원 구조를 형성함으로써 생긴 빈 공간(기공)을 매개로 하여 수소를 생성 또는 물 및 전기 에너지를 생성하는 반응의 촉매, 약물전달체, 화학센서 등으로 사용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 전구체는 코발트(Co), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 전구체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게는, 상기 금속의 전구체는 코발트 전구체(Co(NO3)2) 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합은 약 15℃ 내지 약 60℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제조 방법에서 상기 혼합 시간은 금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)를 제조할 수 있는 한 이에 제한되지 않으나, 약 3 시간 내지 약 14 시간일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제조 방법에서 상기 금속의 전구체의 농도는 금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)를 제조할 수 있는 한 이에 제한되지 않으나, 약 10 mM 내지 약 600 mM 일 수 있다.
본원의 제조 방법은 상기 반응이 종료된 후, 반응물을 여과지 또는 원심분리기를 통해 분리하여 금속 나노입자 소재를 회수하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 방법에 의해 제조된 금속 나노입자 소재를 제공한다.
본원의 제 2 측면의 상기 금속 나노입자 소재에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 약 5 nm 내지 약 20 nm 의 직경을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자 소재는 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅되어 상기 금속 나노입자 소재의 크기가 조절된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1-1] 바이오매스를 활용한 나노 금속 산화물의 제조
병아리콩(Green bean)을 상온에서 증류수에 12 시간 동안 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 병아리콩(Green bean) 추출물을 수득하였다.
이어서, 상기 병아리콩(Green bean) 추출물을 마이크로 스케일의 다공성 필터를 사용하여 여과하여 불순물을 제거하였다.
이어서, 상기 여과된 병아리콩(Green bean) 추출물 100 ml 에 0.1 M FeCl3-6H2O 및 4 ml 의 35% 암모니아 수용액을 넣고, 180℃ 의 온도에서 3 시간 동안 반응시키고, 자연 냉각시켜 나노 금속 산화물을 제조하였다.
[실시예 1-2] 바이오매스를 활용한 나노 스케일의 금속유기골격체(metal organic framework, MOF)의 제조
병아리콩(Green bean)을 상온에서 증류수에 12 시간 동안 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 병아리콩(Green bean) 추출물을 수득하였다.
이어서, 상기 병아리콩(Green bean) 추출물을 마이크로 스케일의 다공성 필터를 사용하여 여과하여 불순물을 제거하였다.
이어서, 상기 여과된 병아리콩(Green bean) 추출물에 40 mM 코발트 전구체(Co(NO3)2) 및 120 mM 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole)을 넣고, 상온의 온도에서 12 시간 동안 반응시켜 나노 스케일의 금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)를 제조하였다.
[실험예 1]
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 소재를 FT-IR 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 이를 통하여, 바이오매스 추출물에 포함된 펙틴(pectin)은 금속 나노입자의 합성 및 환원에 중요한 역할을 수행함을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
도 5 는 본원의 일 실시예에 따른 금속 나노입자(Fe2O3) 소재를 SEM 을 사용하여 촬영한 이미지이다. 이를 통하여, 제조된 금속 나노입자 소재의 표면이 펙틴(pectin)에 의해 코팅됨에 따라 입자 크기가 조절됨을 확인할 수 있었다. 또한, 코발트 이온과 이미다졸 링커(imidazole linker)로 구성된 ZIF-67 소재 합성 시, 펙틴(pectin) 추출물을 활용할 경우 합성된 ZIF-67 의 직경은 약 100 nm 에서 약 10 nm 크기로 입자 크기가 조절됨을 확인할 수 있었다.
[실험예 3]
도 6 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 금속 나노입자 소재의 생체친화적 특성을 나타낸 이미지이다.
Sample A 는 펙틴이 코팅되지 않은 금속 나노입자(Fe2O3)를 나타내고, Sample C 는 본원의 실시예에 따른 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 금속 나노입자 소재 (Fe2O3)를 나타내고, Solvent 는 증류수를 나타낸다.
디스크 확산 어세이(disc diffusion assay)를 활용하여 생체친화성을 확인하였다. 생체친화성 분석을 위해 사용된 박테리아는 staphylococces aureus 와 pseudomonas aeruginosa 을 사용하였다.
도 6 을 통해 본원의 실시예에 따른 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 금속 나노입자 소재가 비교예보다 우수한 항균 활성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 4]
도 7 은 본원의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 소재의 자기장(magnetic field)에 의해서 발생되는 열을 나타낸 그래프이다.
자기성 고열증 치료법은 인체내의 암과 같은 악성 조직세포 근처에 자성소재를 주입하여, 자기장에 의해서 발열 반응을 유도해 치료하는 방법으로 인체에 적용할 수 있는 온도로의 제어를 위해서는 결정크기를 제어하는 것이 매우 중요하다.
외부 자성에 의해 발열은 넬 완화(Neel relaxation)와 브라운 완화(Brownian relaxation) 메커니즘을 갖는다. 펙틴에 의해 나노크기로 제어된 나노입자는 넬 완화(Neel relaxation)의 메커니즘에 의해 발열의 상승 속도가 작아, 20 nm 이상의 큰 결정보다 외부자기장에 의한 온도제어가 수월한 것을 확인할 수 있었다.
도 7 을 통해 본원의 실시예에 따른 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 금속 나노입자 소재는 인체에 적합한 온도범위로 제어 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이는, 본원의 금속 나노입자 소재가 메디컬 분야에서 응용 될 수 있음을 시사하는 것이다.
[실험예 5]
도 8 은 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 금속 나노입자 소재의 산소환원반응(oxygen reduction reaction, ORR) 시 특성을 나타낸 그래프이다.
산소환원반응은 배터리 소재의 촉매 활성을 나타내는 중요한 특성이다.
도 8 을 통해 본원의 실시예에 따른 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 금속 나노입자 소재가 비교예보다 높은 촉매 활성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 본원의 금속 나노입자 소재가 촉매로서 유용하게 사용될 수 있음을 시사하는 것이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 바이오매스를 용매에 함침시켜 펙틴(pectin)을 포함하는 바이오매스 추출물을 수득하는 단계;
    상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계; 및
    상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체를 혼합하여 금속 나노입자 소재를 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 바이오매스는 병아리콩(Green bean)인 것이고,
    상기 금속 나노입자 소재는 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅된 것이고,
    상기 금속 나노입자 소재는 나노 스케일의 금속유기골격체 (metal organic framework, MOF)를 포함하는 것인,
    바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는 증류수, 에탄올, 메탄올 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오매스 추출물을 수득하는 단계는 15℃ 내지 40℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오매스 추출물을 여과하는 단계는 여과지 또는 원심분리기를 사용하여 수행되는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 소재는 나노 금속 산화물을 포함하는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 전구체는 Fe(철), Co(코발트), Ni(니켈), Al(알루미늄), Cu(구리), Mn(망간), Na(나트륨), K(칼륨), Ru(루테늄), Au(금), Pt(백금), Sn(주석), Pd(팔라듐), Zn(아연), Ti(타이타늄), Ir(이리듐), Ce(세륨), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 산화물 전구체를 포함하는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 여과된 바이오매스 추출물 및 금속 나노입자 전구체는 암모니아 수용액, 수산화칼륨, 탄산암모늄, 탄산수소암모늄, 수산화나트륨 수용액, 탄산나트륨 및 암모니아 수용액 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매 상에서 혼합되는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 혼합은 15℃ 내지 200℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 전구체는 코발트(Co), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 아연(Zn), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속의 전구체를 포함하는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합은 15℃ 내지 60℃ 의 온도 범위에서 수행되는 것인, 바이오매스를 활용한 금속 나노입자 소재의 제조 방법.
  14. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 5 항, 제 7 항 내지 제 10 항, 제 12 항 및 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된, 금속 나노입자 소재.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 소재는 5 nm 내지 20 nm 의 직경을 가지는 것인, 금속 나노입자 소재.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자 소재는 상기 펙틴(pectin)에 의해 코팅되어 상기 금속 나노입자 소재의 크기가 조절된 것인, 금속 나노입자 소재.

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