KR102360970B1 - Nanocatalosomes as plasmonic bilayer-shells with interlayer catalytic hot nanospaces and the manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 개시는 내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘을 준비하는 단계; 상기 다공성 아민 실리카 나노쉘에 금속 염화물을 처리하여 다공성 아민 실리카 나노쉘의 내부 표면 및 외부 표면에 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계; 상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe (TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 염화물 및 환원제를 처리하여 상기 탄닌산-Fe 배위 고분자층이 코팅된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 포함된 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계; 를 포함하는 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법 및 이로부터 제조된 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀에 관한 것이다.The present disclosure includes the steps of preparing a spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior; introducing metal nanoparticle seeds to the inner and outer surfaces of the porous amine silica nanoshell by treating the porous amine silica nanoshell with a metal chloride; coating a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seeds are introduced; and treating the metal chloride and the reducing agent to grow the metal nanoparticle seeds contained in the porous amine silica nanoshell coated with the tannic acid-Fe coordination polymer layer; It relates to a method for manufacturing a metal double-layered nano-catalosome comprising a, and to a metal double-layered nano-catalosome prepared therefrom.

Description

촉매 나노 공간을 가진 플라즈몬 이중층 구조의 나노 카탈로좀 및 이의 제조방법 {Nanocatalosomes as plasmonic bilayer-shells with interlayer catalytic hot nanospaces and the manufacturing method thereof}Nanocatalosomes having a plasmonic bilayer structure having a catalytic nanospace and a manufacturing method thereof

본 개시는 촉매 나노 공간을 가지는 플라즈몬 이중층 구조의 나노 카탈로좀 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 개시는 태양광 유도 반응에 사용될 수 있는 촉매 나노 공간을 가지는 플라즈몬 이중층 구조의 나노 카탈로좀 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a nano-catalosome having a plasmonic double layer structure having a catalyst nanospace and a method for preparing the same. Specifically, the present disclosure relates to a plasmonic double-layered nano-catalosome having a catalyst nanospace that can be used for a solar-induced reaction and a method for preparing the same.

전례 없는 기능과 범용성을 가지는 지속 가능한 연료로서 태양광을 활용하기 위하여 수 나노 규모로 자연과 유사한 복합성을 가지는 촉매를 설계하고 합성하는 것은 업계에서 과제로 남아 있다. Designing and synthesizing catalysts with complexity similar to nature on the nanoscale scale to utilize sunlight as a sustainable fuel with unprecedented functionality and versatility remains a challenge in the industry.

또한, 이중층 막-기반의 속 빈 구조들은 세포 소포체, 엑소좀, 카르복시좀, 액포, 캡시드 그리고 다양한 세포기관의 구조이다. 이는 막-결합된 효소 및 구획화 기질의 활성화로 형성된 폴리펩티드 서브-나노미터(nm)의 한정된 공간을 통하여 주요한 pH, 이온/분자 채널 및 농도를 유지시킬 뿐만 아니라 생체 촉매 기능을 부여하기도 한다. In addition, bilayer membrane-based hollow structures are the structures of cell endoplasmic reticulum, exosomes, carboxysomes, vacuoles, capsids and various organelles. It not only maintains key pH, ion/molecular channels and concentrations through the confined space of the polypeptide sub-nanometer (nm) formed by the activation of membrane-bound enzymes and compartmentalization substrates, but also confer biocatalytic functions.

합성 영역에서 수 nm 규모로 자연 시스템의 복잡한 형태학적 특징을 흉내 내고 기능적으로 다양하며 열역학적 및 산업적으로 유용한 화학 반응들을 수행할 수 있으면서, 지속 가능한 자연 태양광을 이용함으로써 기존의 화석 연료 기반 에너지 집약적 열 조건을 극복할 수 있는 생태 모방의 차세대 촉매를 설계하고 합성하는 것이 필요한 실정이다.In the synthetic domain, it can mimic the complex morphological features of natural systems on the scale of several nm, perform functionally diverse thermodynamic and industrially useful chemical reactions, and utilize sustainable natural sunlight to generate energy-intensive heat from conventional fossil fuels. It is necessary to design and synthesize a next-generation catalyst for ecological mimicry that can overcome the conditions.

이에, 금속 기반의 속 빈 구조들은 높은 표면적, 저밀도 및 한정된 양자 효과에서 나오는 독특한 광학적, 화학적 및 화합물 로딩 특성들로 인해 큰 관심을 받고 있다.Therefore, metal-based hollow structures are of great interest due to their high surface area, low density, and unique optical, chemical and compound loading properties resulting from limited quantum effects.

지금까지, 이러한 미세화 된 나노 구조에서, 내부(동공)/외부 표면 또는 인터 쉘 갭(intershell gap)들은 쉘 또는 인터 쉘 영역 내에서 무작위로 발생하는 수/서브나노 크기의 동공에 대한 제어없이 수십 또는 수백 나노 규모로만 조작할 수 있었다. 그러나 이러한 크기는 구조에 따른 물리 화학적 특성 및 촉매 특성을 개발하는데 한계가 있었고, 지금까지 단일 구조에서 고효율 플라즈몬 유도 촉매 작용을 위한 한정된 동공을 가지면서 수 nm 규모로 제어 가능한 구조적 복잡성을 달성하는 것은 쉽지 않았고, 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.So far, in these miniaturized nanostructures, the inner (cavity)/outer surface or intershell gaps can be tens or without control over the randomly occurring number/subnano-sized pores within the shell or intershell region. It could only be manipulated on the scale of several hundred nanometers. However, this size has limitations in developing physicochemical and catalytic properties according to the structure, and so far, it has been difficult to achieve controllable structural complexity on the scale of several nm while having a limited cavity for high-efficiency plasmon-induced catalysis in a single structure. and there is a need for research on it.

본 개시는 새로운 종류의 제어 가능한 이중층 공간을 가지는 커스터마이즈 가능하고 다양한 촉매 나노 반응기를 제공하고자 한다.The present disclosure seeks to provide a customizable and versatile catalytic nanoreactor with a new kind of controllable double layer space.

본 개시는 높은 촉매 성능을 나타내는 나노 카탈로좀을 제공하고자 한다.An object of the present disclosure is to provide a nano catalosome exhibiting high catalytic performance.

본 개시는 차세대 금속 이중층 기반 나노 반응기를 제공하고자 한다.An object of the present disclosure is to provide a next-generation metal bilayer-based nanoreactor.

본 개시는 수 nm 규모로 복잡한 구조적 기능적 조작이 가능한 나노 카탈로좀을 제공하고자 한다.The present disclosure aims to provide a nano-catalosome capable of complex structural and functional manipulations on the scale of several nm.

본 개시 일 구현예의 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀은 내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘 및 상기 다공성 아민 실리카 나노쉘 내부 표면 및 외부 표면에 균일하게 존재하는 복수의 금속 나노 입자로 이루어진 금속 이중층을 포함할 수 있다.The metal double-layered nano-catalosome of one embodiment of the present disclosure is a metal composed of a spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior and a plurality of metal nanoparticles uniformly present on the inner surface and the outer surface of the porous amine silica nanoshell It may include a double layer.

상기 복수의 금속 나노 입자는 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The plurality of metal nanoparticles may include at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd).

상기 복수의 금속 나노 입자는 금(Au) 나노 입자상에 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 조합이 코팅된 것일 수 있다.The plurality of metal nanoparticles may be coated with platinum (Pt), palladium (Pd), or a combination thereof on gold (Au) nanoparticles.

상기 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자로 한정된 나노 크기의 복수의 동공을 포함할 수 있다.The metal double layer may include a plurality of nano-sized pores defined by the metal nanoparticles constituting the outer metal layer and the metal nanoparticles constituting the inner metal layer.

상기 동공의 크기는 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자의 크기에 의하여 결정될 수 있다.The size of the pores may be determined by the size of the metal nanoparticles constituting the outer metal layer of the metal double layer and the metal nanoparticles forming the inner metal layer.

상기 외부 금속층 및 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자로 한정된 나노 크기의 동공은 크기가 6nm 이하일 수 있다.The nano-sized pores defined by the metal nanoparticles constituting the outer metal layer and the inner metal layer may have a size of 6 nm or less.

상기 복수의 동공은 플라즈몬 결합 효과 및 결합 전자기 핫스팟을 제공할 수 있다.The plurality of pupils may provide a plasmonic coupling effect and coupling electromagnetic hotspot.

상기 복수의 동공에서 촉매 반응이 일어날 수 있다.A catalytic reaction may occur in the plurality of cavities.

상기 금속 이중층의 외부 쉘의 두께는 15nm 이하이고, 내부 쉘의 두께는 12nm 이하일 수 있다.The thickness of the outer shell of the metal double layer may be 15 nm or less, and the thickness of the inner shell may be 12 nm or less.

본 개시 일 구현예의 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법은, 내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘을 준비하는 단계; 상기 다공성 아민 실리카 나노쉘에 금속 염화물을 처리하여 다공성 아민 실리카 나노쉘의 내부 표면 및 외부 표면에 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계; 상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe (TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 염화물 및 환원제를 처리하여 상기 탄닌산-Fe 배위 고분자층이 코팅된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 포함된 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다.A method for preparing a metal double-layered nano-catalosome according to an embodiment of the present disclosure includes the steps of preparing a spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior; introducing metal nanoparticle seeds to the inner and outer surfaces of the porous amine silica nanoshell by treating the porous amine silica nanoshell with a metal chloride; coating a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seeds are introduced; and treating the metal chloride and the reducing agent to grow the metal nanoparticle seeds included in the porous amine silica nanoshell coated with the tannic acid-Fe coordination polymer layer.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는, 사용하는 금속 염화물의 양을 조절하여 금속 이중층의 두께를 제어하는 단계일 수 있다.Growing the metal nanoparticle seeds; may be a step of controlling the thickness of the metal double layer by adjusting the amount of the metal chloride used.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 3mg을 사용하는 경우에, 농도 5mM의 금속 염화물을 1.0ml 이하로 첨가하여 성장시키는 단계일 수 있다.Growing the metal nanoparticle seeds; in the case of using 3 mg of porous amine silica nanoshell having a diameter of 75±3 nm, may be a step of growing by adding a metal chloride having a concentration of 5 mM to 1.0 ml or less.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 Growing the metal nanoparticle seed;

직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 3mg을 사용하는 경우에, 농도 50mM의 환원제를 1.0ml 이하로 첨가하여 성장시키는 단계일 수 있다.In the case of using 3 mg of porous amine silica nanoshell having a diameter of 75 ± 3 nm, it may be a step of growing by adding a reducing agent having a concentration of 50 mM to 1.0 ml or less.

상기 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법에서, 상기 금속 나노 입자는 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd) 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the method for manufacturing a nano-catalosome in the form of a metal double layer, the metal nanoparticles may be at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd) nanoparticles.

상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계;는 상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘을 증류수에 분산시켜 수용액으로 준비하는 단계; 상기 수용액의 pH를 8 내지 12로 조절하는 단계; 및 상기 pH가 조절된 수용액에 탄닌산 및 염화철(III)을 혼합하는 단계일 수 있다.The step of coating a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seed is introduced; is an aqueous solution by dispersing the porous amine silica nanoshell introduced with the metal nanoparticle seed in distilled water. to prepare; adjusting the pH of the aqueous solution to 8 to 12; And it may be a step of mixing tannic acid and iron (III) chloride in the pH-controlled aqueous solution.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층이 코팅된 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘을 PVP 수용액에 분산시키는 단계; 및 금속 염화물 및 환원제를 연속적으로 첨가하여 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.The step of growing the metal nanoparticle seed; dispersing the porous amine silica nanoshell introduced with the metal nanoparticle seed coated with a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordination polymer layer in a PVP aqueous solution; and continuously adding a metal chloride and a reducing agent to grow the metal nanoparticle seeds.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층이 분해되고, 이어서 다공성 실리카 나노쉘의 내부 및 외부에 배치된 복수의 금속 나노 입자 시드에 금속이온이 붙어 금속 나노 입자 시드가 성장하는 것일 수 있다.The step of growing the metal nanoparticle seeds; the tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer is decomposed, and then metal ions are attached to the plurality of metal nanoparticle seeds disposed inside and outside the porous silica nanoshell to form a metal Nanoparticle seeds may be growing.

상기 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계;에서 상기 금속 염화물은 HAuCL4, Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step of introducing the metal nanoparticle seed, the metal chloride may be at least one selected from the group consisting of HAuCL 4 , Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 .

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;에서 상기 금속 염화물은 HAuCL4, Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step of growing the metal nanoparticle seeds, the metal chloride may be at least one selected from the group consisting of HAuCL 4 , Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 .

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;에서 상기 환원제는 하이드로퀴논일 수 있다.In the step of growing the metal nanoparticle seed, the reducing agent may be hydroquinone.

본 개시 일 구현예에 의하면, 자연에서 선호하는 이중층 막 기반 소포 구조체를 모방한 금속 이중층 기반 속 빈 나노 구조체인 나노 카탈로좀을 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a nano catalosome, which is a metal bilayer-based hollow nanostructure that mimics a bilayer membrane-based vesicle structure preferred in nature.

본 개시 일 구현예에 의하면, 독특한 이중층 구조를 가져 높은 촉매 성능을 가지는 나노 카탈로좀을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a nano-catalosome having a unique double-layer structure and high catalytic performance.

본 개시 일 구현예의 나노 카탈로좀 및 이의 제조방법으로 차세대 금속 이중층 기반 나노 반응기를 제공할 수 있다, The nano-catalosome of an embodiment of the present disclosure and a method for manufacturing the same may provide a next-generation metal double-layer-based nano-reactor,

본 개시 일 구현예에 의하면, 수 nm 규모로 복잡한 구조적 기능적 조작이 가능한 나노 카탈로좀을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a nano-catalosome capable of complex structural and functional manipulation on a scale of several nm.

본 개시 일 구현예의 나노 카탈로좀을 통하여 태양광 에너지의 유용성을 확대함으로써, 높은 기능성 촉매 화학의 지속 가능한 개발을 가능하게 할 수 있다.By expanding the usefulness of solar energy through the nano-catalosome of one embodiment of the present disclosure, it is possible to enable the sustainable development of high-functional catalytic chemistry.

도 1은 나노 카탈로좀의 합성 메커니즘 및 그 응용을 도시한 것이다. 도 1의 a는 동공(캐비티)를 가지는 금속 이중층 나노 카탈로좀 합성 방법을 도시한 것으로, 금속 나노 입자 크기에 따른 층간 동공 구조의 변화를 도시하였고, 도 1의 b는 나노 카탈로좀에서의 태양광 유도 반응 모식도를 도시한 것이다.
도 2는 상이한 구조의 나노 카탈로좀을 도시한 것이다. 도 2의 a는 (i) Au-4-NCat, (ii) Pt-NCat, 및 (iii) Pd-NCat의 TEM 이미지를 도시한 것이다. 도 2의 b는 Pt/Au-4-NCat의 (i)TEM 이미지, (ii) HRTEM 이미지, (iii)STEM, STEM-EDS 성분 분석 및 (iv) EDS 성분 라인 프로필을 도시한 것이다. 도 2의 c는 Pt/Au-4-Ncat의 (i)TEM 이미지, (ii)HRTEM 이미지, 및 (iii)STEM, STEM-EDS 성분 분석을 도시한 것이다.
도 3은 나노 카탈로좀의 구조에 따른 플라즈몬 성질을 확인한 것으로, a는 금속 전구체 양을 증가함에 따라 합성한 Pt/Au-1~4-NCat의 TEM 이미지 (i-iv, 왼쪽에서 오른쪽으로)이고, b는 Pt/Au-1~4-NCat의 UV-vis 스펙트럼이며, c는 4-아미노티오페놀 (4-ATP)-개질 된 Pt/Au-1~4-NCat의 대표 SERS 스펙트럼(i), 및 각각의 샘플 내에서 10개의 포인트에서 기록한 값의 평균 C-S(ii), C-C (iii) 라만 피크 신호이고, d는 라만 온도 측정 실험결과로 4-ATP 개질 된 Pt/Au-1~4-NCat의 C-S 피크의 SERS 스토크 피크 세기 (IS) 와 안티-스토크 피크 세기 (IAS) (i) 및 각각의 샘플 내에서 10개의 포인트에서 기록한 볼츠만 분포, IS 그리고 IAS에 의해 주어진 각각의 진동 상태의 집단으로부터 추정된 상응하는 온도 (ii)를 도시한 것이다.
도 4는 수용체 없는 탈수소반응(AD)에서 나노 카탈로좀의 촉매 성능을 확인한 것으로, a는 Pt/Au-4-NCat와 이전에 보고된 촉매들과의 성능 비교표이고. b는 THQ의 [Pt]-촉매 탈수소반응 모식도 및 Pt/Au-1~4-NCat를 사용했을 때 각각의 시간에 따른 변환율을 도시하였으며, c는 광원을 반복적으로 온/오프하는 조건에서 Pt/Au-4-NCat를 사용했을 때 시간에 따른 변환율을 도시하였고, d는 다양한 촉매들을 사용했을 때 THQ 탈수소반응의 전환수(TOF(h-1))를 도시한 것이며, e는 기질에 따른 Pt/Au-4-NCat를 사용한 탈수소반응의 TOF(h-1) 와 생성물 수율을 도시한 것이고, b, d 그리고 e의 오차막대는 세번의 반복 실험의 표준 편차를 나타낸 것이다.
도 5는 스즈키-미야우라 교차 결합 반응에서 나노 카탈로좀의 촉매 성능을 확인한 것으로, a는 아릴 보론산과 아릴 할라이드의 [Pd]-촉매 결합 반응 모식도이고, b는 Pd/Au-1~4-NCat를 사용한 아이오도벤젠과 페닐 보론산의 시간에 따른 변환율를 도시한 것이며, c는 다른 촉매들을 사용한 아이오딘벤젠과 페닐 보론산의 교차 결합반응의 TOF(s-1) 그래프이고, d는 기질에 따른 Pd/Au-4-NCat를 사용한 스즈키-미야우라 교차 결합 반응의 TOF(s-1)를 나타낸 것으로, b, c의 오차막대는 세번의 반복 실험의 표준 편차를 나타낸 것이다.
도 6은 알킨 고리화 반응에서 나노 카탈로좀의 촉매 성능을 확인한 것으로, a는 페닐 프로판 산의 상이한 페놀 에스테르들의 [Au] 촉매 알킨 고리화 반응 모식도이고, b는 Au-1~4-NCat 를 사용한 시간에 따른 알킨 고리화 반응의 변환율을 도시한 것이며, c는 기질에 따른 Au-4-NCat 를 사용한 알킨 고리화 반응의 변환율을 도시한 것으로, b 의 오차막대는 세번의 반복 실험의 표준 편차를 나타낸 것이다.
도 7은 AuNC@h-SiO2 합성과정의 TEM 이미지를 도시한 것으로, a는 h-SiO2, b는 h-SiO2에 HAuCl4를 처리하고, c는 이에 NaBH4를 연속으로 처리한 것, d는 TA-Fe 코팅이 완료된 AuNC@h-SiO2를 도시한다.
도 8은 Au-1-NCat 내지 Au-3-NCat의 TEM 이미지를 도시한다.
도 9는 하이드로퀴논 대신 a. 아스코르브산(ascorbic acid), b. 구연산나트륨(sodium citrate), c. 수소화붕소 나트륨(sodium borohydride), 및 d.하이드록실 아민(hydroxylamine)을 환원제로 사용한 것의 TEM 이미지를 도시한 것이다.
도 10은 a, b는 Pt/Au-4-NCat, c, d는 Pd/Au-4-Ncat, e는 Au-4-Ncat의 XPS 피크를 도시한 것이다.
도 11은 Pd/Au-1~4-NCat의 분석 데이터를 도시한 것으로, a 내지 c는 Pd/Au-1-Ncat 내지 Pd/Au-3-Ncat의 TEM 이미지, d는 Pd/Au-4-NCat의 STEM-HDAAF 및 EDS-성분라인 프로필을 도시한 것이다.
도 12는 나노카탈로좀의 광열 성질 관측 결과를 도시한 것으로, a는 Pt/Au-1-NCat 내지 Pt/Au-4-NCat, b는 나노카탈로좀의 농도를 달리한 결과, c는 동일 농도에서 Pd/Au-4-NCat, Pt/Au-4-NCat, Au-4-NCat의 결과를 도시한 것이다.
도 13은 s-Pt/Au-NCat의 TEM 이미지를 도시한 것이다.
도 14는 5번의 탈수소반응 재사용 이후 Pt/Au-4-NCat의 TEM 이미지를 도시한 것이다.
도 15는 Pt/Au-4-NCat 과 Pt-AuNR의 촉매 재생 테스트 결과를 도시한 것이다.
1 shows the synthesis mechanism of a nano-catalosome and its application. FIG. 1 a shows a method for synthesizing a metal double-layer nano-catalosome having a cavity (cavity), and shows the change in the interlayer pore structure according to the size of metal nanoparticles, and FIG. 1 b is a nano-catalosome. A schematic diagram of the solar-induced reaction is shown.
Figure 2 shows the nano-catalosomes of different structures. FIG. 2 a shows TEM images of (i) Au-4-NCat, (ii) Pt-NCat, and (iii) Pd-NCat. Figure 2b shows (i)TEM image, (ii) HRTEM image, (iii)STEM, STEM-EDS component analysis and (iv) EDS component line profile of Pt/Au-4-NCat. FIG. 2 c shows (i)TEM image, (ii)HRTEM image, and (iii)STEM, STEM-EDS component analysis of Pt/Au-4-Ncat.
Figure 3 confirms the plasmonic properties according to the structure of the nano-catalosome, a is a TEM image of Pt/Au-1~4-NCat synthesized as the amount of metal precursor is increased (i-iv, from left to right) , b is a UV-vis spectrum of Pt/Au-1 to 4-NCat, and c is a representative SERS spectrum of 4-aminothiophenol (4-ATP)-modified Pt/Au-1 to 4-NCat (i ), and the average CS(ii), CC(iii) Raman peak signal of the values recorded at 10 points within each sample, and d is the Raman temperature measurement experimental result of 4-ATP-modified Pt/Au-1~4 -SERS Stoke peak intensity (IS) and anti-Stoke peak intensity (IAS) of the CS peak of -NCat (i) and the Boltzmann distribution recorded at 10 points within each sample, IS and of each vibrational state given by IAS Corresponding temperatures (ii) estimated from populations are shown.
Figure 4 confirms the catalytic performance of the nano-catalosome in the receptor-free dehydrogenation reaction (AD), a is a performance comparison table with Pt / Au-4-NCat and previously reported catalysts. b is a schematic diagram of [Pt]-catalyzed dehydrogenation reaction of THQ and the conversion rate according to time when using Pt/Au-1 to 4-NCat, c is Pt/ When Au-4-NCat was used, the conversion rate with time was shown, d is the conversion number of THQ dehydrogenation (TOF(h -1 )) when using various catalysts, and e is Pt according to the substrate It shows TOF(h -1 ) and product yield of dehydrogenation using /Au-4-NCat, and error bars in b, d and e show the standard deviation of three replicates.
5 is a Suzuki-Miyaura cross-linking reaction confirming the catalytic performance of the nano-catalosome, a is a [Pd]-catalytic coupling reaction of aryl boronic acid and aryl halide, b is Pd/Au-1 to 4- It shows the conversion rate with time of iodobenzene and phenyl boronic acid using NCat, c is the TOF (s -1 ) graph of the cross-linking reaction of iodinebenzene and phenyl boronic acid using different catalysts, and d is the substrate The TOF(s −1 ) of the Suzuki-Miyaura cross-linking reaction using Pd/Au-4-NCat according to B and c error bars represents the standard deviation of three replicates.
Figure 6 is to confirm the catalytic performance of the nano-catalosome in the alkyne cyclization reaction, a is a [Au] catalytic alkyne cyclization reaction schematic diagram of different phenol esters of phenyl propanoic acid, b is Au-1 ~ 4-NCat It shows the conversion rate of the alkyne cyclization reaction according to the time used, c shows the conversion rate of the alkyne cyclization reaction using Au-4-NCat according to the substrate, and the error bar in b is the standard deviation of three repeated experiments. is shown.
7 is a TEM image of the AuNC@h-SiO 2 synthesis process, a is h-SiO 2 , b is h-SiO 2 treated with HAuCl 4 , c is NaBH 4 continuously treated therewith , d shows AuNC@h-SiO 2 on which TA-Fe coating is completed.
8 shows TEM images of Au-1-NCat to Au-3-NCat.
9 shows a. ascorbic acid, b. sodium citrate, c. A TEM image of sodium borohydride and d. hydroxylamine as a reducing agent is shown.
10 is a, b shows XPS peaks of Pt/Au-4-NCat, c, d is Pd/Au-4-Ncat, and e is Au-4-Ncat.
11 shows the analysis data of Pd/Au-1 to 4-NCat, a to c are TEM images of Pd/Au-1-Ncat to Pd/Au-3-Ncat, and d is Pd/Au-4 STEM-HDAAF and EDS-component line profiles of -NCat are shown.
12 is a graph showing the photothermal properties of the nano-catalosome, a is Pt/Au-1-NCat to Pt/Au-4-NCat, b is the result of varying the concentration of the nano-catalosome, c is The results of Pd/Au-4-NCat, Pt/Au-4-NCat, and Au-4-NCat at the same concentration are shown.
13 shows a TEM image of s-Pt/Au-NCat.
14 shows the number 5 The TEM image of Pt/Au-4-NCat after dehydrogenation reuse is shown.
15 shows the catalyst regeneration test results of Pt/Au-4-NCat and Pt-AuNR.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.The terms first, second and third etc. are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers and/or sections. These terms are used only to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the present invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and includes the presence or absence of another characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component. It does not exclude additions.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.When a part is referred to as being “on” or “on” another part, it may be directly on or on the other part, or the other part may be involved in between. In contrast, when a part is referred to as being "directly above" another part, the other part is not interposed therebetween.

또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.In addition, unless otherwise specified, % means weight %, and 1 ppm is 0.0001 weight %.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

제어 가능한 수 nm의 좁은 간극, 접합부 및 동공으로 구성된 플라즈몬 금속 기반 나노 구조는 집단 여기 및 광범위한 다중 모드 플라즈몬 결합을 통하여 넓은 광학 소광을 극적으로 증대시키고 분리된 나노입자(NP) 장치보다 높은 수준으로 전자기장을 생성할 수 있다. 이러한 나노 스케일 효과는 결과적으로 전하 운반체의 효율적인 생성 및 광열 온도의 국소화된 증가를 발생시키며, 이는 계면 촉매 반응을 촉진시키는 데 매우 유리하다.Plasmonic metal-based nanostructures composed of controllable narrow gaps, junctions, and cavities of a few nm dramatically increase wide optical quenching through collective excitation and extensive multimode plasmonic coupling, and electromagnetic fields to higher levels than isolated nanoparticle (NP) devices. can create This nanoscale effect results in efficient generation of charge carriers and localized increase in photothermal temperature, which is very beneficial for promoting interfacial catalysis.

이에, 본 개시에서는 자연의 생체모방형 이중층 소포체와 구조가 유사한 플라즈몬-촉매 나노 반응기인 나노 카탈로좀(NCat)를 제공하고자 한다. 나노 카탈로좀은 밀접하게 갭이 있는 나노 입자 유닛들의 배열로 구성된 금속 이중층의 속이 빈 쉘-속-쉘 구조로서 유기 반응을 위한 수 nm의 층간 촉매 공간을 생성할 수 있다 (도 1). 나노 카탈로좀의 수 nm의 층간 공간에는 촉매 귀금속(Au, Pt, Pd)과 밀접하게 연결되고 제어 가능한 복수의 플라즈몬 나노 동공 (수 nm 크기, 예컨대 직경 0.5 내지 6nm)이 포함될 수 있다. 나노 카탈로좀의 이중층 구조에서, 수 nm 동공 내부의 인터 쉘-한정 플라즈몬 결합 핫-나노스페이스는 다양한 주요 유기 변환 반응들을 달성하기 위한 상승적 촉매 효과에 중심적인 역할을 할 수 있다. 이는 수용체 없는 탈수소 (Acceptorless dehydrogenation), 스즈키-미야우라 교차 결합(Suzuki-Miayura cross-coupling) 및 알킨-고리화(Alkynyl-annulation) 반응들에 의해 최근의 금 나노로드 기반 플라즈몬-촉매보다 뛰어난 정량적 변환, 전환수(Turnover frequency, TOF)를 제공할 수 있다. Accordingly, in the present disclosure, it is an object of the present disclosure to provide a plasmon-catalyzed nanoreactor having a structure similar to that of a natural biomimetic double-layered endoplasmic reticulum (NCat). Nanocatalosomes are hollow shell-in-shell structures of a metal bilayer composed of an array of closely-gapped nanoparticle units, which can create a few nm interlayer catalytic space for organic reactions (Fig. 1). The interlayer space of a few nm of the nano-catalosome may include a plurality of plasmonic nano-cavities (several nm in size, for example, 0.5 to 6 nm in diameter) closely connected to and controllable with catalytic noble metals (Au, Pt, Pd). In the bilayer structure of nanocatalosomes, inter-shell-confined plasmon-coupled hot-nanospaces inside a few nm cavities may play a central role in synergistic catalytic effects to achieve a variety of major organic transformation reactions. This is a quantitative transformation superior to recent gold nanorod-based plasmon-catalysts by acceptorless dehydrogenation, Suzuki-Miayura cross-coupling, and alkynyl-annulation reactions. , the number of turns (Turnover frequency, TOF) may be provided.

본 개시를 통하여 친환경 태양광 에너지를 이용하여 다양한 화학 변환을 효율적으로 수행할 수 있는 기능적이고 커스터마이징 가능한 차세대 나노 리액터를 향한 기틀을 마련할 수 있다.Through the present disclosure, it is possible to prepare a framework for a functional and customizable next-generation nanoreactor that can efficiently perform various chemical transformations using eco-friendly solar energy.

다양한 플라즈몬 촉매 나노 카탈로좀에서, 다량의 수 nm 크기의 나노갭/캐비티들을 가진 이중층 쉘은 제어 가능한 플라즈몬 결합 효과를 부여하고, 광범위한 태양광을 효율적으로 활용함으로써 다양한 촉매 반응에서 유용한 국소 광열 가열 및 플라즈몬 전하 운반체 생성을 유도하는 주요한 구조적 특징이다. In various plasmon-catalyzed nanocatalosomes, a bilayer shell with a large number of nanogaps/cavities with a size of several nm imparts a controllable plasmonic binding effect, and by efficiently utilizing a wide range of sunlight, local photothermal heating and It is a major structural feature that drives the generation of plasmonic charge carriers.

적절하게 커스터마이즈 된 나노 카탈로좀을 구현함으로써, 약한 태양광 조사 하에서, 기존의 Pt-AuNR 플라즈몬 촉매보다 최대 11배 높은 전환수(TOF)(h-1)의 전례 없는 속도로 N-헤테로 사이클의 수용체 없는 탈수화반응을 달성할 수 있다. 반면, 기존 촉매를 이용하여 이러한 반응을 진행할 경우 매우 오랜 시간 (>24시간)과 높은 온도의 열 조건 (최대 150 ℃)이 필요하다. By implementing a suitably customized nano-catalosome, under weak sunlight irradiation, the N-hetero cycle at an unprecedented rate of conversion (TOF) (h-1) up to 11 times higher than that of conventional Pt-AuNR plasmonic catalysts. Receptor-free dehydration can be achieved. On the other hand, when this reaction is carried out using an existing catalyst, a very long time (>24 hours) and high temperature thermal conditions (up to 150 °C) are required.

다양한 기능적 커스터마이즈를 통해 나노 카탈로좀은 산업적으로 중요한 스즈키-미야우리 C-C 교차 결합 (전환수(TOF) 18 s-1 이하) 및 알킨 고리화 반응을 수행하여 지금까지 기록된 전환수(TOF) 중 최고치와 함께 우수한 수율을 나타낼 수 있다.Through various functional customizations, nano catalosomes performed industrially important Suzuki-Miyauri CC cross-linking (TOF) 18 s −1 or less) and alkyne cyclization reactions, resulting in the highest conversion number (TOF) recorded so far. An excellent yield can be exhibited with the highest value.

이러한 다양한 활성 나노 카탈로좀은 독특한 이중층 구조로 인해 보고된 나노입자(NP) 기반 촉매보다 두드러진 높은 촉매 성능을 보여줄 수 있다.These various active nano-catalosomes can show significantly higher catalytic performance than the reported nanoparticle (NP)-based catalysts due to their unique bilayer structure.

이하, 각 단계에 대하여 구체적으로 살펴본다.Hereinafter, each step will be described in detail.

본 개시는 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀으로서, 내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘 및 상기 다공성 아민 실리카 나노쉘 내부 표면 및 외부 표면에 균일하게 존재하는 복수의 금속 나노 입자로 이루어진 금속 이중층을 포함할 수 있다.The present disclosure is a metal bilayer nano-catalosome, a metal bilayer comprising a spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior and a plurality of metal nanoparticles uniformly present on the inner and outer surfaces of the porous amine silica nanoshell may include

상기 복수의 금속 나노 입자는 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The plurality of metal nanoparticles may include at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd).

상기 복수의 금속 나노 입자는 금(Au) 나노 입자상에 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 조합이 코팅된 것일 수 있다.The plurality of metal nanoparticles may be coated with platinum (Pt), palladium (Pd), or a combination thereof on gold (Au) nanoparticles.

상기 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자로 한정된 나노 크기의 복수의 동공을 포함할 수 있다. 즉, 금속 이중층의 외부 금속층과 내부 금속층 사이에 동공이 포함될 수 있고, 이것이 금속 이중층을 따라 복수개로 존재한다.The metal double layer may include a plurality of nano-sized pores defined by the metal nanoparticles constituting the outer metal layer and the metal nanoparticles constituting the inner metal layer. That is, cavities may be included between the outer metal layer and the inner metal layer of the metal double layer, and there are a plurality of cavities along the metal double layer.

상기 동공의 크기는 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자의 크기에 의하여 결정될 수 있다.The size of the pores may be determined by the size of the metal nanoparticles constituting the outer metal layer of the metal double layer and the metal nanoparticles forming the inner metal layer.

구체적으로는 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자의 크키가 클수록 동공의 크기가 작아질 수 있다. 반대로 금속 나노 입자의 크키가 작을수록 동공의 크기가 커질 수 있다. 여기서 금속 나노 입자의 크기는 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법 중에 금속 나노 시드 성장과정에서 처리하는 금속 염화물의 양에 의하여 결정될 수 있다.Specifically, as the size of the metal nanoparticles constituting the outer metal layer of the metal double layer and the metal nanoparticles constituting the inner metal layer increases, the size of the pores may decrease. Conversely, as the size of the metal nanoparticles decreases, the size of the pores may increase. Here, the size of the metal nanoparticles may be determined by the amount of metal chloride treated during the metal nanoseed growth process in the method for manufacturing a metal double-layered nano-catalosome.

상기 외부 금속층 및 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자로 한정된 나노 크기의 동공은 크기가 6nm 이하일 수 있다. 구체적으로 나노 크기 동공의 크기는 0.1 내지 6nm, 보다 구체적으로 0.5 내지 6nm, 또는 0.5 내지 2nm, 또는 1 내지 2nm일 수 있다. 하기 설명할 바와 같이 나노 크기 동공이 플라즈몬 특성을 가지고 촉매 효과를 부여할 수 있는데, 이는 동공의 크기가 작게 얼마나 밀접하게 배치되는가에 따라 결정되기 때문에, 동공은 작을수록 촉매특성에 유리하다.The nano-sized pores defined by the metal nanoparticles constituting the outer metal layer and the inner metal layer may have a size of 6 nm or less. Specifically, the nano-sized pores may have a size of 0.1 to 6 nm, more specifically 0.5 to 6 nm, or 0.5 to 2 nm, or 1 to 2 nm. As will be described below, nano-sized pores have plasmonic properties and can impart a catalytic effect, which is determined by how closely the pores are small and arranged.

상기 복수의 동공은 플라즈몬 결합 효과 및 결합 전자기 핫스팟을 제공할 수 있다. 구체적으로 복수의 동공의 크키가 작을수록 양호한 플라즈몬 결합 효과 및 결합 전자기 핫스팟을 제공할 수 있다. 또한, 플라즈몬 결합 효과 및 결합 전자기 핫스팟은 동공의 크기에 따라 그 효과가 상이하고 금속 나노입자를 구성하는 금속의 종류에는 영향을 받지 않을 수 있다. The plurality of pupils may provide a plasmonic coupling effect and coupling electromagnetic hotspot. Specifically, the smaller the size of the plurality of pupils, the better the plasmon coupling effect and the coupling electromagnetic hotspot can be provided. In addition, the effect of the plasmon coupling effect and the coupling electromagnetic hot spot may be different depending on the size of the cavity and may not be affected by the type of metal constituting the metal nanoparticles.

상기 복수의 동공에서 촉매 반응이 일어날 수 있다.A catalytic reaction may occur in the plurality of cavities.

상기 금속 이중층의 외부 쉘의 두께는 15nm 이하이고, 내부 쉘의 두께는 12nm 이하일 수 있다. 구체적으로 외부 쉘의 두께는 1 내지 15nm, 내부 쉘의 두께는 1 내지 12nm 일 수 있다. The thickness of the outer shell of the metal double layer may be 15 nm or less, and the thickness of the inner shell may be 12 nm or less. Specifically, the thickness of the outer shell may be 1 to 15 nm, and the thickness of the inner shell may be 1 to 12 nm.

본 개시 일 구현예의 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법은 내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘을 준비하는 단계; 상기 다공성 아민 실리카 나노쉘에 금속 염화물을 처리하여 다공성 아민 실리카 나노쉘의 내부 표면 및 외부 표면에 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계; 상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe (TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 염화물 및 환원제를 처리하여 상기 탄닌산-Fe 배위 고분자층이 코팅된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 포함된 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계; 를 포함할 수 있다.A method for preparing a nano-catalosome in the form of a metal double layer according to an embodiment of the present disclosure includes the steps of preparing a spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior; introducing metal nanoparticle seeds to the inner and outer surfaces of the porous amine silica nanoshell by treating the porous amine silica nanoshell with a metal chloride; coating a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seeds are introduced; and treating the metal chloride and the reducing agent to grow the metal nanoparticle seeds contained in the porous amine silica nanoshell coated with the tannic acid-Fe coordination polymer layer; may include

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는, 사용하는 금속 염화물 및 환원제의 양을 조절하여 금속 이중층의 두께를 제어하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계에서 추가하는 금속 염화물의 양을 증가시키면 금속 나노 입자가 크게 성장하여 금속 이중층의 두께가 두꺼워 질 수 있다. The step of growing the metal nanoparticle seed may be a step of controlling the thickness of the metal double layer by controlling the amounts of the metal chloride and the reducing agent used. Specifically, if the amount of metal chloride added in the step of growing the metal nanoparticle seed is increased, the metal nanoparticle may grow significantly and the thickness of the metal bilayer may be increased.

구체적으로, 상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 3mg을 사용하는 경우에, 농도 5mM의 금속 염화물을 1ml 이하로 첨가하여 성장시키는 단계일 수 있다. 구체적으로 5mM의 금속 염화물을 0.1 내지 1ml, 보다 구체적으로 0.38 내지 0.9ml, 보다 구체적으로 0.6 내지 0.9ml, 보다 구체적으로 0.75 내지 0.9ml 일 수 있다. 금속 염화물의 처리량이 많아질수록 외부 쉘과 내부 쉘에 위치하는 금속 나노 시드가 크게 성장하며, 촉매 반응 사이트인 캐비티의 크기가 작아져 바람직한 나노 카탈로좀을 제공할 수 있다. Specifically, the step of growing the metal nanoparticle seeds; in the case of using 3 mg of a porous amine silica nanoshell having a diameter of 75 ± 3 nm, may be a step of growing by adding a metal chloride having a concentration of 5 mM to 1 ml or less. Specifically, 5 mM of the metal chloride may be 0.1 to 1 ml, more specifically 0.38 to 0.9 ml, more specifically 0.6 to 0.9 ml, and more specifically 0.75 to 0.9 ml. As the amount of metal chloride processed increases, the metal nanoseeds located in the outer shell and the inner shell grow significantly, and the size of the cavity, which is a catalytic reaction site, becomes smaller, thereby providing a desirable nano-catalosome.

구체적으로, 상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 3mg을 사용하는 경우에, 농도 50mM의 환원제를 1ml 이하로 첨가하여 성장시키는 단계일 수 있다. 구체적으로 농도 50mM의 환원제를 0.1 내지 1ml, 보다 구체적으로 0.38 내지 0.9ml, 보다 구체적으로 0.6 내지 0.9ml, 보다 구체적으로 0.75 내지 0.9ml 일 수 있다.Specifically, the step of growing the metal nanoparticle seeds; in the case of using 3 mg of a porous amine silica nanoshell having a diameter of 75±3 nm, may be a step of growing by adding a reducing agent having a concentration of 50 mM to 1 ml or less. Specifically, the reducing agent having a concentration of 50 mM may be 0.1 to 1 ml, more specifically 0.38 to 0.9 ml, more specifically 0.6 to 0.9 ml, and more specifically 0.75 to 0.9 ml.

보다 구체적으로, 상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 1mg당 금속 나노 입자가 2.0*10-6mol 이하가 되도록 금속 염화물을 양을 정하여 첨가하여 성장시키는 단계일 수 있다. More specifically, the step of growing the metal nanoparticle seed; is grown by adding a metal chloride in an amount so that the metal nanoparticle per 1mg of the porous amine silica nanoshell having a diameter of 75±3nm is 2.0*10 -6 mol or less. It may be a step to

구체적으로 다공성 아민 실리카 나노쉘 1mg당 금속 나노 입자가 0.05*10-6 내지 2.0*10-6mol, 보다 구체적으로 0.063*10-6내지 2.0*10-6mol, 0.063*10-6 내지 1.5*10-6mol, 1.0*10-6 내지 1.5*10-6mol, 또는 1.25*10-6 내지 1.5*10-6mol이 되도록 금속 염화물의 양을 정하여 첨가하여 성장시키는 단계일 수 있다.Specifically, the amount of metal nanoparticles per 1 mg of porous amine silica nanoshell is 0.05*10 -6 to 2.0*10 -6 mol, more specifically 0.063*10 -6 to 2.0*10 -6 mol, 0.063*10 -6 to 1.5* 10 -6 mol, 1.0*10 -6 to 1.5*10 -6 mol, or 1.25*10 -6 to 1.5*10 -6 mol.

구체적으로 상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계는,상기 첨가된 금속 염화물 양의 10배의 양으로 환원제를 첨가하는 단계일 수 있다. Specifically, the step of growing the metal nanoparticle seed may be a step of adding a reducing agent in an amount 10 times the amount of the added metal chloride.

상기 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법에서, 상기 금속 나노 입자는 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd) 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 나노 입자는 금(Au) 나노 입자에 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것일 수 있다.In the method for manufacturing a nano-catalosome in the form of a metal double layer, the metal nanoparticles may be at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd) nanoparticles. Specifically, the metal nanoparticles may further include platinum (Pt), palladium (Pd), or a combination thereof in gold (Au) nanoparticles.

상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계;는 상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘을 증류수에 분산시켜 수용액으로 준비하는 단계; 상기 수용액의 pH를 8 내지 12로 조절하는 단계; 및 상기 pH가 조절된 수용액에 탄닌산 및 염화철(III)을 혼합하는 단계일 수 있다. 구체적으로 상기 수용액의 pH는 10일 수 있다. The step of coating a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seed is introduced; is an aqueous solution by dispersing the porous amine silica nanoshell introduced with the metal nanoparticle seed in distilled water. to prepare; adjusting the pH of the aqueous solution to 8 to 12; And it may be a step of mixing tannic acid and iron (III) chloride in the pH-controlled aqueous solution. Specifically, the pH of the aqueous solution may be 10.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층이 코팅된 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘을 PVP 수용액에 분산시키는 단계; 및 금속 염화물 및 환원제를 연속적으로 첨가하여 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.The step of growing the metal nanoparticle seed; dispersing the porous amine silica nanoshell introduced with the metal nanoparticle seed coated with a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordination polymer layer in a PVP aqueous solution; and continuously adding a metal chloride and a reducing agent to grow the metal nanoparticle seeds.

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층이 분해되고, 이어서 다공성 실리카 나노쉘의 내부 및 외부에 배치된 복수의 금속 나노 입자 시드에 금속이온이 붙어 금속 나노 입자 시드가 성장하는 것일 수 있다.The step of growing the metal nanoparticle seeds; the tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer is decomposed, and then metal ions are attached to the plurality of metal nanoparticle seeds disposed inside and outside the porous silica nanoshell to form a metal Nanoparticle seeds may be growing.

상기 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계;에서 상기 금속 염화물은 HAuCL4, Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step of introducing the metal nanoparticle seed, the metal chloride may be at least one selected from the group consisting of HAuCL 4 , Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 .

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;에서 상기 금속 염화물은 HAuCL4, Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step of growing the metal nanoparticle seeds, the metal chloride may be at least one selected from the group consisting of HAuCL 4 , Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 .

상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;에서, 상기 환원제는 하이드로퀴논일 수 있다. 상기 하이드로퀴논 대신 다른 환원제로 대체한 경우에는 금속 이중층 구조가 형성되지 않을 수 있다.In the step of growing the metal nanoparticle seed, the reducing agent may be hydroquinone. When another reducing agent is substituted for the hydroquinone, the metal double layer structure may not be formed.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in various different forms, and is not limited to the embodiments described herein.

(나노 카탈로좀의 합성)(Synthesis of Nano Catalosomes)

내부가 비어있는 다공성 아민 실리카 나노쉘(h-SiO2)에 Au-시드를 도입한 입자(AuNC@h-SiO2), 및 TA-Fe(탄닌산-Fe) 배위 고분자로 이루어진 얇은 필름 화학반응을 변형, 이용하여 나노 카탈로좀을 합성하고자 하였다(도 7). 도 7은 AuNC@h-SiO2의 합성 과정을 TEM으로 관찰한 것으로 다공성 아민 실리카 나노쉘(h-SiO2)에 HAuCl4 및 NaBH4를 연속하여 처리한 후 TA-Fe 코팅하는 과정을 도시하고 있다.A thin film chemical reaction consisting of particles (AuNC@h-SiO 2 ), and TA-Fe (tannic acid-Fe) coordinated polymers with Au-seed introduced into the hollow porous amine silica nanoshell (h-SiO 2 ) It was attempted to synthesize a nano-catalosome using the modification (FIG. 7). 7 is a TEM observation of the synthesis process of AuNC@h-SiO 2 , and shows the TA-Fe coating process after continuous treatment with HAuCl 4 and NaBH 4 on a porous amine silica nanoshell (h-SiO 2 ). have.

이에, 직경이 75±3nm인 h-SiO2 (0.3ml, 10mg/ml) 및 HAuCl4 (1ml, 15mM)의 혼합물을 25℃에서 2시간동안 볼텍스(vortex, 1000 rpm)하여 h-SiO2의 내부 표면 및 외부 표면에 금(Au) 나노 입자 시드를 도입하였다. 과량의 HAuCl4를 증류수 (1ml, 2회)로 세척한 후, NaBH4 수용액 (0.2ml, 100 mM)을 빠르게 첨가하여 AuNC@h-SiO2의 갈색 용액을 원심 분리 및 세척한 뒤(1ml, 2회), 추가 사용을 위해 증류수에 분산 시켰다. PtNC@h-SiO2 및 PdNC@h-SiO2를 합성하기 위해, HAuCL4를 Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 각각 바꾸어 동일한 과정을 진행하였다. Thus, a mixture of h-SiO 2 (0.3ml, 10mg/ml) and HAuCl 4 (1ml, 15mM) having a diameter of 75±3nm was vortexed at 25° C. for 2 hours (vortex, 1000 rpm) to form h-SiO 2 Gold (Au) nanoparticles seeds were introduced on the inner and outer surfaces. After washing the excess HAuCl 4 with distilled water (1ml, 2 times), NaBH 4 aqueous solution (0.2ml, 100 mM) was quickly added to centrifuge and wash the brown solution of AuNC@h-SiO 2 (1ml, 2 times), and dispersed in distilled water for further use. To synthesize PtNC@h-SiO 2 and PdNC@h-SiO 2 , HAuCL 4 was replaced with Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 , respectively, and the same process was performed.

다음 단계에서 MNC@h-SiO2 (M=Au, Pt, Pd)의 수용액을 pH 10 (1M NaOH로 조정함)에서 탄닌산 (0.06ml, 10 mM) 및 염화철(III) (0.06ml, 10mM)과 혼합한 뒤 25℃에서 30초 동안 격렬하게 볼텍스함으로써, MNC@h-SiO2 표면에 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위-고분자 층을 코팅하였다. 생성된 입자는 원심 분리 및 증류수로 세척 (1ml, 2회)한 뒤 증류수에 분산시켰다. In the next step an aqueous solution of MNC@h-SiO 2 (M=Au, Pt, Pd) at pH 10 (adjusted with 1M NaOH) with tannic acid (0.06 ml, 10 mM) and iron(III) chloride (0.06 ml, 10 mM) After mixing with and vigorously vortexing at 25 °C for 30 seconds, MNC@h-SiO 2 Tannic acid-Fe(TA-Fe) coordination-polymer layer was coated on the surface. The resulting particles were centrifuged and washed with distilled water (1 ml, twice), and then dispersed in distilled water.

최종 단계에서, M이 Au인 경우, Au-이중층 구조의 나노 카탈로좀인 Au-4-Ncat의 합성을 위해, 이전 단계로부터 TA-Fe 코팅된 AuNC@h-SiO2를 PVP 수용액 (2%, 0.6ml)에 분산시킨 후 HAuCl4(0.9ml, 5mM) 및 하이드로퀴논(0.9ml, 50mM)을 연속적으로 첨가 하였다. 이는 Au-시드들을 균일하게 크게 성장시켜 h-SiO2 템플레이트 바깥 그리고 안쪽 표면에 빽빽하게 AuNP(금 나노입자) 유닛들을 자라게 함으로써 결과적으로 Au-이중층 구조의 나노 카탈로좀을 형성할 수 있다(도 2의 a 및 도 8). 그리고 반응 혼합물을 25 ℃에서 30분동안 볼텍스한 뒤 증류수로 세척하여(1ml, 2회) 적청색의 Au-4-NCat을 얻었다. In the final step, when M is Au, AuNC@h-SiO 2 coated with TA-Fe from the previous step for the synthesis of Au-4-Ncat, which is a nano-catalosome of an Au-double-layer structure, was mixed with a PVP aqueous solution (2% , 0.6ml) and then HAuCl 4 (0.9ml, 5mM) and hydroquinone (0.9ml, 50mM) were successively added. This allows Au-seeds to be uniformly and large to grow densely AuNP (gold nanoparticles) units on the outer and inner surfaces of the h-SiO 2 template, resulting in Au- double-layered nano-catalosomes can be formed (FIG. 2). a and Fig. 8). Then, the reaction mixture was vortexed at 25° C. for 30 minutes and then washed with distilled water (1 ml, twice) to obtain red-blue Au-4-NCat.

Au-1-NCat, Au-2-NCat, 및 Au-3-NCat의 합성을 위해, 0.38, 0.6, 0.75 ml의 HAuCl4(5mM) 및 하이드로퀴논 (50mM)을 각각 사용하였다. Au-1-NCat 내지 Au-4-NCat 에서 1 내지 4는 나노 카탈로좀에 부착된 금의 양에 따라 넘버링 한 것으로 1은 금의 양이 가장 적은 것, 4는 금의 양이 가장 많은 것을 의미한다.For the synthesis of Au-1-NCat, Au-2-NCat, and Au-3-NCat, 0.38, 0.6, and 0.75 ml of HAuCl 4 (5 mM) and hydroquinone (50 mM) were used, respectively. In Au-1-NCat to Au-4-NCat, 1 to 4 are numbered according to the amount of gold attached to the nano-catalosome, where 1 indicates the smallest amount of gold and 4 indicates the largest amount of gold. it means.

Au 나노 입자 성장 메커니즘은, TA-Fe 나노필름이 pH에 따른 Fe(III)-TA 배위화학에 의해 HAuCl4 존재 하에서 분해되고, AuNC@h-SiO2의 표면에 많은 자유 카테콜성 부분을 가지는 TA-올리고머를 형성한다. 뒤이어 다공성 아미노 실리카 층을 통해 Au-시드들을 향한 Au3+의 침투가 일어난다 (도 1의 a). 하이드로 퀴논을 다른 환원제로 대체한 경우 원하는 Au 이중층 구조는 나오지 않는다. 도 9 를 참조하면, 하이드로퀴논 대신 a. 아스코르브산(ascorbic acid), b. 구연산나트륨(sodium citrate), c. 수소화붕소 나트륨(sodium borohydride), 및 d.하이드록실 아민(hydroxylamine)을 환원제로 사용한 경우 이중층 구조가 얻어지지 않음을 확인할 수 있었다.Au nanoparticle growth mechanism, TA-Fe nanofilm is decomposed in the presence of HAuCl 4 by Fe(III)-TA coordination chemistry according to pH, AuNC@h-SiO 2 TA having many free catecholic moieties on the surface of -forms oligomers This is followed by penetration of Au 3+ towards Au-seeds through the porous amino silica layer (Fig. 1a). When hydroquinone is replaced with another reducing agent, the desired Au bilayer structure is not obtained. Referring to Figure 9, instead of hydroquinone a. ascorbic acid, b. sodium citrate, c. When sodium borohydride and d. hydroxylamine were used as reducing agents, it was confirmed that a double-layer structure was not obtained.

이 전략은 HAuCl4를 각각 Na2PtCl4 및 Na2PdCl4로 바꾸어 Pt 및 Pd (Pd-NCat 및 Pd-NCat)와 같은 각각의 다른 귀금속의 이중층 구조를 합성하는 데에도 적용되었다 (도 2의 b, c). TA-올리고머는 Au-이중층 구조 나노 카탈로좀 형성 후 증류수 세척 과정에서 세척되어 최종 생성품인 Au-1~4-NCat에는 잔존하지 않는다.This strategy was also applied to synthesize the bilayer structure of each other noble metal such as Pt and Pd (Pd-NCat and Pd-NCat) by replacing HAuCl 4 with Na 2 PtCl 4 and Na 2 PdCl 4 , respectively (Fig. 2). b, c). TA-oligomers do not remain in the final product, Au-1 to 4-NCat, as they are washed in distilled water after the formation of Au-double-layered nano-catalosomes.

즉, AuNC@h-SiO2에 그대로 HAuCl4로 시드를 성장시키면, Au-NCat가 성장되고, Na2PtCl4로 성장시키면 Pt/Au-NCat가 성장되고, Na2PdCl4로 성장시키면 Pd/Au-NCat가 성장될 수 있다.That is, when the seed is grown with HAuCl 4 as it is on AuNC@h-SiO 2 , Au-NCat is grown, and when grown with Na 2 PtCl 4 , Pt/Au-NCat is grown, and when grown with Na 2 PdCl 4 , Pd/Au-NCat is grown. Au-NCat can be grown.

제조된 Au-4-NCat는 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지에 나타난 바와 같이 (도 2의 a), 외부 Au 층이 내부 Au 층(11±1nm) 보다 약간 두껍게 (14±1nm) 성장하여 빽빽하게 배열된 Au 유닛들로 구성된 속 빈 금속 이중층 형태이다. 그리고 층간 공간은 AuNP들로 한정된 복수의 수 nm 크기의 동공(캐비티)을 포함하며, 이는 외부 Au 층의 응집되지 않은 AuNP 유닛 간 좁은 입자 간 채널을 통해 외부 접근이 가능하다. 본 실험예에서 Au-4-NCat의 경우 직경 0.5 내지 6nm의 동공을 가지는 것으로 나타났다. 동공 6nm는 가장 큰 것이고, 일반적으로 0.5 내지 2nm 내의 동공이 다수 존재하였고, 이들이 촉매 활성을 나타내는데 유리하다.As shown in the transmission electron microscopy (TEM) image of the prepared Au-4-NCat (FIG. 2a), the outer Au layer grew slightly thicker (14 ± 1 nm) than the inner Au layer (11 ± 1 nm) and was densely arranged It is in the form of a hollow metal bilayer composed of fused Au units. And the interlayer space includes a plurality of cavities (cavities) with a size of several nm defined by AuNPs, which can be accessed externally through narrow interparticle channels between non-agglomerated AuNP units in the outer Au layer. In this experimental example, it was found that Au-4-NCat had pupils of 0.5 to 6 nm in diameter. The pupil 6 nm is the largest, and there were generally many pores within 0.5 to 2 nm, which are advantageous for exhibiting catalytic activity.

제조된 Au-1-NCat 내지 Au-3-NCat는 이의 TEM 이미지를 도시한 도 8에서도 나타나듯이 Au-4-NCat에 비하여 외부 및 내부 Au 층의 경계가 명확하게 나타나지 않는다.The prepared Au-1-NCat to Au-3-NCat do not clearly show the boundary between the outer and inner Au layers compared to Au-4-NCat as shown in FIG. 8 showing its TEM image.

본 개시의 제조방법은, 나노 카탈로좀 제조에 사용된 금속 전구체의 양에 따라 플라즈모닉(Au) 성분의 크기와 공간적 구성을 미세하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 적은 양의 HAuCl4를 사용하면 더 큰 입자 간 분리 및 내부 층과 외부 층 사이의 더 넓은 공간을 가지는 작은 AuNPs를 초래한다. 더 많은 양의 Au3+를 사용함에 따라 점진적으로 외부와 내부 층의 두께가 커진다 (Pt/Au-1~4-NCat에 대한 도 3의 a, Pd/Au-1~4-NCat에 대한 도 2의 c 및 도 11, ICP에 의해 Pt/Pd: Au = 20:80으로 추정됨). 즉, 외부 및 내부 Au 층의 두께, AuNP 유닛 사이의 입자 간 거리 및 이에 의해 층간 나노 캐비티의 크기 및 기하학적 구조는 미세하게 조정될 수 있다. 이러한 구조적 변형은 서로 다른 구조의 광학, 열 플라즈몬 및 촉매 특성에 큰 영향을 미치는 ‘핫스팟’의 플라즈몬 결합 및 구조를 조정하고 최적화할 수 있다.The manufacturing method of the present disclosure can finely control the size and spatial configuration of the plasmonic (Au) component according to the amount of the metal precursor used to prepare the nano-catalosome. For example, the use of small amounts of HAuCl 4 results in larger inter-particle separation and smaller AuNPs with larger spaces between the inner and outer layers. As a larger amount of Au 3+ is used, the thickness of the outer and inner layers gradually increases (a in FIG. 3 for Pt/Au-1 to 4-NCat, a diagram for Pd/Au-1 to 4-NCat) 2 c and FIG. 11 , estimated as Pt/Pd: Au = 20:80 by ICP). That is, the thickness of the outer and inner Au layers, the interparticle distance between AuNP units, and thereby the size and geometry of the interlayer nanocavities can be finely tuned. These structural modifications can tune and optimize the plasmonic coupling and structure of the 'hotspots', which have a significant impact on the optical, thermal plasmonic and catalytic properties of different structures.

또한, Pt, Pd 전구체인 Na2PtCl4 (5mM) 및 Na2PdCl4 (5mM)를 70℃의 에틸렌 글리콜로 환원시킨 후, Au-4-NCat의 플라즈몬 이중층 구조에 Pt, Pd를 증착시킬 수 있다. 이로써, 다양한 촉매 금속 (Pt 및 Pd)으로 기능화되어 두 가지 금속으로 된 이중층 구조, 즉 Pt/Au-4-NCat 및 Pd/Au-4-NCat를 제공할 수 있다. 구체적으로, M/Au-4-NCat (M=pt, Pd) 합성을 위해, Au-4-NCat의 용액을 Na2PtCl4/Na2PdCl4 (0.2ml, 5mM H2O 중) 및 에틸렌 글리콜(0.5ml)과 혼합하고 반응 혼합물을 70℃에서 15분 동안 볼텍스하고, 생성된 NP를 증류수(1ml, 2회)로 세척하였다. 제조된 M/Au-4-Ncat를 HAADF-STEM, EDS elemental mapping, line-profiling 그리고 X-선 광전자 분광법(XPS)로 분석하였다 (도 2의 b, c, 도 10, 및 도 11). Pt/Pd 금속은 외부 및 내부 층 모두의 플라즈몬 AuNP 유닛들 상에 코팅되었음을 확인할 수 있었다. 또한 인접한 AuNP 유닛들 및 인터쉘 나노공간 사이의 입자간 나노갭이 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다. 특히, 동공 쉘-안-쉘 배열 내에 수많은 3차원 나노 동굴이 구성됨을 확인할 수 있었다.In addition, after reducing Pt and Pd precursors, Na 2 PtCl 4 (5mM) and Na 2 PdCl 4 (5mM) with ethylene glycol at 70°C, Pt and Pd can be deposited on the plasmonic double layer structure of Au-4-NCat. have. Thereby, it can be functionalized with various catalytic metals (Pt and Pd) to provide a bilayer structure of two metals, namely Pt/Au-4-NCat and Pd/Au-4-NCat. Specifically, for M/Au-4-NCat (M=pt, Pd) synthesis, a solution of Au-4-NCat was mixed with Na 2 PtCl 4 /Na 2 PdCl 4 (0.2ml, in 5mM H 2 O) and ethylene It was mixed with glycol (0.5 ml) and the reaction mixture was vortexed at 70° C. for 15 minutes, and the resulting NPs were washed with distilled water (1 ml, twice). The prepared M/Au-4-Ncat was analyzed by HAADF-STEM, EDS elemental mapping, line-profiling, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Fig. 2 b, c, Fig. 10, and Fig. 11). It could be confirmed that Pt/Pd metal was coated on the plasmonic AuNP units of both the outer and inner layers. In addition, it was confirmed that the inter-particle nanogap between the adjacent AuNP units and the intershell nanospace was constantly maintained. In particular, it was confirmed that numerous 3D nanocaves were formed in the pupil shell-in-shell arrangement.

(나노 카탈로좀의 플라즈몬 특성)(plasmonic properties of nano-catalosomes)

도 3의 b에 보이는 바와 같이, 상이한 Pt/Au-1~4-NCat 구조에서 AuNP 유닛의 크기가 점진적으로 증가함에 따라, 광흡수율 향상과 가시광선에서 근적외선 영역으로의 UV-vis 스펙트럼의 현저한 확장이 관찰되었다. 이는 AuNP 유닛 사이의 입자간 나노 갭이 매우 좁아졌을 때(1nm 이하) 한정된 동공들이 인터쉘 나노공간에 광범위하게 형성되면서 발생하는 플라즈몬 결합 효과 때문이다.As shown in Fig. 3b, as the size of AuNP units in different Pt/Au-1~4-NCat structures gradually increased, the light absorption rate was improved and the UV-vis spectrum from visible to near-infrared region was significantly expanded. This was observed. This is because of the plasmon coupling effect that occurs when the nano-gap between the AuNP units becomes very narrow (below 1 nm) when the limited cavities are extensively formed in the intershell nanospace.

또한, Pt/Au-1~4-NCat는 태양광(300 W Xe lamp, 1W/cm2)을 이용한 광열 변환에서 높은 효율을 보였으며, 다양한 NCat 구조와 농도를 통해 광열 온도를 잘 제어할 수 있었다. Pt/Au-4-NCat의 경우, 광 노출 6분이내, NP 농도 0.5mg/ml 조건에서 Pt/Au-1~4-NCat의 구조들 사이에서 최고 온도 상승(최대 90℃)을 보였다 (도 12의 a). 반면에, 동일한 광량에서 NP 농도를 0.05mg/ml로 낮추어 용액 온도를 상온(최대 28℃)에 가깝게 유지할 수 있었다 (도 12의 b). In addition, Pt/Au-1~4-NCat showed high efficiency in photothermal conversion using sunlight (300 W Xe lamp, 1W/cm 2 ), and can control photothermal temperature well through various NCat structures and concentrations. there was. In the case of Pt/Au-4-NCat, the highest temperature rise (up to 90° C.) was shown between the structures of Pt/Au-1 to 4-NCat within 6 minutes of light exposure and at an NP concentration of 0.5 mg/ml ( FIG. 12 ). of a). On the other hand, by lowering the NP concentration to 0.05 mg/ml at the same amount of light, it was possible to maintain the solution temperature close to room temperature (up to 28° C.) ( FIG. 12 b ).

특히, 광열 효과는 Pt/Au-4-NCat, Pd/Au-4-NCat 및 Au-4-NCat 사이에서 유의미한 차이를 보이지 않았으며 (도 12의 c), 이는 열 플라즈몬 성질에서 촉매 성분(Pt/Pd)의 영향이 매우 적음을 나타낸다. In particular, the photothermal effect did not show a significant difference between Pt/Au-4-NCat, Pd/Au-4-NCat and Au-4-NCat (FIG. 12 c), which is a catalytic component (Pt in thermal plasmonic properties). /Pd) is very small.

전자기 핫스팟의 존재를 검증하기 위해서, Au-1~4-NCat에서 4-아미노티오페놀(4-ATP, Raman reporter)의 표면 강과 라만 산란 (Surface-enhanced Raman Scattering, SERS) 스펙트럼을 측정하였다. 도 3의 c에서 볼 수 있듯, Au-4-NCat의 경우가 다른 Au-1~3-NCat에 비하여 1072 cm-1(C-S stretching) 및 1572 cm-1(C-C stretching)에서의 SERS 신호 강도가 극적으로 증가하였다(AuNC@h-SiO2보다 약 34배). 여기서, 가장 좁은 플라즈몬 나노 캐비티가 이중층에 형성되어 최대수의 높은 결합 전자기 핫스팟을 생성한다. To verify the existence of electromagnetic hotspots, the surface intensity and surface-enhanced Raman Scattering (SERS) spectra of 4-aminothiophenol (4-ATP, Raman reporter) in Au-1~4-NCat were measured. As can be seen from c of FIG. 3 , the SERS signal intensity at 1072 cm −1 (CS stretching) and 1572 cm −1 (CC stretching) was higher in the case of Au-4-NCat compared to other Au-1 to 3-NCat. increased dramatically (about 34 times that of AuNC@h-SiO 2 ). Here, the narrowest plasmonic nanocavities are formed in the bilayer, creating the maximum number of highly coupled electromagnetic hotspots.

또한, 상이한 Au-1~4-NCat에서 정확한 광열 국부 온도를 추정하기 위해, 이전에 보고된 라만 온도 측정법이 사용되었으며, 이는 볼츠만 분포에서 온도에 따른 진동 상태수에 비례하는, 스토크 및 안티-스토크 SERS 피크 세기를 기반으로 한다 (세부사항은 SI에 명시). Au-4-NCat의 국부 온도는 약 180 ℃으로 추정된다 (도 3의 d). In addition, to estimate accurate photothermal local temperatures in different Au-1 to 4-NCat, the previously reported Raman thermometry was used, which is proportional to the number of vibrational states with temperature in the Boltzmann distribution, Stokes and anti-Stokes. Based on SERS peak intensity (details specified in SI). The local temperature of Au-4-NCat is estimated to be about 180 °C (Fig. 3d).

이하 제어 가능한 구조, 조성 및 광학/플라즈몬 성질을 가지는 다양한 NCat를 합성하고, 이중층 구조에서 높은 결합 전자기 및 핫스팟의 존재를 확립한 뒤, 이들의 촉매적 응용성을 위한 테스트를 수행하였다.Hereinafter, various NCat with controllable structure, composition, and optical/plasmonic properties were synthesized, and after establishing the presence of high-coupled electromagnetic and hotspots in the bilayer structure, tests for their catalytic applicability were performed.

(Pt/Au-나노 카탈로좀을 이용한 THQs 및 유도체의 탈수소화반응 과정)(Dehydrogenation of THQs and derivatives using Pt/Au-nano catalosomes)

Pt/Au-1~4-NCat를 이용하여 다른 첨가제가 없는 유일한 에너지원으로서 태양광 하에서의 N-헤테로 사이클의 탈수소반응(Acceptorless Dehydrogenation, AD)을 실험하였다 (도 4). 탈수소반응은 수많은 제약 및 생체 활성 헤테로사이클릭 스캐폴드의 합성에서 중요한 단계로서 상업적인 연료 전지용 수소 저장 물질로서 유기 수소화물을 촉진시키는 데 큰 가치가 있다.Acceptorless dehydrogenation (AD) of the N-hetero cycle under sunlight as the only energy source without other additives was tested using Pt/Au-1~4-NCat ( FIG. 4 ). Dehydrogenation is an important step in the synthesis of numerous pharmaceutical and bioactive heterocyclic scaffolds of great value to promote organic hydrides as hydrogen storage materials for commercial fuel cells.

종래의 N-헤테로 사이클의 2단계 고흡열 탈수소반응의 경우, 재활용이 불가능하고 공기에 민감한 금속 기반 균일 촉매, 가혹한 고온조건(135℃ 초과), 긴 반응시간 (24시간 초과) 및 추가 산화제, 염기 및 수소 수용체가 필요한 불균일 촉매를 사용 및 매우 까다로운 합성 조건과 독성의 암모니아 흐름, 좁은 광흡수 프로파일과 높은 촉매량에 비한 긴 반응시간이 필요한 아주 소수의 광촉매를 사용하여 수행되었다 (도 4의 a). In the case of the conventional two-step highly endothermic dehydrogenation reaction of the N-hetero cycle, a non-recyclable and air-sensitive metal-based homogeneous catalyst, harsh high-temperature conditions (over 135°C), long reaction time (>24 hours), and additional oxidizing agents, bases and a heterogeneous catalyst that requires a hydrogen acceptor, very difficult synthesis conditions, toxic ammonia flow, a narrow light absorption profile, and a very small number of photocatalysts that require a long reaction time compared to a high catalyst amount (FIG. 4a).

이에, Pt/Au-1~4-NCat (0.5mol% Pt) 및 태양광 (300W Xe lamp, 0.7 W/cm2) 존재 하에서 AD 촉매 반응을 조사하기 위하여 기질로서 1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린(THQ)을 전환시키기로 하였다.Accordingly, 1,2,3,4- as a substrate to investigate the AD catalyst reaction in the presence of Pt/Au-1~4-NCat (0.5 mol% Pt) and sunlight (300W Xe lamp, 0.7 W/cm 2 ) It was decided to convert tetrahydroquinoline (THQ).

THQ (1,2,3,4-테트라하이드로퀴놀린, 0.11 mmol) 및 Pt/Au-1~4-Ncat ([Pt] = 0.50mol%)를 쿼츠 반응 셀에서 DMSO-d6 (3.0ml)에 용해시켰다. 순환 냉각 시스템에 의한 조사광의 열적 영향을 제외한 벌크 온도 제어 조건 (약 25 ℃) 및 어두운 환경/빛 조사 (510 mM 통과 필터가 있는 300 W Xe 램프, 입사광의 전력 밀도는 0.7 Wcm-2) 조건에서 반응을 진행하였다. Dissolve THQ (1,2,3,4-tetrahydroquinoline, 0.11 mmol) and Pt/Au-1 to 4-Ncat ([Pt] = 0.50 mol%) in DMSO-d6 (3.0 ml) in a quartz reaction cell made it Under the condition of bulk temperature control (about 25 ℃) and dark environment/light irradiation (300 W Xe lamp with 510 mM pass filter, power density of incident light is 0.7 Wcm -2 ) excluding the thermal effect of irradiated light by the circulation cooling system The reaction proceeded.

1H NMR을 통해 생성물 퀴놀린의 시간 경과 수율 측정을 하여 반응을 모니터링 하였다 (도 4의 b). Pt/Au-4-NCat을 사용했을 때, 생성물 퀴놀린이 5분 내에 형성되기 시작하였으며, 벌크 반응 온도 25 ℃에서 30분 내에 수율>99%에 도달하였다 (TOFPt = 430h-1). NCat의 한정된 이중층 구조에서 고도로 국소화된 광열 효과로 인해 벌크 반응 용액의 온도는 크게 상승하지 않았다. 반면, 태양광이 없는 경우 2시간 경과 후에도 퀴놀린이 형성되지 않았다. 동일한 반응 조건 하에서 층간 동공이 적고, 플라즈몬 갭이 넓은 Pt/Au-1~3-NCat의 경우 훨씬 느린 반응을 보여 각각 10 %, 17 % 및 48 %의 수율을 제공하여 NCat의 구조가 촉매 성능에 주요한 영향을 미침을 알 수 있었다 (도 4의 d).The reaction was monitored by measuring the time-lapse yield of the product quinoline through 1H NMR (FIG. 4b). When using Pt/Au-4-NCat, the product quinoline started to form within 5 minutes and reached a yield >99% within 30 minutes at a bulk reaction temperature of 25 °C (TOFPt = 430h -1 ). The temperature of the bulk reaction solution did not rise significantly due to the highly localized photothermal effect in the confined bilayer structure of NCat. On the other hand, in the absence of sunlight, quinoline was not formed even after 2 hours. Under the same reaction conditions, Pt/Au-1~3-NCat with small interlayer cavities and wide plasmon gap showed much slower reaction, providing yields of 10%, 17%, and 48%, respectively, so that the structure of NCat affects the catalytic performance. It was found to have a major effect (Fig. 4d).

Pt/Au-4-NCat를 사용하는 단일 반응을 시간 경과에 따라 광원 on/off 순서로 모니터링한 경우에, 태양광 조사 구간에선 THQ가 퀴놀린으로 부드럽게 변형되는 것이 관찰되었지만 (도 4의 c), 광원이 off되자 변형이 중지되었다. 이 결과는 반응이 연속적인 플라즈몬 여기에서만 진행될 수 있음을 뜻한다.When a single reaction using Pt/Au-4-NCat was monitored in the order of on/off of the light source over time, it was observed that THQ was smoothly transformed into quinoline in the sunlight irradiation section (Fig. 4c), The transformation stopped when the light source was turned off. This result means that the reaction can only proceed with continuous plasmonic excitation.

촉매 효과에 대한 Pt/Au-4-NCat의 플라즈몬 성분의 효과를 구분하기 위해, Pt-NCat (Au 성분이 없는 Pt 이중층)을 태양광 하에서 THQ의 탈수소반응을 테스트하여 5% 미만의 수율 (TOFPt < 10 h-1)을 보임을 확인하였다 (도 4의 d). 이는 Pt/Au-4-NCat의 높은 촉매 성능에서 플라즈몬 성분이 중요한 역할을 하는 것을 의미한다.To distinguish the effect of the plasmonic component of Pt/Au-4-NCat on the catalytic effect, Pt-NCat (Pt bilayer without Au component) was tested for the dehydrogenation of THQ under sunlight with a yield of less than 5% (TOFPt). < 10 h -1 ) was confirmed (FIG. 4 d). This means that the plasmonic component plays an important role in the high catalytic performance of Pt/Au-4-NCat.

금속 이중층 구조와 그에 따른 층간 플라즈몬-촉매 나노 동공의 효과를 추가로 검증하기 위해, 우리는 실리카 나노 입자에 Pt 개질 된 AuNP 유닛으로 구성된 단일 쉘만을 갖는 나노 촉매를 합성하였다 (도 13). 이는 내부 AuPt 층이 없는 것을 제외하고는 Pt/Au-4-NCat와 구조적으로 매우 유사한 나노구조체로, 본 개시에서는 s-Pt/Au-NCat로 명명하기로 한다. 이 s-Pt/Au-NCat는 THQ에서 퀴놀린으로의 수율이 25% (TOF = 65 h-1)로서, 이중층 구조를 가지는 Pt/Au-4-NCat보다 훨씬 열등한 성능을 보였다 (도 4의 d).To further verify the effect of the metal bilayer structure and the resulting interlayer plasmon-catalyzed nanopores, we synthesized a nanocatalyst with only a single shell composed of Pt-modified AuNP units on silica nanoparticles (Fig. 13). This is a nanostructure structurally very similar to Pt/Au-4-NCat except that there is no inner AuPt layer, and in the present disclosure, it will be named as s-Pt/Au-NCat. This s-Pt/Au-NCat had a yield of 25% from THQ to quinoline (TOF = 65 h −1 ), which was much inferior to Pt/Au-4-NCat having a bilayer structure (Fig. 4d). ).

특히, Pt/Au-4-NCat의 TOF(h-1)는 동일한 반응 조건 하에서 기존의 플라즈몬 촉매 중 가장 최신인 Pt-AuNR(Pt-Au 나노로드), 보다 최대 11배 높은 것으로 나타났다. 이는 고립된 플라즈몬 NP 기반 촉매에 비해 NCat의 이중층에 제한된 플라즈몬 촉매 구조가 큰 장점을 가짐을 나타낸다.In particular, the TOF (h -1 ) of Pt/Au-4-NCat was found to be up to 11 times higher than that of Pt-AuNR (Pt-Au nanorods), which is the latest among existing plasmonic catalysts under the same reaction conditions. This indicates that the plasmonic catalyst structure confined to the bilayer of NCat has great advantages over isolated plasmonic NP-based catalysts.

또한, 탈수소화 반응에 대해 이전에 보고 된 광촉매 h-BCN과 비교하여 (0.3 mmol의 기질에 대해 10mg의 촉매를 사용하여 12시간 동안 83% 전환), Pt/Au-4-NCat는 훨씬 더 빠른 반응을 나타냈다 (99% 이상 전환, 0.11mmol 기질에 대해 0.5 mol% [Pt]를 사용하여 30분 동안 반응). 또한, 태양광 활성화 된 Pt/Au-4-NCat는 열적으로 활성화 된 상용 Pt/C (벌크 반응 온도 120 ℃)에 비해 최대 35배 더 높은 TOF (벌크 반응 온도 25 ℃)를 보였으며, 이는 열 조건에서만 적용 가능한 기존 촉매에 비해 태양광 유도 Pt/Au-4-NCat가 커다란 장점을 가짐을 의미한다.In addition, compared to the previously reported photocatalytic h-BCN for the dehydrogenation reaction (83% conversion in 12 h using 10 mg of catalyst for 0.3 mmol of substrate), Pt/Au-4-NCat was significantly faster A reaction was shown (>99% conversion, reaction for 30 min using 0.5 mol % [Pt] to 0.11 mmol substrate). In addition, solar-activated Pt/Au-4-NCat exhibited up to 35-fold higher TOF (bulk reaction temperature of 25 °C) compared to thermally activated commercial Pt/C (bulk reaction temperature of 120 °C), which It means that solar-induced Pt/Au-4-NCat has a great advantage over existing catalysts that can only be applied under conditions.

반응 후, Pt/Au-4-NCat는 원심 분리 (10,000 rpm, 5분)에 의해 쉽게 회수 될 수 있고, 최소한의 활성 손실로 새로운 반응에 재사용 될 수 있으며, 5 사이클 후 TOF에서 전체 13%의 손실을 보이며 여전히 >99% 전환율을 달성한다. 반면, 첫번째 사용 후 Pt-AuNR 촉매를 사용한 생성물 수율은 두 번째 사이클에서 90%까지 감소하였다 (도 14 및 도 15). After the reaction, Pt/Au-4-NCat can be easily recovered by centrifugation (10,000 rpm, 5 min) and reused in a new reaction with minimal loss of activity, and 13% of the total in TOF after 5 cycles. At a loss, it still achieves >99% conversion. On the other hand, the product yield using the Pt-AuNR catalyst after the first use decreased to 90% in the second cycle ( FIGS. 14 and 15 ).

THQ 유도체를 사용하는 경우의 촉매 성능을 확인하였다. 반응 혼합물을 도 4에 언급된 THQ 유도체인 각각의 기질에 대해 서로 다른 시간 교반하였다. 도4의 e 각 화합물에 괄호안의 숫자가 각각 교반한 시간을 의미한다. 각각의 반응시간에서, 반응 표본을 취하여 전환율 및 수율을 내부 NMR 표준 다이브로모메탄 (2H, 4.93 ppm)을 사용하여 측정하였다. 모든 생성물은 추가 정제없이 NMR 분광법을 통해 측정하였다. 전환수 (TOF)는 촉매에 사용된 총 Pt양을 기준으로 완전한 전환 시간에 최대 수율로부터 계산되었다. The catalyst performance in the case of using the THQ derivative was confirmed. The reaction mixture was stirred for different times for each substrate, the THQ derivative mentioned in FIG. 4 . In Figure 4e, the number in parentheses for each compound means the stirring time. At each reaction time, a reaction sample was taken and conversion and yield were measured using an internal NMR standard dibromomethane (2H, 4.93 ppm). All products were determined via NMR spectroscopy without further purification. The number of conversions (TOF) was calculated from the maximum yield at complete conversion time based on the total amount of Pt used in the catalyst.

도 4의 e에 나타낸 바와 같이, Pt/Au-4-NCat는 다양한 N-헤테로 사이클들을 우수한 수율 및 TOF로 탈수 소화된 생성물들로 전환 시켰다. 다만 벌크 사이즈의 1-ix의 기질은 6시간의 반응 후에도 검출 가능한 탈수소화 생성물 2-ix를 나타내지 않았는데, 이러한 현저한 특정 비 반응성은 반응을 하는 인터쉘 캐비티에 부피가 큰 기질의 접근에 제한되었기 때문이다. 또한, Pt/Au-4-NCat를 사용한 탈수소반응에 O-함유 헤테로 사이클 (예: 테트라 하이드로 벤조 퓨란, 1-viii)이 반응하지 않았으며, 이러한 불활성은 귀금속-매개 탈수화 단계에서 중요한 루이스 염기성 질소의 부족으로 인한 것으로 보인다. As shown in Fig. 4e, Pt/Au-4-NCat converted various N-hetero cycles into dehydrogenated products in excellent yield and TOF. However, the bulk-sized substrate of 1-ix did not show detectable dehydrogenation product 2-ix even after 6 h of reaction, because this remarkable specific non-reactivity was limited to the access of the bulky substrate to the intershell cavity for the reaction. to be. In addition, O-containing heterocycles (e.g., tetrahydrobenzofuran, 1-viii) did not react in the dehydrogenation reaction using Pt/Au-4-NCat, and this inactivation is an important Lewis basicity in the noble metal-mediated dehydration step. It appears to be due to a lack of nitrogen.

Pt/Au-4-NCat의 높은 촉매 성능은 다음과 같이 해석된다. Pt/Au-4-NCat의 독특하고 강력한 복합 이중층 구조에서, 내부 및 외부 층에 촘촘하게 형성된 Pt 개질 된 AuNP 유닛들은 층간 영역 내에 다수의 플라즈몬-촉매 나노 캐비티를 형성하며, 이는 수많은 나노 크기로 제한된 촉매 활성 부위뿐만 아니라 막대한 전자기장을 활용 및 국소 광열 효과 및 고온 전하 운반체를 효율적으로 생성할 수 있는 계면 촉매 부위의 직접 접촉에서 높은 결합 플라즈몬 핫스팟(도 3, SERS로 확인됨)을 제공하여, 한정된 이중층 나노공간 내에서 N-헤테로 사이클로부터 [Pt/Au]-매개 H2 제거를 효과적으로 수확하였다. 이러한 구조적 특징은 Pt/Au-4-NCat의 전체 촉매 성능에 상승적인 영향을 미친다. 특히, 층간 한정된 공간은 결과로부터 확증된 바와 같이 나노 카탈로좀 설계에서 가장 중요한 구조적 특징이다. 즉, Pt/Au-1~4-NCat의 구조에 따른 촉매 성능 차이가 있고, 이는 이중층 공간 내에 광범위한 한정된 플라즈몬 촉매 나노 캐비티를 가진 Pt/Au-4-NCat가 가장 높은 반응성을 보인다. 또한, 층간 공간이 없는 단층 쉘(s-Pt/Au-NCat)의 열등한 성능을 나타냄을 확인할 수 있고, Pt/Au-4-NCat의 이중층 내 한정된 캐비티에 접근 불가한 벌크 사이즈의 기질의 경우 반응성이 낮음을 확인할 수 있었다.The high catalytic performance of Pt/Au-4-NCat is interpreted as follows. In the unique and robust complex bilayer structure of Pt/Au-4-NCat, the Pt-modified AuNP units densely formed in the inner and outer layers form a number of plasmon-catalyzed nanocavities within the interlayer region, which is a catalyst limited to numerous nanoscale sizes. By providing a high binding plasmonic hotspot (Fig. 3, confirmed by SERS) at the active site as well as direct contact of the interfacial catalytic site, which can utilize enormous electromagnetic fields and efficiently generate local photothermal effects and high-temperature charge carriers, the confined bilayer nano [Pt/Au]-mediated H 2 removal from the N-hetero cycle in space was effectively harvested. These structural features synergistically affect the overall catalytic performance of Pt/Au-4-NCat. In particular, the limited space between layers is the most important structural feature in the design of nano-catalosomes, as confirmed from the results. That is, there is a difference in catalytic performance depending on the structure of Pt/Au-1 to 4-NCat, and this shows that Pt/Au-4-NCat with a wide range of limited plasmonic catalyst nano-cavities in the double layer space shows the highest reactivity. In addition, it can be confirmed that the monolayer shell without interlayer space (s-Pt/Au-NCat) exhibits inferior performance, and in the case of a bulk-sized substrate inaccessible to the limited cavity in the bilayer of Pt/Au-4-NCat, the reactivity This low was confirmed.

(Pd/Au-나노 카탈라좀을 이용한 스즈키-미야우라 교차 결합 반응)(Suzuki-Miyaura cross-linking reaction using Pd/Au-nano catalasome)

나노 카탈로좀의 응용 범위는 Pd/Au-1~4-NCat를 사용하여 아릴 할라이드 및 붕소산과 반응하여 바이아릴을 생성하는 스즈키-미야우라 교차 결합 반응으로 확장될 수 있다. 종전에는, 이러한 반응들은 간단한 Pd-AuNR 및 Pd-AuNP 기반 촉매를 사용하는 플라즈몬-유도 조건 하에서 입증되었다. The application range of nano-catalosomes can be extended to the Suzuki-Miyaura cross-linking reaction using Pd/Au-1 to 4-NCat to generate biaryl by reaction with aryl halide and boric acid. Previously, these reactions were demonstrated under plasmon-induced conditions using simple Pd-AuNR and Pd-AuNP based catalysts.

쿼츠 반응 셀에 보론산 (0.6mmol), 탄산 칼륨 (1mmol), 요오드 벤젠 (0.5 mmol) 및 물과 에탄올의 혼합물 (4:1, 2ml)에 분산된 Pd/Au-1~4-Ncat ([Pd] = 0.01 mol%)를 넣는다. 어두운 환경 또는 광 조사 (510 nm 필터를 갖는 300 W Xe 램프, 입사광의 전력 밀도는 0.7 W/cm2) 하에 상이한 시간 동안 반응을 수행하였다. 반응 역학 조사를 수행하기 위해서 각각의 반응시간에서 시료를 채취하여 CP7502-Chirasil 컬럼 (25 m * 0.25 mm * 0.25 um) 이용한 GC 분석 (YL6500)을 진행하였다. 생성물을 추가 정제없이 NMR 분광법을 통해 분석한 뒤, 전환수(TOF)를 촉매에 사용된 총 Pd 양을 기준으로 각각의 반응 시간에 대해 최대 수율로부터 계산하였다. Pd/Au-1~4-Ncat ([[#] Pd] = 0.01 mol%). Reactions were performed for different times in a dark environment or under light irradiation (300 W Xe lamp with 510 nm filter, power density of incident light is 0.7 W/cm 2 ). To investigate the reaction kinetics, samples were collected at each reaction time and GC analysis (YL6500) using a CP7502-Chirasil column (25 m * 0.25 mm * 0.25 um) was performed. After the product was analyzed via NMR spectroscopy without further purification, the water of conversion (TOF) was calculated from the maximum yield for each reaction time based on the total amount of Pd used in the catalyst.

페닐보론산과 아이오도벤젠 사이의 시험 반응에서, Pd/Au-4-NCat (0.01 mol% Pd)는 태양광 조사 (300 W Xe lamp, 0.7 W/cm2) 하에서 벌크 용액 온도를 25℃로 유지하면서 바이아릴 생성물로의 전환을 정량적 수율(TOF=최대 18s-1)로 제공하였다. 즉 적은 양의 Pd(0.01mol%)를 사용하고서도 높은 TOF를 달성하였다. 반면에, 어두운 조건 하에서는 변환 수율이 6% 이하로 떨어졌다(도 5의 a, b).In the test reaction between phenylboronic acid and iodobenzene, Pd/Au-4-NCat (0.01 mol% Pd) maintained the bulk solution temperature at 25°C under sunlight irradiation (300 W Xe lamp, 0.7 W/cm 2 ) while providing the conversion to the biaryl product in quantitative yield (TOF=maximum 18s −1 ). That is, high TOF was achieved even with a small amount of Pd (0.01 mol%). On the other hand, under dark conditions, the conversion yield dropped to 6% or less (FIG. 5 a, b).

동일한 반응 조건 하에서, 대조군 촉매들 Pd-NCat (Au 성분이 없는 Pd 이중층, TOF =0.9s-1), Pd-NCat와 Au-4-NCat의 물리적 혼합물(TOF=1.2s-1) 그리고 Pd-AuNR (TOF=2.1s-1)은 Pd/Au-4-NCat (TOF=최대 18s-1)보다 훨씬 열등한 성능을 나타냈다 (도 5의 c). 도 5의 d에서 볼 수 있듯이, Pd/Au-4-NCat (0.01 mol% Pd)는 태양광 조사 하에서 (300 W Xe lamp, 0.7 W/cm2) 짧은 시간 내에 광범위한 아릴 할라이드 및 붕소산을 상응하는 바이아릴 생성물로 깨끗하게 전환시켰다.Under the same reaction conditions, control catalysts Pd-NCat (Pd bilayer without Au component, TOF =0.9s -1 ), a physical mixture of Pd-NCat and Au-4-NCat (TOF=1.2s -1 ) and Pd- AuNR (TOF=2.1s −1 ) showed much inferior performance to Pd/Au-4-NCat (TOF=maximum 18s −1 ) ( FIG. 5 c ). As can be seen in Fig. 5d, Pd/Au-4-NCat (0.01 mol% Pd) corresponds to a wide range of aryl halides and boronic acid in a short time under sunlight irradiation (300 W Xe lamp, 0.7 W/cm 2 ) was converted cleanly to the biaryl product.

Pd/Au-4-NCat는 이전에 사용되던 Pd 기반 촉매들 중 최고인 Pd-AuNR 보다 20배 가량 높은 TOF (최대 18s-1)를 달성했는데 이는, 금속 이중층 디자인에서, 수많은 수 nm 크기의 플라즈몬-촉매 중간층 캐비티들은 Pd/Au-4-NCat의 높은 반응성에서 중요한 역할을 하기 때문으로 보인다. 즉, 고 결합 전자기 핫스팟에서 생성된 국소 광열 효과 및 풍부한 열전자는 아릴 할라이드의 [Pd] 촉매된 C-I 결합의 분리를 촉진하기 위해 효율적으로 활용될 수 있으며, 이는 전체 교차 결합 반응의 기본 단계이다. Pd/Au-4-NCat achieved a TOF (up to 18s −1 ) that was 20 times higher than that of Pd-AuNR, the highest among previously used Pd-based catalysts, which in a metal bilayer design, It seems that the catalytic interlayer cavities play an important role in the high reactivity of Pd/Au-4-NCat. That is, the local photothermal effect and abundant thermoelectrons generated in the high-bonding electromagnetic hotspot can be efficiently utilized to promote the cleavage of the [Pd]-catalyzed Cl bond of the aryl halide, which is a basic step in the overall cross-linking reaction.

(Au-나노 카탈로좀을 사용한 알킨 고리화 반응)(Alkyne Cyclization Using Au-Nano Catalosomes)

Au 기반 촉매들은 다른 작용기의 존재 하에서 알킨기와의 선택적인 결합 친화력으로 인해 유기 합성에서 특별한 위치를 가지며, 제약 및 생화학 분야에서 유용하고도 독특한 다양한 분자 변환을 일으킬 수 있다. 그러나, 이들 알킨-활성화 기반 화학들의 대부분은 재생 불가능한 균일 Au(I/III)-복합체나 아주 적은 예의 재생 가능하지만 반응성이 낮은 친환경 Au기반 촉매에서만 가능하다.Au-based catalysts have a special place in organic synthesis due to their selective binding affinity with alkyne groups in the presence of other functional groups, and can cause a variety of unique molecular transformations useful in pharmaceutical and biochemical fields. However, most of these alkyne-activated based chemistries are only possible with non-renewable homogeneous Au(I/III)-complexes or only a few examples of renewable but low-reactive environmentally friendly Au-based catalysts.

Au-1~4-NCat의 금속 이중층 구조를 사용하여 촉매 작용을 위한 층간 플라즈몬 촉매 나노 캐비티들을 이용함으로써 [Au]-촉매 알킨-활성화 반응의 낮은 반응성을 극복할 수 있을 것으로 사료되어 실험을 진행하였다. 페닐프로판산 6(i-iv)의 서로 다른 페놀 에스테르 반응을 선택하였다.The experiment was carried out because it was thought that the low reactivity of [Au]-catalyzed alkyne-activation reaction could be overcome by using interlayer plasmon catalyst nano-cavities for catalysis using the metal double layer structure of Au-1~4-NCat. . Different phenol ester reactions of phenylpropanoic acid 6(i-iv) were chosen.

쿼츠 반응 셀에, H2O:CH3CN (1:1, 2 ml)에 분산된 기질 6i-iv (0.2 mmol)과 Au-1~4Ncat([Au] = 1 mol%)의 혼합물을 취한 뒤 용액을 어두운 환경 또는 빛 조사 (300 W Xe lamp, 510 nm 필터, 입사광의 유효 전력 밀도 0.7 Wcm-2) 하에서 변환이 완료될 때까지 교반하였다(TLC를 통해 확인). 반응 완료 후, 반응 혼합물을 다이에틸에테르 (30 ml)로 희석하고 물 (10 ml) 및 브라인 (5 ml)로 세척하였다. 유기층을 분리하고, 무수 Na2So4로 건조시키고, 여과한 뒤 진공에서 증발시켰다. 고리화 된 생성물 (7i-iv)을 제공하기 위해 잔여물은 실리카상에서의 컬럼 크로마토그래피(헥산/에틸 아세테이트 9:1)를 통해 정제하였다. In a quartz reaction cell, a mixture of substrate 6i-iv (0.2 mmol) and Au-1 to 4Ncat ([Au] = 1 mol%) dispersed in H 2 O:CH 3 CN (1:1, 2 ml) was taken. The solution was stirred in a dark environment or under light irradiation (300 W Xe lamp, 510 nm filter, effective power density of incident light 0.7 Wcm -2 ) until conversion was completed (confirmed by TLC). After completion of the reaction, the reaction mixture was diluted with diethylether (30 ml) and washed with water (10 ml) and brine (5 ml). The organic layer was separated, dried over anhydrous Na 2 So 4 , filtered and evaporated in vacuo. The residue was purified via column chromatography on silica (hexane/ethyl acetate 9:1) to give the cyclized product (7i-iv).

상기 실험을 통하여 태양광 조건에서 (300 W Xe lamp, 0.7 W/cm2) 알킨 부분과 [Au]-pi-산 결합을 통한 고리화, 그리고 뒤이어 페놀 부분의 아릴 부분과 분자 내 Michael 타입 C-C 결합 형성을 거쳐 반응시간 30분 전환율 99%의 우수한 수율로 7(i-iv)를 제공함을 확인하였다 (도 6). Au-1~4-NCat의 다른 구조에 따른 반응속도에서, Au-4-NCat의 경우에 가장 높은 반응성을 보여주었으며, 이는 이중층에 한정된 플라즈몬 효과가 반응속도에 미치는 영향을 입증한다 (도 6의 b)Through the above experiment, in sunlight conditions (300 W Xe lamp, 0.7 W/cm 2 ) cyclization through an alkyne moiety and [Au]-pi-acid bond, followed by an aryl moiety of a phenol moiety and a Michael-type CC bond in the molecule It was confirmed that 7(i-iv) was provided in an excellent yield with a conversion rate of 99% through a reaction time of 30 minutes after formation (FIG. 6). In the reaction rates according to the different structures of Au-1 to 4-NCat, the highest reactivity was shown in the case of Au-4-NCat, which proves the effect of the plasmon effect limited to the double layer on the reaction rate (Fig. 6). b)

상기와 같이 다양한 반응에서의 금속 이중층 구조의 나노 카탈로좀의 일관된 높은 촉매 성능은 나노 카탈로좀의 이중층 구조내의 풍부하제 존재하고 제어 가능한 복수개의 나노미터 스케일의 동공(캐비티)이 존재하기 때문이고, 이 동공에서 높은 수준의 결합 플라즈몬 핫스팟이 한정된 촉매 부위에 잘 겹쳐져 향상된 반응속도를 보임을 알 수 있었다.The consistently high catalytic performance of the nano-catalosome having a metal bilayer structure in various reactions as described above is due to the existence of an abundance in the bilayer structure of the nano-catalosome and the presence of a plurality of controllable nanometer-scale pores (cavities). , it was found that the high level of binding plasmon hotspots in this cavity overlapped well on the limited catalytic site, resulting in improved reaction rates.

본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the embodiments, but can be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can use other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be appreciated that this may be practiced. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (20)

내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘 및
상기 다공성 아민 실리카 나노쉘 내부 표면 및 외부 표면에 균일하게 존재하는 복수의 금속 나노 입자로 이루어진 금속 이중층을 포함하고
상기 외부 표면의 두께는 상기 내부 표면의 두께보다 크며,
상기 금속 이중층의 외부 쉘의 두께는 15nm 이하이고, 내부 쉘의 두께는 12nm 이하인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
A spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior and
and a metal double layer comprising a plurality of metal nanoparticles uniformly present on the inner surface and the outer surface of the porous amine silica nanoshell;
a thickness of the outer surface is greater than a thickness of the inner surface;
The thickness of the outer shell of the metal bilayer is 15 nm or less, and the thickness of the inner shell is 12 nm or less, the metal bilayer nano-catalosome.
제1항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노 입자는 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
According to claim 1,
The plurality of metal nanoparticles includes at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd), a metal double-layered nano-catalosome.
제2항에 있어서,
상기 복수의 금속 나노 입자는 금(Au) 나노 입자상에 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 조합이 코팅된 것인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
3. The method of claim 2,
The plurality of metal nanoparticles are gold (Au) nanoparticles coated with platinum (Pt), palladium (Pd) or a combination thereof, a metal double-layered nano-catalosome.
내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘 및
상기 다공성 아민 실리카 나노쉘 내부 표면 및 외부 표면에 균일하게 존재하는 복수의 금속 나노 입자로 이루어진 금속 이중층을 포함하고,
상기 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자로 한정된 나노 크기의 복수의 동공을 포함하는, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
A spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior and
and a metal double layer comprising a plurality of metal nanoparticles uniformly present on the inner surface and the outer surface of the porous amine silica nanoshell,
A metal double-layered nano-catalosome comprising a plurality of nano-sized pores defined by metal nanoparticles constituting the outer metal layer of the metal double layer and metal nanoparticles constituting the inner metal layer.
제4항에 있어서,
상기 동공의 크기는 금속 이중층의 외부 금속층을 이루는 금속 나노 입자와 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자의 크기에 의하여 결정되는, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
5. The method of claim 4,
The size of the pores is determined by the size of the metal nanoparticles constituting the outer metal layer of the metal double layer and the metal nanoparticles forming the inner metal layer of the metal double layer nano-catalosome.
제4항에 있어서,
상기 외부 금속층 및 내부 금속층을 이루는 금속 나노 입자로 한정된 나노 크기의 동공은 크기가 6nm 이하인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
5. The method of claim 4,
The nano-sized pores defined by the metal nanoparticles constituting the outer metal layer and the inner metal layer have a size of 6 nm or less, a metal double-layered nano-catalosome.
제4항에 있어서,
상기 복수의 동공은 플라즈몬 결합 효과 및 결합 전자기 핫스팟을 제공하는, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
5. The method of claim 4,
The plurality of cavities provide a plasmon coupling effect and coupling electromagnetic hotspot, a metal bilayer nano-catalosome.
제4항에 있어서,
상기 복수의 동공에서 촉매 반응이 일어나는, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀.
5. The method of claim 4,
A catalytic reaction takes place in the plurality of cavities, a metal double-layered nano-catalosome.
삭제delete 내부가 비어있는 구형의 다공성 아민 실리카 나노쉘을 준비하는 단계;
상기 다공성 아민 실리카 나노쉘에 금속 염화물을 처리하여 다공성 아민 실리카 나노쉘의 내부 표면 및 외부 표면에 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계;
상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe (TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계; 및
상기 금속 염화물 및 환원제를 처리하여 상기 탄닌산-Fe 배위 고분자층이 코팅된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 포함된 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;
를 포함하는 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
Preparing a spherical porous amine silica nanoshell with an empty interior;
introducing metal nanoparticle seeds to the inner and outer surfaces of the porous amine silica nanoshell by treating the porous amine silica nanoshell with a metal chloride;
coating a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seeds are introduced; and
growing the metal nanoparticle seeds contained in the porous amine silica nanoshell coated with the tannic acid-Fe coordination polymer layer by treating the metal chloride and the reducing agent;
A method for manufacturing a metal double-layered nano-catalosome comprising a.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는, 사용하는 금속 염화물의 양을 조절하여 금속 이중층의 두께를 제어하는 단계인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
The step of growing the metal nanoparticle seed is a step of controlling the thickness of the metal double layer by controlling the amount of metal chloride used, a method for producing a metal double layer nano-catalosome.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는
직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 3mg을 사용하는 경우에, 농도 5mM의 금속 염화물을 1.0ml 이하로 첨가하여 성장시키는 단계인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
Growing the metal nanoparticle seed;
In the case of using 3 mg of porous amine silica nanoshell having a diameter of 75±3 nm, a method for preparing a metal double-layered nano-catalosome is a step of growing by adding a metal chloride having a concentration of 5 mM to 1.0 ml or less.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는
직경이 75±3nm인 다공성 아민 실리카 나노쉘 3mg을 사용하는 경우에, 농도 50mM의 환원제를 1.0ml 이하로 첨가하여 성장시키는 단계인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
Growing the metal nanoparticle seed;
In the case of using 3 mg of a porous amine silica nanoshell having a diameter of 75 ± 3 nm, a method for preparing a metal double-layered nano-catalosome is a step of growing by adding a reducing agent having a concentration of 50 mM to 1.0 ml or less.
제10항에 있어서,
상기 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법에서,
상기 금속 나노 입자는 금(Au), 백금(Pt), 및 팔라듐(Pd) 나노 입자로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
In the method for preparing a nano-catalosome in the form of a metal double layer,
The metal nanoparticles are at least one selected from the group consisting of gold (Au), platinum (Pt), and palladium (Pd) nanoparticles.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘에 탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층을 코팅하는 단계;는
상기 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘을 증류수에 분산시켜 수용액으로 준비하는 단계;
상기 수용액의 pH를 8 내지 12로 조절하는 단계; 및
상기 pH가 조절된 수용액에 탄닌산 및 염화철(III)을 혼합하는 단계인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
Coating the tannic acid-Fe (TA-Fe) coordination polymer layer on the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seeds are introduced;
preparing an aqueous solution by dispersing the porous amine silica nanoshell into which the metal nanoparticle seed is introduced in distilled water;
adjusting the pH of the aqueous solution to 8 to 12; and
A method for producing a metal double-layered nano-catalosome, which is a step of mixing tannic acid and iron (III) chloride in the pH-controlled aqueous solution.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는
탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층이 코팅된 금속 나노 입자 시드가 도입된 다공성 아민 실리카 나노쉘을 PVP 수용액에 분산시키는 단계; 및
금속 염화물 및 환원제를 연속적으로 첨가하여 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계를 포함하는, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
Growing the metal nanoparticle seed;
Dispersing a porous amine silica nanoshell into which a metal nanoparticle seed coated with a tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer is introduced in a PVP aqueous solution; and
A method for producing a metal double-layered nano-catalosome comprising the step of continuously adding metal chloride and a reducing agent to grow metal nano-particle seeds.
제10항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;는
탄닌산-Fe(TA-Fe) 배위 고분자층이 분해되고, 이어서 다공성 실리카 나노쉘의 내부 및 외부에 배치된 복수의 금속 나노 입자 시드에 금속이온이 붙어 금속 나노 입자 시드가 성장하는 것인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
11. The method of claim 10,
Growing the metal nanoparticle seed;
The tannic acid-Fe (TA-Fe) coordinated polymer layer is decomposed, and then metal ions are attached to a plurality of metal nanoparticle seeds disposed inside and outside the porous silica nanoshell to grow the metal nanoparticle seeds, the metal double layer A method for manufacturing a nano-catalosome in the form of
제10항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 도입하는 단계;에서
상기 금속 염화물은 HAuCL4, Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
18. The method according to any one of claims 10 to 17,
Introducing the metal nanoparticle seed;
The metal chloride is at least one selected from the group consisting of HAuCL 4 , Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 , a method for producing a metal double-layered nano-catalosome.
제10항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;에서
상기 금속 염화물은 HAuCL4, Na2PdCl4 및 Na2PtCl4로 이루어진 군중에서 선택된 1종 이상인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
18. The method according to any one of claims 10 to 17,
growing the metal nanoparticle seed; in
The metal chloride is at least one selected from the group consisting of HAuCL 4 , Na 2 PdCl 4 and Na 2 PtCl 4 , a method for producing a metal double-layered nano-catalosome.
제10항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 금속 나노 입자 시드를 성장시키는 단계;에서
상기 환원제는 하이드로퀴논인, 금속 이중층 형태의 나노 카탈로좀 제조방법.
18. The method according to any one of claims 10 to 17,
growing the metal nanoparticle seed; in
The reducing agent is hydroquinone, a method for producing a nano-catalosome in the form of a metal double layer.
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