KR20100113444A - 고리형 Ｐｄ나노구조체 및 그 물 광분해용 Ｐｄ나노구조체 촉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고리형 Pd나노구조체 및 그 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 포함하는 고리형 Pd나노구조체 및 그 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매에 관한 것이다.
상술한 본 발명은, 나노구조체 자체의 높은 에너지와 표면적이 크고, 화학적으로 물리적 특성을 조절할 수 있고, 구조적으로 매우 안정한 물질이라는 나노의 특이한 작용으로 인해 물의 광분해에 따른 수질 정화용 촉매로의 응용 등 다양한 분야에 탁월한 효과를 나타낸다. 아울러, 낮은 에너지인 상온, 상압에서 간단하게 나노구조체 형성을 할 수 있어 대량생산이 가능한 고순도 초정밀의 Pd나노구조체를 생산할 수 있다.
나노, 촉매, 수소, 고리형 Pd나노구조체, 물 광분해, 산소
Description
본 발명은 pH를 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체 및 그 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매에 관한 기술이다.
형상제어된 나노입자를 촉매로 응용하는 연구는 아직 초기단계로서 개념 입증 단계에 머물러 있다.
또한, 고순도의 형상제어된 나노입자를 대량 생산할 수 있는 기술이 필수적으로 요구되나 합성이 까다롭고 재현성이 부족하여 연구실에서 수 mg단위의 합성이 전부였다.
이에 본 발명은 고순도의 형상이 제어된 고리형 Pd나노구조체를 대량생산함으로써 물을 광분해하여 수소를 생산할 수 있는 광촉매로 사용할 수 있다.
본 발명은 pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체를 수질오염 배출억제 또는 방지시설에서 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매로서 사용하는 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매를 제공한다.
상술한 바와 같이 고리형 Pd나노구조체는 그 구조체 자체의 높은 에너지와 표면적이 크고, 화학적으로 물리적 특성을 조절할 수 있고, 구조적으로 매우 안정한 물질이라는 나노의 특이한 작용으로 인해 물의 광분해에 따른 수질정화용 촉매 로의 응용 등 다양한 분야에 탁월한 효과를 나타낸다.
아울러, 낮은 에너지인 상온, 상압에서 간단하게 나노구조체 형성을 할 수 있어 대량생산이 가능한 고순도 초정밀의 Pd나노구조체를 생산할 수 있다.
본 발명은 pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체로서 입경 1~30nm로 형상 제어된 Pd나노입자가 재조립된 구조체이고 단위 입자간에 거리를 조절하여 고리형 Pd나노구조체를 형성하게 하는 기술이다.
즉, 본 발명은 pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체를 제공한다.
상기 pH 조절은 전압과 전류를 조절하여 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 양을 조절하는 것으로서 pH가 조절된다.
이때, 상기 전류는 0.01A~10A이고, 상기 전압은 2V~40V인 범위이다.
여기서, 상기 고리형 Pd나노구조체는 pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립하여 형성된다.
이때, 상기 입방형 Pd나노입자는 입경 1~30nm로 형상 제어된 것을 사용한다.
여기서, 본 발명은 Pd금속을 나노미터크기인 Pd나노입자로 만들면서 분자 재 조립과정 중 상기 Pd나노입자의 형상 제어를 통해 고리형 Pd나노구조체를 형성하게 하는 기술이다. 이 방법은 Pd나노금속의 결정성장 방향 및 속도를 pH로 조절함으로써 환원속도를 제어하여 상기 고리형 Pd나노구조체를 제조한 것이다.
본 발명의 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자와 Pd나노구조체 제조방법은 Pd봉을 사용하여 전해질속에서 전기분해하여 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 생산하고, 수소이온농도를 조절하여 생산된 Pd나노입자가 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체를 생산하는 것이다.
이렇게 합성된 각자 하나의 Pd나노입자(1~30nm)는 넓은 비표면적을 가지며, 형성된 나노구조체(10~300nm)는 특별한 높은 에너지로 기존의 상용 광촉매보다 높은 광활성을 가진다.
이때, 나노 물질은 벌크(bulk) 상태와 다른 성질을 나타내며 100nm 이하의 크기에서 물질의 크기와 조성 및 형태 등 화학적 물성을 조절하면 물질의 광 특성, 전기적 특성, 자기적 특성 등 물리적 물성을 자유롭게 변화시킬 수 있다. 이러한 나노 물질을 이용하여 형성한 나노 구조체는 여러가지 특성을 가지게 되는데 그 첫째는 크기가 작기 때문에 아주 큰 표면을 가지며, 둘째는 화학적으로 물리적 특성을 조절할 수 있다는 것, 셋째는 우수한 타켓 결합 특성을 가지며 구조적으로 매우 안정한 물질이라는 것이다. 이러한 나노구조체 자체의 특별히 높은 에너지와 상기 나노의 특이한 작용으로 인해 여러분야에서 다양한 작용을 할 수 있다.
상기 나노구조체의 형상은 도 1에 나타나 있다. 도 1은 Pd원소의 면심입방격자(Face Centered Cubic; FCC)상으로 분석한 것들이다.
도 1의 경우는 그 Pd는 순수 Pd 금속으로 그 결정구조가 거의 완벽하게 배열된 상태를 보여주는 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy;STEM) 사진이다. 이러한 Pd나노입자들은 다시 집적화되며 이는 분자자기조립에 의한 것으로 이야기되기도 하는데, 집적화된 후에도 고리모양으로 가운데가 빈 형태를 띠게 된다. 이러한 집적화가 계속되더라도 어느 정도까지는 계속하여 고리형태를 보이게 되는데 마치 프렉탈과 같은 경향을 가진다. 결국은 이는 Pd이 원자 수준에서 높은 결정화가 이루어졌음을 의미하는 것으로 이를 통해 높은 반응성과 선택성을 갖는 것으로 짐작하고 있다.
이 또한 인공광합성의 촉매로서 높은 반응성과 선택성을 가지며 원자차원의 높은 결정체라는 점이 높은 반응성과 선택성의 원인이 되는 것으로 짐작되고 있다.
본 발명에서 “인공광합성”이라 함은 촉매를 이용하여 가시광선이나 자외선과 같은 광선이 조사되는 상황에서 물이 분해 후 이산화탄소와 결합하여 탄화수소화합물을 생성하는 과정을 말한다.
상기 Pd나노구조체는 수소흡착력이 대단히 높아지게 된다. 특히 이러한 수소흡착력은 “실험실상 통상의 온도와 압력(이하 본 명세서에서는 “통상 온도와 압력”이라한다, 여기서 “통상의 온도와 압력”이라 함은 물이 액체상태를 유지하는 온도와 1기압은 물론 1기압을 초과하는 경우도 포함한다)”에서도 대단히 효율적으 로 나타나는데 대체로 부피대비 약 100배 이상이 되는 것으로 나타났다. 본 반응은 1기압 하에서도 반응이 가능하며 압력이 이를 초과할 경우에도 당연히 반응 가능하다.
또한, 상기 Pd나노구조체는 물을 가시광선, 자외선 등을 비롯한 각종 광선이 조사되는 과정에서 물을 분해하여 수소와 산소를 생산하는 촉매로 작용한다. 이는 통상 물의 광분해라고 불리어 지기도 한다.
상기 Pd나노구조체는 다음과 같이 제작된다.
본 발명의 나노구조체 제조방법은 Pd봉을 사용하여 전해질속에서 전기분해하여 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 생산하고, 수소이온농도를 조절하여 생산된 Pd나노입자가 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체를 대량으로 생산하는 것이다.
이때, Pd봉을 전극으로 사용하여 전해질 속에서 전극과 물을 전기분해한다.
여기서, 전해질은 여러 가지를 사용할 수 있으나 염화나트륨(NaCl)을 기준으로 농도는 0.01%~5%로 하며, 전류와 전압은 0.01A~10A, 2V~40V 사이를 교대로 조절하여 양극에서는 염화이온(Cl-)이 팔라듐(Pd)과 결합하여 Pd와 Cl의 금속염을 생성시킨다.
이러한 공정은 생성된 Pd나노입자와 전해질을 고르게 교반시키는 과정에서 이루어진다.
생성된 Pd와 Cl의 금속염 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지고 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자인 팔라듐(Pd)원자가 생성된다. 곧 생성된 팔라듐(Pd)원자는 분자자기조립(응집)을 하면서 Pd나노구조체가 형성되어 생산 용기의 바닥으로 침전된다. 침전된 Pd내에는 염화팔라듐과 Pd나노구조체가 혼재되어 있게 된다. 여기서, 바닥으로 침전된 Pd나노구조체 또는 서서히 바닥으로 가라앉는 침전이 덜된 Pd나노구조체를 염화나트륨 용액과 분리하여 순수한 Pd나노구조체를 얻는다. 이때, 염화이온(Cl-)은 염소기체(Cl2)가 되어 날아가거나 염화나트륨(NaCl) 용액에 다시 들어가고, 상기 수소이온(H+)은 전자를 받아 수소기체(H2)가 된다. 여기서, 용액의 pH 조절이 대단히 중요한데, 이는 pH가 Pd나노구조체의 응집형태와 관련이 크기 때문이다. 통상 pH 6~10에서 원활한 응집이 일어나는 것을 알 수 있다. 이때, 용액의 pH 조절은 전압과 전류를 조절하여 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 양을 조절하는 것으로서 pH가 조절된다.
본 발명의 또 다른 성과는 상기의 Pd나노구조체를 획득하는 방법을 또다시 크게 개선했다는 점이다.
상기 공정에서 전극으로 사용하는 Pd봉(순수 Pd금속 덩어리)을 전극으로 사 용 전에 흡장(흡수하여 저장)하도록 하여 사용할 경우 Pd나노구조체 생산 효율을 획기적으로 상승시킬 수 있었다. 여기서 흡장이라 함은 Pd격자 사이로 수소를 주입하는 것을 말한다.
Pd금속에 수소를 흡장하는 방법은 널리 알려진 것으로 그 어떤 방법이라도 사용할 수 있다. 그 중 하나의 수소흡장법은 Pd금속을 수소 기체 분위기에서 압력과 온도를 올리면 수소가 Pd에 흡장되는 것이다. 이때 수소 흡장량은 압력과 온도와 시간에 비례한다.
또한, 수소의 흡장량은 물속에서 지속적으로 수소를 배출하는 것이 중요하므로 가능한 많은 양의 수소를 흡장시키는 것이 필요하다.
이후의 공정은 상기 수소를 흡장하지 않은 Pd를 사용하는 것과 유사하며 다음과 같다.
수소를 흡장한 Pd를 전극으로 사용하여 전해질 속에서 전극과 물을 전기분해한다.
이때, 전해질은 여러 가지를 사용할 수 있으나 염화나트륨(NaCl)을 기준으로 농도는 0.01%~5%로 하며, 전류와 전압은 0.01A~10A, 2V~40V 사이를 교대로 조절하여 양극에서는 염화이온(Cl-)이 팔라듐(Pd)과 결합하여 Pd와 Cl의 금속염을 생성시킨다.
이러한 공정은 생성된 나노입자와 전해질을 고르게 교반시키는 과정에서 이루어진다.
생성된 Pd와 Cl의 금속염 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지기도 하나 대부분은 흡장된 수소가 방출되어 염화이온(Cl-)을 분리시키고 생성된 Pd와 Cl의 금속염 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지고 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자인 팔라듐(Pd)원자가 생성된다. 곧 생성된 팔라듐(Pd)원자는 분자자기조립(응집)을 하면서 Pd나노구조체가 형성되어 생산 용기의 바닥으로 침전된다. 침전된 Pd내에는 염화팔라듐과 Pd나노구조체가 혼재되어 있게 된다. 여기서, 바닥으로 침전된 Pd나노구조체 또는 서서히 바닥으로 가라앉는 침전이 덜된 Pd나노구조체를 염화나트륨 용액과 분리하여 순수한 Pd나노구조체를 얻는다. 이때, 염화이온(Cl-)은 염소기체(Cl2)가 되어 날아가거나 염화나트륨(NaCl) 용액에 다시 들어가고, 상기 수소이온(H+)은 전자를 받아 수소기체(H2)가 된다. 여기서, 용액의 pH 조절이 대단히 중요한데, 이는 pH가 Pd나노구조체의 응집형태와 관련이 크기 때문이다. 통상 pH 6~10에서 원활한 응집이 일어나는 것을 알 수 있다. 이때, 용액의 pH 조절은 전압과 전류를 조절하여 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 양을 조절하는 것으로서 pH가 조절된다.
특히 수소를 흡장한 Pd를 사용할 경우 수시간에 걸쳐 다량의 Pd나노구조체를 생산할 수 있는데 이는 수소를 흡장하지 않은 Pd를 사용할 경우 Pd나노구조체의 생산이 수분 이내에 멈추는 것과 비교하면 획기적이라 하지 않을 수 없다.
또한, 수소를 흡장하지 않은 Pd봉을 사용할 경우 침전된 Pd 내에는 염화팔라듐과 Pd나노구조체가 혼재되어 있으나 수소를 흡장한 Pd봉을 사용할 경우 순수한 Pd나노구조체를 얻을 수 있는 점도 큰 차이라 할 수 있다.
여기서, 상기 수소를 흡장한 Pd봉을 사용하여 전기분해에서 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 생산하고, 생산된 Pd나노입자가 수소를 흡장함으로써 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체로 된다.
또한, Pd나노구조체를 형상의 변화를 최소화하기 위하여 고정하는 과정을 수행할 수 있다.
상기 고리형 Pd나노구조체는 온도 10℃~200℃로 유지하면서 압력 10~100기압으로 60분~120분 동안 산소를 제거한 분위기에서 처리하여 구조체의 형상이 고정된 것을 특징으로 한다.
이때, Pd가 PdO로 산화가 일어나지 않게 산소를 제거한 후 불활성기체인 아르곤과 질소등을 가하고 상기 압력을 가하여 상기 고리형 Pd나노 구조체의 형상을 고정한다.
즉, 생성된 나노구조체를 고정하기 위해서는 온도를 10℃~200℃로 유지한 채 압력 10~100기압으로 60분~120분 동안 산소를 제거한 분위기에서 처리한다.
이렇게 처리된 Pd는 주로 고리형 Pd나노구조체로 형성이 된다.
상기 고리형 Pd나노구조체는 광민감성 촉매(photosensitivity catalyst)로 탁월한 효과가 있는 것으로 판명되었다.
이 촉매의 구조체는 일반적으로 물을 산화 또는 환원시키는데 필요한 원칙적 에너지인 약 1.23eV 이상의 에너지를 가시광선 영역의 햇빛으로 증폭시킬 수 있는 구조체를 가지며 실험결과 단결정표면상에서 얻어졌던 많은 연구결과보다 실제로 더 높은 반응성과 선택성을 갖는 촉매가 됨을 알 수 있다.
이렇게 형상이 제어된 나노입자의 독특한 촉매적 특성은 나노입자 간의 거리를 변화시킴으로써 광학적 특성을 조절할 수 있으며 나노입자의 큰 표면반응뿐만 아니라, 나노구조체가 가지는 양자점(Quantum dot) 에너지로 큰 반응을 나타낸다.
일반적인 물의 산화 환원 반응식은
reduction(환원) 2H2O +2e- ---> H2 +2OH-
oxidation(산화) 2H2O ---> O2 + 4H+ + 4e-
net 2H2O ---> O2 + 2H2
로 나타낼 수 있다.
곧 이 기술의 발전은 전 세계가 하고자 하는 인공 광시스템(artifical photosystem)의 가장 핵심기술의 발명을 의미하는 것이다.
본 발명에 의하면 간단한 방법으로 큰 에너지를 증폭시킬 수 있는 Pd나노구조체를 생산할 수 있으며 이렇게 생성된 나노구조체로 물의 광분해실험을 실시하여 탁월한 성능을 입증하였다.
또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고리형 Pd나노구조체를 수질오염 배출억제 또는 방지시설에서 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매로서 사용하는 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체를 제공한다.
상기 수질오염 배출억제 또는 방지시설은 석유정제시설, 석유화학제품, 제조시설, 정유소, 주유소 또는 세탁시설을 포함한다.
기존의 물분해 반응에 사용되는 대부분의 촉매는 자외선 영역에서만 물을 분해할 수 있으나 본 발명의 고리형 Pd나노구조체 촉매는 광의 영역을 가시광선까지 넓히므로 일반 태양광에서 기존의 광촉매보다 수백배 이상의 물을 광분해할 수 있 는 획기적인 촉매이다.
태양광은 20,000 ~ 100,000 Lux로 광반응기보다 약 4~12배 가량 에너지가 높으므로 본 발명의 Pd나노구조체 촉매로 물을 분해하면 수소(H2), 산소(O2)의 생산도 그에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 고리형 Pd나노구조체를 이용하여 물을 광분해하는 것은 전기적 에너지나 화학적 작용이 없이 일반 태양광으로 물을 분해하는 것이다. 본 발명의 고리형 Pd나노구조체 촉매는 물을 광분해할때 촉매로 작용하여 수소(H2)를 생산하고 H+와 e- 로 해리시킨 후, 이산화탄소(CO2)와 결합하여 탄화수소화물을 생산하고 지구온난화의 주범인 이산화탄소(CO2)의 완전한 처리 및 나아가 이산화탄소(CO2)의 자원화 기술을 이룩할 수 있도록 하는 획기적인 촉매이다. 이때, 이산화탄소(CO2) 감소능력은 일반 태양광 80,000Lux에서 200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 1g 넣고 1시간 동안 조사한 결과 15~20cc이었다.
또한, 물의 광분해 촉매의 응용으로 발생한 수소(H2)를 흡장한 고리형 Pd나노구조체에 일정온도나 압력으로 수소를 분리하여 사용할 수 있으며 연속적인 수소 분리와 이산화탄소(CO2)의 결합으로 탄화수소화물을 생산할 수 있다. 일반 태양광 80,000Lux에서 200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 1g 넣고 1시간 동안 조사한 결과 수소 50~60cc 생산이 가능하였다. 이 결과는 기존의 다른 수소 저장 실험결과보다 매우 탁월한 효율을 갖는다.
물의 광분해 실험은 하기와 같다.
광반응기에 고리형 Pd나노구조체를 증류수에 담지하여 광을 조사하여 고리형 Pd나노구조체 촉매의 물분해반응을 수행한다.
↓광
H2O → H2 + 1/2 O2
여기서, 물로부터 발생하는 수소(H2)와 산소(O2)중 수소(H2)는 Pd나노구조체 촉매에 흡수되고 산소(O2)의 기포가 촉매표면에서 발생하며 기포가 형성된다.
이때, 산소(O2)의 발생량은 가스 크로마토그래피(GC)로 측정하고 수소(H2)의 발생량도 가스 크로마토그래피(GC)로 더불어 측정할 수 있다.
물의 광분해 실험의 램프로서 Lzc-Vislamps는 Lzc-VA lamps가 사용되었고 이는 가시광선을 발생하는 램프이고, Lzc-uVA lamp는 자외선을 발생하는 램프이다.
Lzc-Vislamps는 8760Lux로 49mW/cm2이며 파장은 380~750nm이다.
Lzc-uVA lamps는 16300Lux로 83mW/cm2 로 파장은 300~400nm이다.
이때 광반응기내에서의 온도변화는 거의 없다.
또한, 상기 고리형 Pd나노구조체 분석은 TEM(transmission electron microscope; 투과형 전자현미경), HREM(High-resolution transmission electron microscopy; 고 분해능 투과형 전자현미경), STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy; 주사 투과 전자 현미경)로 분석하였다.
도 2에 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 TEM 분석 결과를 나타내었다.
도 2와 같이, Pd나노입자가 붙어서 고리형을 형성하는 고리형 Pd나노구조체의 크기는 10nm 정도이고 A 영역 (대부분의 영역)은 거의 Pd 원소로 구성된다.
도 3에 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 STEM 분석 결과를 나타내었다.
도 3은 Pd나노입자가 고리형 Pd나노구조체로 완전한 구조체를 형성한 것을 나타낸다. 즉, 도 3은 Pd나노입자의 면심입방격자(Face Centered Cubic; FCC)상으로 분석한 것으로서, 그 Pd나노입자는 순수 Pd 금속으로 그 결정구조가 거의 완벽하게 배열된 상태를 보여주는 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy;STEM) 사진이다. 여기서, 불빛이 링 모양으로 있는 것은 나노 입자 하나 하나가 정확하게 결정체가 되었다는 것을 보여준다.
도 4는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 HREM(High-resolution transmission electron microscopy; 고 분해능 투과형 전자현미경) 사진으로서 투과된 전자빔에 의한 대조이미지(contrast image)를 분석한 것을 나타낸다.
도 4와 같이, 본 발명의 Pd나노구조체는 고리형임을 나타낸다.
도 5는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy; 주사 투과 전자 현미경) 사진으로서 좌측 사진은 BF 즉, STEM의 명시야(z-contrast)이고, 우측 사진은 HAADF 즉, STEM의 암시야(z-contrast)를 나타내는 사진이다.
도 5와 같이, 본 발명의 Pd나노구조체는 고리형임을 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
Pd봉 300g을 전극으로 사용하여 3% 농도의 염화나트륨 전해질 500g속에서 전극과 물을 전기분해하여 1 ~ 30nm의 입방형 나노입자인 100% 순도의 Pd나노입자를 100g 생산하였다. 이때, 전류와 전압은 0.01A~10A, 2V~40V 사이를 교대로 조절하여 pH 8로 조절하여 양극에서는 염화이온(Cl-)이 팔라듐(Pd)과 결합하여 Pd와 Cl의 금속염인 염화팔라듐(PdCl2)을 280g 생성시켰다. 염화팔라듐(PdCl2)은 음극 주변에서 생성되는 수소이온(H+)에 의해 염화이온(Cl-)이 떨어지고 1 ~ 30nm의 입방형 Pd나노입자인 팔라듐(Pd)원자가 생성되었다. 곧 생성된 팔라듐(Pd)원자는 분자자기조립(응집)을 하면서 Pd나노구조체가 형성되어 생산 용기의 바닥으로 침전되었다. 바닥으로 침전된 Pd나노구조체 또는 서서히 바닥으로 가라앉는 침전이 덜된 Pd나노구조체를 염화나트륨 용액과 분리하여 수소이온농도를 조절하여 생산된 Pd나노입자가 자기조립이 된 일정한 형상 즉 고리형으로 형상이 제어된 10 ~ 300nm의 크기를 갖는 고리형 Pd구조체를 50g 생산하였다.
실시예 2
실시예 1에서 생산된 Pd나노구조체를 이용하여 물의 광분해실험을 실시하였다. 먼저 200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 0.1g 넣었다.
그런 다음, 자외선 램프(Lzc-uVA lamps; 83mW/cm2(=16300Lux); 파장은 300 ~ 400nm) 또는 가시광선 램프(Lzc-Vislamps; 49mW/cm2(=8760Lux); 파장은 380 ~ 750nm)가 양측에 각각 4개씩 부착된 광반응기(Luzchem LZC-5) 내에 상기 고리형 Pd나노구조체가 함유된 삼각플라스크를 넣었다.
그 후, 상기 광반응기를 가시광선 또는 자외선에서 수십분 ~ 수시간 노출시켜 물의 광분해 정도를 측정하여 하기 그래프 1 또는 그래프 2를 얻었다.
실험예 1
물의 광분해 실험의 분석
상기 실시예 2의 물의 광분해 실험의 산소 분석와 수소 분석에는 Agilent GC-TCD 6890(컬럼 C-9197-2)이 사용되었다.
실험결과
그래프 1(고리형 Pd나노구조체; 가시광선 램프)
200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 0.1g 넣고 1시간 동안 가시광선을 조사한 결과 산소가 2.7cc 발생하였 다.
수소는 5.4cc 발생하였고 발생한 수소는 고리형 Pd나노구조체가 흡수하였다.
그래프 2(고리형 Pd나노구조체; 자외선 램프)
200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 0.1g 넣고 1시간 동안 자외선을 조사한 결과 산소가 4.9cc 발생하였다.
수소는 9.8cc 발생하였고 발생한 수소는 고리형 Pd나노구조체가 흡수하였다.
실시예 3
실시예 1에서 생산된 Pd나노구조체를 이용하여 물의 광분해실험을 실시하였다. 먼저 200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 0.1g, 0.12g, 0.15g, 0.2g을 각각 넣었다.
그런 다음, 가시광선 램프(Lzc-Vislamps; 49mW/cm2(=8760Lux); 파장은 380 ~ 750nm)가 양측에 각각 4개씩 부착된 광반응기(Luzchem LZC-5) 내에 상기 고리형 Pd나노구조체가 함유된 삼각플라스크를 넣었다.
그 후, 상기 광반응기를 가시광선에서 수십분 ~ 수시간 노출시켜 물의 광분해 정도를 측정하여 하기 그래프 3을 얻었다.
실험예 2
고리형 Pd나노구조체 함량에 따른 물의 광분해 실험의 분석
상기 실시예 3의 물의 광분해 실험의 산소 분석와 수소 분석에서는 물 감소량을 측정하였다.
실험결과
그래프 3(고리형 Pd나노구조체; 가시광선 램프)
200cc 석영(Quartz) 삼각플라스크에 증류수를 50cc 넣고 여기에 고리형 Pd나노구조체를 0.1g 넣고 1시간 동안 가시광선을 조사한 결과 물이 3.5cc 광분해되었고, 고리형 Pd나노구조체를 0.12g 넣고 1시간 동안 가시광선을 조사한 결과 물이 4.4cc 광분해되었고, 고리형 Pd나노구조체를 0.15g 넣고 1시간 동안 가시광선을 조사한 결과 물이 5.4cc 광분해되었고, 고리형 Pd나노구조체를 0.2g 넣고 1시간 동안 가시광선을 조사한 결과 물이 7.6cc 광분해되었다.
물의 광분해 실험 결과 고리형 Pd나노구조체가 물을 수소와 산소로 분해할 수 있는 것으로 나타났으며 발생한 수소는 고리형 Pd나노구조체에 흡장되는 것으로 나타났다. 육안으로 보면 수소를 흡장한 고리형 Pd나노구조체의 부피가 크게 늘어나는 것을 알 수 있었다. 수소와 산소의 발생량은 자외선 > 가시광선의 순으로 감 소하는 것으로 나타났다.
또한, 태양광은 20,000 ~ 100,000Lux로 광반응기보다 약 4 ~ 12배 가량 에너지가 높으므로 물을 광분해하면 산소와 수소의 발생량도 그에 비례하여 증가하였다. 80,000Lux의 태양광에서 상기 실시예 2에서와 같이 실험한 결과 수소가 54cc 발생하였다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 고리형 Pd나노입자구조체의 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy;STEM) 사진이다.
도 2는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 TEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 결정구조가 거의 완벽하게 배열된 상태를 나내내는 STEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 HREM(High-resolution transmission electron microscopy; 고 분해능 투과형 전자현미경) 사진으로서 투과된 전자빔에 의한 대조이미지(contrast image)를 분석한 것을 나타낸다.
도 5는 고리형 Pd나노구조체의 금속분말 시편의 STEM(Scanning Transmission Electron Microscopy; 주사 투과 전자 현미경) 사진으로서 좌측 사진은 BF 즉, STEM의 명시야(z-contrast)이고, 우측 사진은 HAADF 즉, STEM의 암시야(z-contrast)를 나타내는 사진이다.
Claims (5)
- pH를 6~10 범위에서 조절하여 입방형 Pd나노입자를 재조립한 고리형 Pd나노구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 입방형 Pd나노입자는 입경 1~30nm로 형상 제어된 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 고리형 Pd나노구조체는 온도 10℃~200℃로 유지하면서 압력 10~100기압으로 60분~120분 동안 산소를 제거한 분위기에서 처리하여 구조체의 형상이 고정된 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 상기 고리형 Pd나노구조체를 수질오염 배출억제 또는 방지시설에서 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매로서 사용하는 것을 특징으로 하는 고리형 Pd나노구조체.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 상기 고리형 Pd나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 광분해용 Pd나노구조체 촉매.
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