KR20130046697A - 박리화된 이차원 이산화망간 나노판의 고상분해법에 의한 사산화삼망가니즈 나노 입자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박리화된 이차원의 이산화망간 나노판을 고상분해법을 이용하여 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 사산화삼망가니즈 나노 입자에 관한 것이다.
본 발명에 의한 사산화삼망가니즈(Mn3O4) 나노 입자는 유기용매나 화학적 첨가제의 사용 없이도 기존 합성법에 비하여 매우 낮은 온도에서 제조가 가능하다.

Description

박리화된 이차원 이산화망간 나노판의 고상분해법에 의한 사산화삼망가니즈 나노 입자의 제조방법{Method for Mn3O4 nanoparticles by solid-state decomposition of exfoliated MnO2 nanosheet}
본 발명은 박리화된 이산화망간 나노판을 고상분해법을 이용하여 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 사산화삼망가니즈 나노 입자에 관한 것이다.
일반적으로 사산화삼망가니즈 분말은 MnO2, MnOOH의 환원에 의해서 또는 Mn(OH)2의 산화에 의해서 제조된다. 환원에 의한 공정의 경우, Mn2O3, MnO2, MnOOH 등의 망간산화물을 로(Kiln)내에서 메탄가스를 환원제로 하여 가열하는 방법에 의해서 망간산화물을 환원시킴으로써 사산화삼망가니즈를 얻을 수 있다. 이 공정을 적용하는 경우 열처리는 과도한 환원에 의한 MnO의 생성을 막기 위해 250℃에서 550℃사이에서 행하여 진다. 이러한 공정에 의해서 사산화삼망가니즈 분말을 얻는 방법은 그 공정이 간단하다는 장점은 있지만, 열처리 시 과도한 환원으로 불순물인 MnO가 생기기 쉬워 고순도로 제조하기가 어려울 뿐 아니라, 고온에 의한 Mn3O4의 소결(Sintering)로 인하여 제조된 분말의 입도가 커짐에 따라 표면적이 적어지게 되므로 페라이트 제조원료로 사용할 때 반응성이 떨어진다는 단점을 가진다.
고순도 사산화삼망가니즈 분말을 제조하는 또 하나의 공정으로서는 가압반응기 내에서 망간 금속 분말을 물에 분산시킨 상태에서 산화 반응시키는 방법이 있다. 이 경우 일반적으로 반응시간이 짧고, 제조된 분말은 순도가 높고, 입경이 작고 균일하다는 장점이 있지만, 장비가 고가이며, 고온 고압이 요구되기 때문에 에너지의 과도한 사용으로 경제적이지 못하다.
또한 황산망간 수용액에 암모니아수 등의 알칼리를 첨가하여 수산화망간을 생성시킨 후 여기에 산화제를 첨가하여 사산화삼망가니즈를 제조하는 방법이 있다. 이 방법은 제조되는 사산화삼망가니즈가 입경이 작다는 장점은 있지만 황산망간에서 나오는 황산이온을 함유하는 폐수가 제조과정에서 나오므로 이를 처리하기 위한 폐수처리의 문제, 그리고 황산이온이 사산화삼망가니즈에 남아있을 경우 자성재료로서의 품질을 저하시키므로 이를 제거하기 위한 수세의 문제가 따르게 된다.
최근에는 금속망간분말을 NH4Cl, NH4Br, NH4I, NH4NO3, (NH4)2SO4 중에서 선택된 암모늄염과 함께 수용액 중에 분산시키고 이를 가열하면서 산화제로 산소 또는 산소를 함유하는 가스를 수용액 속에 투입하여 사산화삼망가니즈 분말을 제조하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은 암모늄염에 포함되어 있는 음이온(Cl-, Br-, I-, NO3-, (SO4)2-)에 의한 반응용기의 부식과 음이온을 처리하기 위한 폐수처리문제 및 음이온이 최종생성물인 사산화삼망가니즈에 잔류되는 것을 막기 위한 수세의 문제 등이 생기게 된다. 그리고 반응 중에 있어서 금속망간 분말의 표면에서 급격한 반응이 일어나면서 금속 망간 분말이 덩어리 상태로 응집되고, 이렇게 응집된 금속 망간 분말의 덩어리는 산화가 충분히 이루어지지 않게 되어 순도가 떨어지게 되는 문제점이 있다.
국내특허 등록번호 10-0255929호
이에 본 발명자는 유해한 용매나 첨가제를 사용하지 않으면서 낮은 온도에서도 금속산화물을 합성하는 방법을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 박리화된 이차원 금속 산화물의 고상분해법을 이용한 일차원 금속산화물의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은
(a) 박리화된 금속 산화물 용액의 pH를 조절하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 침전물을 분리 및 건조하는 단계;
(c)상기 (b) 단계의 결과물을 하소(calcinaion)하여 고상분해하는 단계;
를 포함하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 금속산화물 나노 입자 및 이의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 의한 사산화삼망가니즈(Mn3O4) 나노 입자는 유기용매나 화학적 첨가제의 사용 없이도 기존 합성법에 비하여 낮은 온도에서 제조가 가능하다.
도 1은 샘플의 TG 및 DTA의 곡선에 관한 것이다.
도 2는 host 층상물질의 X-선 회절 패턴에 관한 것이다[(a) K0 .5MnO2, (b) H0.13MnO2·0.7H2O 및 (c) TBA0 .11MnO2·0.2H2O].
도 3은 다양한 온도에서 (a) 샘플의 X-선 회절 패턴에 관한 것이다[각각 (b) 100, (c) 150 및 (d) 300 °C].
도 4는 다양한 온도에서 (a) 샘플의 퓨리에 변환 적외선 스펙트럼에 관한 것이다[각각 (b) 100, (c) 150 및 (d) 300 °C].
도 5는 다양한 온도에서 (a) 샘플의 HR-TEM 이미지에 관한 것이다[각각 (b) 100, (c) 150 및 (d) 300 °C].
본 발명은,
(a) 박리화된 금속 산화물 용액의 pH를 조절하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 침전물을 분리 및 건조하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계의 결과물을 하소(calcinaion)하여 고상분해하는 단계;
를 포함하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법에 관한 것이다.
상기 금속 산화물은 이에 제한되는 것은 아니나, 망간 산화물, 타이나늄 산화물, 코발트 산화물, 니켈 산화물일 수 있다.
일례로 금속 산화물이 망간 산화물인 경우 층상형 이산화망간 나노물질은 탄산 칼륨(K2CO3)과 삼산화이망간(Mn2O3)을 정해진 화학양론적 비율로 혼합하여 고온에서 하소(calcination)하면 층간에 칼륨이온이 삽입된 층상형의 이산화망간 을 얻을 수 있다. 이어 염산을 사용하여 층간의 칼륨이온을 수소이온으로 치환하여, 박리화 과정에 보다 용이하게 쓰일 수 있는 수소이온이 삽입된 형태의 이산화 망간을 제조할 수 있다. 이 후, 층상형 이산화망간의 박리화는 층간에 수소이온이 삽입된 이산화망간에 tetrabutylammonium hydroxide(TBAOH)와 같은 bulky한 수산화 화합물을 도입한다. OH- 이온과 층간에 존재하는 수소이온의 산 염기 반응으로 인하여 tetrabutylammonium 양이온이 보다 쉽게 층간에 치환되며 이로써 층상을 이루는 판 사이의 인력이 감소하여 최종적으로 나노판형태가 유도될 수 있다.
상기 박리화된 이산화망간 용액에 산용액을 첨가함으로써, pH의 조절을 할 수 있으며, 이에는 염산용액, 황산용액, 질산용액, 아세트산용액일 수 있다. 상기 염산용액을 가하여 일차원 금속산화물의 제조를 유도할 수 있다. 또한, pH는 2~8로 조절될 수 있으며, 산도를 조절해 주면서 반응시키면 응집현상이 발생한다.
상기 (b) 단계는 (a) 단계에 의한 침전물을 분리 및 건조하는 단계이다. 응집현상에 의하여 침전되기 시작한 반응물을 0.5~3시간 교반하여 균일한 반응을 유도하고, 이 후, 상온에서 건조할 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계의 결과물을 하소하여 고상 분해하는 단계이다. 건조에 의하여 얻어진 분말 형태의 물질을 150~400℃의 온도에서 1~3시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 금속산화물 나노 입자가 형성될 수 있다. 상기 (c) 단계에서는 유기 용매나 첨가제가 없이 저온에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 일차원 금속산화물 나노 입자에 관한 것이다. 상기 금속산화물은 사산화삼망가니즈일 수 있다.
상기 나노 입자가 사산화삼망가니즈인 경우, 상기 사산화삼망가니즈는 NOx를 분해시키는 저렴하고 효율적인 촉매로써 대기환경 정화에 유용한 물질로 이용될 수 있으며, 그 외에도 manganese zinc ferrite와 같은 자성물질을 합성하는데 전구물질로 사용될 수 있다. 또한, 슈퍼케퍼시터의 양극물질로도 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 실시예 > 1. 사산화삼망가니즈 나노 입자의 제조
1. 층상형 이산화망간 나노물질의 제조
Sigma Aldrich사에서 구매한 층상형의 K0 .5MnO2 은 30 시간 동안 800℃에서 탄산 칼륨(K2CO3) 및 삼산화이망간(Mn2O3)의 화학량적인 혼합물을 가열함으로써, 제조되었다. 획득한 삼산화이망간(Mn2O3) 생성물의 XRD 데이터는 종래 문헌에서 보고된 K0.47Mn0.94O2 의 값과 일치하였다. 수소이온이 삽입된 형태의 망간 산화물은 상온에서 10일 동안 교반 하에서 1M의 HCl의 수용액으로 K0 .5MnO2 파우더를 반응시킴으로써 얻었다. 양성자 교환 반응 동안, HCl 용액이 양성자 첨가를 촉진시키기 위해서 매일 재생하였다. 결과물은 세척되었고 상온에서 자연건조되었고, H0 .13MnO2 ·0.7H2O의 구성요소를 갖는 수소이온이 삽입된 형태의 망간 산화물을 생성하였다.
2. 층상형 이산화망간 나노판의 박리화
박리된 MnO2 나노판의 콜로이드 현탁액은 상온에서 (C4H9)4NOH 용액 (5.2 mmol)의 100ml 내에서 H0 .13MnO2 ·0.7H2O (0.4 g)을 교반함으로써 제조되었다. 10일 동안 현탁액을 교반 한 후에, 잘-분산되고 박리된 MnO2 나노판을 함유하고 있는 콜로이드 현탁액을 획득하기 위해서, 박리되지 않은 구성요소는 10분 동안 10000 rpm에서 원심 분리시켜, 분리되었다.
3. 고상분해법에 의한 사산화삼망가니즈 나노 입자의 제조
상기 응집된 결과물은 원심분리(8000 rpm에서 10분간)에 의해서 수집되었고, 증류수로 세척되었으며, 상온에서 건조되었다. 결과적으로 획득된 샘플은 다양한 온도(100, 150, 200, 300 및 400 °C)에서 2시간 동안 Mn3O4 나노 입자를 형성하기 위해 가열되었다.
실험예 1
박리화된 이산화망간(MnO2) 나노판 약 0.2 g이 분산된 수용액 100 mL을 교반하면서 1 M 염산 용액을 가하였다. 이때 산도(pH) 측정기를 통하여 반응 중 실시간으로 변화를 측정하여 산도 6이 되도록 조절하였다. 이 후 반응물의 응집이 일어나기 시작하면 2시간 교반 후, 원심분리를 통하여 침전물을 분리하고 상온에서 건조하였다. 건조된 분말형태의 반응물을 250℃ 온도에서 2시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조하였다.
실험예 2
실험예 1과 동일하게 제조하되, 산도가 4가 되도록 조절하여 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조하였다.
실험예 3
실험예 2와 동일하게 제조하되, 건조된 분말형태의 반응물을 300℃ 온도에서 2 시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조하였다.
실험예 4
실험예 2와 동일하게 제조하되, 건조된 분말형태의 반응물을 350℃ 온도에서 2시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조 하였다.
실험예 5
실험예 2와 동일하게 제조하되, 건조된 분말형태의 반응물을 400℃ 온도에서 2시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조 하였다.
실험예 6
실험예 2와 동일하게 제조하되, 건조된 분말형태의 반응물을 200℃ 온도에서 2시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조 하였다.
실험예 7
실험예 2와 동일하게 제조하되, 건조된 분말형태의 반응물을 150℃ 온도에서 2시간 동안 하소하여 최종적으로 일차원의 사산화삼망가니즈 나노 입자를 제조 하였다.
< 실시예 > 2. 이산화망간 및 사산화삼망가니즈의 분석
1.이산화망간 및 사산화삼망가니즈의 특징
출발물질인 층상형의 이산화망간 및 결과물인 Mn3O4 나노 입자의 결정구조는 graphite diffracted 빔 모노크로미터, Cu Kα radiation (λ = 1.540598 A)를 사용함으로써, 분말 X-선 회절(XRD) 측정을 하였다. 패턴은 40 kV의 작동전압 및 20 mA의 전류에서 측정되었다. Phase purity는 KBr disk 방법을 사용함으로써 Varian FTS 800 FT-IR 분광계로 FT-IR을 측정하여 결정되었다. 샘플의 성분은 원소 분석기(Thermo Electron corporation, Flash EA 1112)에 의해 측정되었다. 열분석 장치(TG-DTA ; Rigaku TAS-100)를 상온에서 900℃까지 10 °C/min의 승온 속도 하에서 준비된 샘플의 열적 거동(thermal behavior)을 체크하기 위해서 사용하였다. 형태학적인 특성은 고해상도 투과전자현미경(Tecnai G2 F30, 300 kV) 및 전계방사 주사전자현미경(JEOL, JSM-6700F)을 사용함으로써 측정되었다.
2. 원소 분석
TBA-주입된 이산화망간 및 준비된 샘플의 화학적 성분을 CHNS 분석에 의해 주입된 TBA 양이온의 양을 추정함으로써 분석하였다. CHNS 분석에 있어서, N 함량은 TBA 양이온 조성에 유일하게 기인할 수 있기 때문에 중요하다. 하기 표 1에는 TBA-주입된 이산화망간 및 준비된 샘플의 성분은 TBA0 .11MnO2 ·0.2H2O 및 H0.072TBA0.058MnO2 ·0.29H2O로 결정되었다. 이런 결과는 이산화망간의 계층간 층간의 TBA 양이온은 pH 조절 과정 중에서 양성자로 부분적으로 교환될 수 있음을 의미한다. 하기 표 1은 층상형 이산화망간, 준비된 샘플 및 결과물인 Mn3O4의 격자 매개변수, 대칭, 화학적 성분에 관한 것이다.
Figure pat00001
3. 열 분석
준비된 샘플의 TG 및 DTA 곡선은 도 1에 개시되어 있다. 3 단계- 무게 손실이 TG 곡선에서 관찰되었다. DTA 곡선에서 매우 약한 흡열 피크와 함께 130℃ 아래에서 발생된 첫 번째 단계 (1.8 wt% 손실)는 표면에서 흡수된 물의 탈수에 기인한 것일 수 있다. 두 번째 단계의 큰 무게 손실(38.9wt%)은 130~230℃의 온도 범위에서 층상형 이산화망간의 계층의 공간에서의 TBA 양이온의 산화 분해와 일치하는 강한 발열에 기인한다. 230 및 400℃ 사이의 약한 무게 손실 (7.4 wt%)은 4가 원자에서 3가 원자로의 이산화망간의 환원 및 산소의 방출에 동반된 2가 원자의 형성에 기인한다. 이런 결과로부터, 층상형 이산화망간의 완전한 상변화 상태를 공급하기 위해서 및 계층 공간 내의 완전하게 소각된 유기 moieties을 제거하기 위해서 적절한 가열온도는 약 300℃임을 제시할 수 있으며, 이는 또한 FT-IR 측정에 의해서 확인되었다.
4. 분말 X-선 회절 분석
계층의 칼륨 및 수소이온이 삽입된 형태의 망간 산화물의 XRD 패턴은 버네사이트 구조를 나타낸다. 본래의 K0.5MnO2 분말 XRD 패턴은 도 2(a)에 개시되어 있고, 이와 함께 양성자- 및 TBA-교환 형식은 도 2(b) 및 (c)에 개시되어 있다. 본래의 K0.5MnO2의 모든 회절 피크는 a = 4.840 A 및 c = 6.922 A의 정제된 단위-셀 매개변수를 갖는 육각 구조로서 색인될 수 있다. 양성자 교환 반응 이후에, 모든 회절 피크는 a = 4.913 A 및 c = 7.262 A의 정제된 격자 매개변수를 갖는 본래의 육각 단위 세포에 기초해서 색인될 수 있고, 이는 공개된 양자 계층 이산화 망간의 값과 일치한다. 산 처리시, 계층 망간산염의 (00l) 굴절은 낮은 각도를 향해서 이동하였고, 격자 확장은 수소이온이 삽입된 형태의 망간 산화물의 계층 공간으로 물 분자의 주입에 기인하는 것을 나타낸다(표 1참조). 층상형 이산화망간 내로 TBA 양이온의 주입에 있어서, 잘 나타난 (00l) 굴절은 낮은 각도 영역에서 관찰될 수 있고, 기초가 되는 간격은 12.415 A로 추정되며 이는 부피가 큰 TBA 양이온은 약 7.215 A에 의해 c-axis로 확장됨을 나타낸다.
도 3은 다양한 온도[(a) 샘플 (b) 100℃, (c) 150℃ 및 300℃]에서의 열처리 후의 샘플의 XRD 패턴을 나타낸다. 도 3(a)에 나타난 샘플은 약하고 넓은 00l 회절 패턴을 갖고, 이는 주로 양성자의 상호-삽입에 의한 삽입된 TBA 양이온의 불규칙 배향에 기인한다. 열처리 시, 이런 X-레이 패턴은 100℃에서 (도 3(b)) 비정질 상태로 전환되고 하우스먼나이트 구조를 갖는 Mn3O4 결정 피크(도 3(c))는 150℃에서 나타난다. 평면은 (112), (103), (211), (321) 및 (224)와 일치하고 계산 격자 상수 a = b = 5.771 A 및 c = 9.429 A(표 1참조)는 JCPDS 24-0734, a = b = 5.7621 A 및 c = 9.4696 A에 일치하고, Mn3O4 화합물 형성에 일치한다. 층상형의 이산화망간에서 망간 산화물 하우스먼나이트의 상 변화는 150℃에서 조차도 달성될 수 있다는 것은 주목할만한 것이다. 반면에, 양성자- 및 TBA-교환된 계층 이산화망간(H0 .13MnO2 ·0.7H2O 및 TBA0 .11MnO20.2H2O)은 상기 온도 영역 내에서 Mn3O4로 변환되지 않았다. 열 처리 이후에, 회절 패턴은 Mn3O4의 결정화에 기인하여 증가하였다.
5. FT - IR 분석
도 4는 샘플 및 100, 150 및 300℃에서 열처리된 샘플의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸다. 약 2950 및 2870 cm-1에서의 밴드는 TBA 분자의 계층 내에서의 존재를 나타내며, 비대칭 및 대칭 지방족 C-H stretching vibrations에 기인한다. 300℃에서 열처리된 샘플을 위한 스펙트럼을 제외하고 모든 스펙트럼은 계층 내에서 물분자의 수산기 그룹의 O-H stretching vibrations에 일치하는 약 3420 cm- 1를 중심으로 갖는 넓고 강한 밴드를 나타낸다. 도 4(a) 및 (b)의 499 cm-1 및 440 cm-1에서 특징적인 밴드는 버네사이트 망간산염 내의 MnO6 팔면체의 비대칭 스트레칭 모드에 기인하고, 이는 XRD 분석과 일치한다. 도 4(c)의 약 1067 cm- 1 에서 흡수 피크는 망간 원자와 결합된 O-H bending vibrations에 기인할지도 모른다. 도 4(c) 및 (d)의 약 610, 510 및 480 cm- 1 에서 넓은 흡수 밴드는 4 면체의 Mn-O 스트레칭 모드 및 Mn3O4 첨정석 구조 내의 8 면체 부분의 사이의 연결과 관련된다. 이런 결과는 버네사이트 망간산염에서 Mn3O4 하우스먼나이트로의 상변화는 150℃에서 달성될 수 있음을 의미한다.
6. 투과전자현미경 분석
도 5는 샘플 및 다양한 온도[(b) 100, (c) 150 및 (d) 300℃]에서 열처리된 샘플의 HR-TEM 이미지를 나타낸다. 100℃에서 준비된 샘플 및 열처리된 샘플 모두는 박리된 계층 물질의 전형적인 형태를 나타낸다. 준비된 샘플의 경우, 층의 모서리는 주입된 TBA 양성자 사이의 소수성 상호작용에 기인해서 굴려졌다. 150℃ 에서 열 처리된 샘플에 있어서, 10~15nm의 지름 및 50~100nm의 길이를 갖는 나노 입자(i) 및 불규칙한 얇은 판상의 조각의 존재는 관찰되었다. 온도가 300℃로 증가하였을 때, 나노 입자의 길이는 30~50nm로 짧아졌고, 유사한 지름을 가졌다.

Claims (10)

  1. (a)박리화된 금속 산화물 용액의 pH를 조절하는 단계;
    (b)상기 (a) 단계의 침전물을 분리 및 건조하는 단계;
    (c)상기 (b) 단계의 결과물을 하소(calcinaion)하여 고상분해하는 단계;
    를 포함하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속 산화물은 망간 산화물인 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 산용액을 첨가함으로써 pH의 조절을 하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 pH 2~8로 조절하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 (c) 단계는 150~400℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노 입자의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의해 제조된 금속산화물 나노 입자.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 금속산화물은 사산화삼망가니즈(Mn3O4)인 것을 특징으로 하는 나노 입자.
  8. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의해 제조된 NOx 분해촉매용 사산화삼망가니즈(Mn3O4) 나노 입자.
  9. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의해 제조된 자성재료용 사산화삼망가니즈(Mn3O4) 나노 입자.
  10. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 한에 의해 제조된 슈퍼케퍼시티 전극재료용 사산화삼망가니즈(Mn3O4) 나노 입자.
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