KR20140021745A - Graphene catalyst-decorated metal oxide nanorod, method for fabricating the same and sensors comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속산화물 나노로드와 그래핀(graphene) 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금속산화물 나노로드 대비 미세한 크기의 그래핀 촉매들이 금속산화물 나노로드의 표면에 국부적으로 결착되어 금속산화물 나노로드의 전기적인 특성이 그래핀에 의해 변형됨으로써, 센서의 구동온도를 낮추고 가스에 대한 반응성을 높이는 효과를 갖는, 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a metal oxide nanorod and a graphene composite, a method of manufacturing the same, and a sensor including the same. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a metal oxide nanorod, which comprises graphene catalysts having a finer size compared to a metal oxide nanorod, which are locally bound to the surface of the metal oxide nanorod, To a metal oxide nano-rod and a graphene composite, a production method thereof, and a sensor including the same.
금속산화물 반도체를 이용한 가스센서는 산화 가스 (예:NO2) 및 환원가스 (예:Cl2, C2H5OH, CO, H2 등)가 금속산화물 반도체의 표면에 흡착/탈착되는 과정에서 저항의 변화를 인식하는 원리로 구동이 된다. 이러한 가스의 흡착/탈착 과정은 비교적 느리게 진행되기 때문에, 금속산화물 반도체를 이용한 가스센서의 경우 반응속도와 회복속도가 느린 단점이 있다. 금속산화물 반도체는 n-type 반도체 (SnO2, In2O3, ZrO2)와 p-type (NiO, CuO, Co3O4) 반도체로 구분이 되는데, 전기전도도에 기여하는 캐리어 (carrier) 종이 전자인지 정공인지에 따라 구별이 된다. n-type 금속산화물 반도체는 대기 중에 있는 산소가 표면에 흡착이 되는 경우, 흡착된 산소종의 높은 전기음성도에 기인하여 반도체 내의 전기전도 역할을 하는 전자가 흡착 산소 표면에 국소화되어 있는 상태 (즉, 사로잡혀 있는 상태)가 된다. 이로 인하여, 금속산화물 반도체의 표면은 전자가 결핍이 되며, 전자 공핍층 (표면 공핍층)이 형성이 되게 된다. 이러한 전자 공핍층이 형성되어 있는 n-type 금속산화물 반도체의 표면에 환원성 가스 (예를 들어 CO)가 흡착되면 표면의 흡착산소가 이러한 기체 종들과 반응하여 표면의 흡착산소를 다시 탈착시키게 된다. 이때 산소주위에 포획된 전자가 다시 자유로워져서 전기전도도에 기여할 수 있게 된다. 따라서 우리가 검출하고자 하는 목적가스의 종류에 따라 반도체 센서의 전기 전도도가 변화하게 되고 이것으로써 기체 종의 존재 유무 및 농도를 알 수 있게 된다.In a gas sensor using a metal oxide semiconductor, an oxidizing gas (for example, NO 2 ) and a reducing gas (for example, Cl 2 , C 2 H 5 OH, CO, and H 2 ) are adsorbed / desorbed on the surface of the metal oxide semiconductor It is driven by the principle of recognizing the change of resistance. Since the adsorption / desorption process of the gas proceeds relatively slowly, the gas sensor using the metal oxide semiconductor has a disadvantage that the reaction rate and the recovery rate are slow. Metal oxide semiconductors are classified into n-type semiconductors (SnO 2 , In 2 O 3 , ZrO 2 ) and p-type (NiO, CuO and Co 3 O 4 ) semiconductors. Carrier paper It is distinguished according to whether it is electron or hole. When n-type metal oxide semiconductors are adsorbed on the surface of the atmosphere, electrons acting as conduction in the semiconductor are localized on the surface of the adsorbed oxygen due to high electronegativity of the adsorbed oxygen species , Captive state). As a result, electrons are deficient on the surface of the metal oxide semiconductor, and an electron depletion layer (surface depletion layer) is formed. When a reducing gas (for example, CO) is adsorbed on the surface of the n-type metal oxide semiconductor having such an electron depletion layer, adsorbed oxygen on the surface reacts with these gas species to desorb the adsorbed oxygen on the surface. At this time, the trapped electrons around oxygen can be freed again to contribute to the electrical conductivity. Therefore, the electrical conductivity of the semiconductor sensor is changed according to the type of the target gas to be detected, and thus the presence or concentration of the gas species can be known.
이와 관련하여, 한국공개특허 2011-0013742호는 기판, 상기 기판에 형성된 그래핀 시트, 상기 그래핀 시트의 다른 일면에 그래핀과 직교하도록 형성된 탄소계 나노물질을 포함하는 탄소계 나노복합체를 개시하고 있다.Korean Patent Publication No. 2011-0013742 discloses a carbon-based nanocomposite comprising a substrate, a graphene sheet formed on the substrate, and a carbon-based nanomaterial formed on the other surface of the graphene sheet so as to be orthogonal to graphene have.
본 발명의 목적은, 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀 촉매가 결착된 복합체를 제조하고, 상기 복합체를 이용한 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a composite in which a graphene catalyst is bound to the surface of a metal oxide nanorod, and a sensor using the composite and a manufacturing method thereof.
본 발명의 다른 목적은, 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀 촉매가 국부적으로 결착됨으로써, 금속산화물의 전기저항 특성뿐만 아니라 그래핀의 전기저항 특성이 결합되어 센서 정보가 제공이 되는 그래핀-금속산화물 나노로드 복합체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a metal oxide nano-rods, in which a graphene catalyst is locally bound to a surface of a metal oxide nano-rods so that an electrical resistance characteristic of the metal oxide as well as an electrical resistance characteristic of the graphene are combined, Oxide nano-rod composite and a method of manufacturing the same.
본 발명의 또 다른 목적은, p-type 그래핀 촉매가, n-type 금속산화물 나노로드 또는 p-type 금속산화물 나노로드와 결합이 되어, p-n 접합 또는 p-p 접합을 가지는 다종의 복합체 센서 소재를 제조하고, 이를 센서 어레이 (sensor array)에 적용하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a composite sensor material in which p-type graphene catalysts are combined with n-type metal oxide nano-rods or p-type metal oxide nano-rods and have pn junctions or pp junctions And applies it to a sensor array.
본 발명의 일 관점인 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체는 금속산화물 나노로드; 및 상기 금속산화물 나노로드의 표면에 결착된 그래핀 또는 그의 응집체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal oxide nanorod and the graphene composite which are one aspect of the present invention include a metal oxide nanorod; And graphene or agglomerates bound to the surface of the metal oxide nanorod.
본 발명의 다른 관점인 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체의 제조 방법은 (a) 금속산화물 전구체와 고분자 방사 용액을 방사하여, 복합 나노 섬유를 제조하는 단계; (b) 상기 복합 나노 섬유를 열처리하여 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계, (c) 상기 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 금속산화물 나노로드를 제조하는 단계, 및 (d) 상기 금속산화물 나노로드와 그래핀 분산 용액을 혼합하여, 그래핀 또는 그래핀 응집체가 결착된 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.Another aspect of the present invention is to provide a method for producing a metal oxide nanorod and a graphene composite, which comprises: (a) spinning a metal oxide precursor and a polymer spinning solution to prepare a composite nanofiber; (b) heat-treating the composite nanofibers to prepare metal oxide nanofibers, (c) pulverizing the metal oxide nanofibers to prepare metal oxide nanorods, and (d) And mixing the fin dispersion solution to prepare a graphene complex with a metal oxide nanorod having graphene or graphene aggregates bound thereto.
본 발명의 또 다른 관점인 센서는 상기 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 포함할 수 있다.The sensor, which is another aspect of the present invention, may comprise the metal oxide nanorod and the graphene complex.
본 발명에 의하면, 반도체 특성을 가지는 금속산화물 나노로드의 표면에 미세한 크기의 그래핀을 결착시켜, 1차원의 나노로드와 2차원의 그래핀의 전기적인 특성을 동시에 포함하는 복합체를 제조하고 이를 환경 센서 및 질병 진단용 날숨 (exhaled breath) 검출센서 소재로 활용함으로써, 높은 감도와 우수한 선택성을 가지는 센서 소재를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to produce a composite containing both a one-dimensional nano-rod and two-dimensional graphene electrical characteristics at the same time by binding fine-graphene grains to the surface of a metal oxide nano- Sensor material and an exhaled breath detection sensor material, it is possible to provide a sensor material having high sensitivity and excellent selectivity.
p-type 특성을 가지는 그래핀이 n-type 내지는 p-type의 금속산화물 나노로드와 결착이 됨에 따라 표면에서의 전자 농도가 달라지게 되고, 특정 가스에 대한 선택성을 높일 수 있다. As the graphene having the p-type characteristic is bound to the n-type or p-type metal oxide nanorod, the electron concentration on the surface is changed and the selectivity to the specific gas can be increased.
금속산화물 나노로드에 결착된 그래핀의 함량 변화를 통해서, 센서의 검출 특성을 조절하는 것이 가능하다. 그래핀의 우수한 가스 결합 특성에 의하여, 통상적인 금속산화물 반도체의 센서 동작 온도보다 낮은 온도에서 동작이 가능하다. 즉 저온 동작 가스센서의 구현이 가능한 장점이 있다. Through the change of the content of graphene bound to the metal oxide nanorod, it is possible to control the detection characteristic of the sensor. Due to the excellent gas binding characteristics of graphene, it is possible to operate at a temperature lower than the sensor operating temperature of a conventional metal oxide semiconductor. That is, there is an advantage that a low temperature operation gas sensor can be realized.
도 1은 본 발명 일 구체예의 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀이 결착된 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체의 개념도이다.
도 2는 실시예 1 중 전기방사를 통하여 제조된 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노 섬유의 주사전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 중 전기방사를 통하여 제작한 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노 섬유를 열처리 후, 분쇄하여 얻어진 금속산화물 나노로드의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 4는 실시예 1의 금속산화물 나노로드에 그래핀 촉매를 분산시켜 얻어진 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드의 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 5는 도 4의 확대된 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.
도 6은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 200 ℃에서 H2S 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 7은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 350 ℃에서 H2S 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 8은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 200 ℃에서 아세톤 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 9는 실시예 2와 비교예 1의 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 350 ℃에서 아세톤 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 10은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 200 ℃에서 톨루엔 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다.
도 11은 실시예 2와 비교예 1의 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드와 순수한 금속산화물 나노로드의 300 ℃에서 톨루엔 가스에 대한 가스센서 반응성 결과이다. 1 is a conceptual diagram of a metal oxide nanorod and a graphene composite in which graphenes are bound to the surface of the metal oxide nanorod according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber prepared by electrospinning in Example 1. FIG.
FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a metal oxide nanorod obtained by heat treatment of a metal oxide precursor / polymer composite nanofiber prepared through electrospinning in Example 1 and pulverization.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a metal oxide nanorod having a graphene catalyst obtained by dispersing a graphene catalyst in the metal oxide nanorod of Example 1. Fig.
5 is an enlarged scanning electron microscope (SEM) photograph of FIG.
FIG. 6 shows the results of gas sensor reactivity of the metal oxide nanorods and the pure metal oxide nanorods bound to the graphene catalysts of Example 2 and Comparative Example 1 for H 2 S gas at 200 ° C. FIG.
FIG. 7 shows the results of gas sensor reactivity of the metal oxide nanorods and the pure metal oxide nanorods bound to the graphene catalyst of Example 2 and Comparative Example 1 at 350 ° C for H 2 S gas.
8 is a graph showing gas sensor reactivity results of the metal oxide nanorods and the pure metal oxide nanorods bound to the graphene catalyst of Example 2 and Comparative Example 1 at 200 ° C for acetone gas.
9 is a graph showing gas sensor reactivity results of the metal oxide nanorods and the pure metal oxide nanorods bonded with the graphene catalyst of Example 2 and Comparative Example 1 at 350 ° C for acetone gas.
10 is a graph showing gas sensor reactivity results of the metal oxide nanorods and the pure metal oxide nanorods bound to the graphene catalyst of Example 2 and Comparative Example 1 at 200 ° C for toluene gas.
FIG. 11 shows the results of gas sensor reactivity of the metal oxide nanorods and the pure metal oxide nanorods bound to the graphene catalyst of Example 2 and Comparative Example 1 at 300 ° C for toluene gas.
본 발명의 일 관점인 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체는 금속산화물 나노로드; 및 상기 금속산화물 나노로드의 표면에 결착된 그래핀 또는 그의 응집체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal oxide nanorod and the graphene composite which are one aspect of the present invention include a metal oxide nanorod; And graphene or agglomerates bound to the surface of the metal oxide nanorod.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 금속산화물 나노로드의 표면 중 일부에 결착될 수 있다. 복합체에서 그래핀 또는 그의 응집체는 금속산화물 나노로드가 기체 등과 접촉할 경우 전기적 특성을 변형시키는 촉매 역할로 결착되어 있다. 따라서, 본 발명의 복합체에서는 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀 또는 그의 응집체가 소량으로 결착되어 있다.In the composite, graphene or agglomerates thereof can bind to some of the surfaces of the metal oxide nanorods. In the composite, graphene or agglomerates thereof are bound to catalyze the modification of the electrical properties of the metal oxide nanorod when it comes into contact with a gas or the like. Therefore, in the composite of the present invention, a small amount of graphene or an agglomerate thereof is adhered to the surface of the metal oxide nanorod.
그래핀이 금속산화물 나노로드의 표면에 결착이 될 때, 금속산화물 나노로드의 전체 표면이 그래핀으로 모두 덮이지 않는 것이 중요하다. 그래핀이 금속산화물 나노로드의 전면에 결착되는 경우, 외부 가스와의 흡착/탈착이 금속산화물 나노로드의 외벽에 코팅된 그래핀에 의해 이루어지기 때문에, 단일 그래핀의 물성에 의해 가스 검출 특성이 크게 좌우되게 된다. 따라서 금속산화물 나노로드의 일부 면은 가스에 반드시 노출이 되도록 그래핀이 국부적으로 결착되는 것이 바람직하다. When graphene binds to the surface of the metal oxide nanorod, it is important that the entire surface of the metal oxide nanorod is not covered by graphene. When graphene binds to the front surface of the metal oxide nanorod, the adsorption / desorption with the external gas is performed by graphene coated on the outer wall of the metal oxide nanorod. Therefore, the gas detection characteristic . Therefore, it is preferable that the graphene is locally bound so that a part of the surface of the metal oxide nanorod is exposed to the gas.
상기 금속산화물 나노로드의 전체 표면 중 상기 그래핀 또는 그의 응집체가 결착되지 않은 표면의 비율은 5 % - 98%, 바람직하게는 70% - 90 %가 될 수 있다. 금속산화물 나노로드의 노출면이 5% 미만이면 그래핀의 특성이 크게 중요해지고, 나노로드의 노출면이 98%를 넘어서게 되면 그래핀 첨가에 의한 효과가 미비해 지게 된다. The ratio of the surface of the metal oxide nanorod that is not bound to the graphene or the aggregate thereof may be 5% to 98%, preferably 70% to 90%. If the exposed surface of the metal oxide nanorod is less than 5%, the characteristics of graphene become significant, and if the exposed surface of the nanorod exceeds 98%, the effect due to graphene addition becomes insufficient.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 금속산화물 나노로드의 표면에 복수개로 결착될 수 있다. 그래핀 또는 그의 응집체가 복수개로 결착됨으로써 그래핀은 촉매 역할을 더 잘 수행할 수 있다.In the composite, graphene or agglomerates thereof can be bound to a plurality of surfaces of the metal oxide nanorods. Graphene can better perform its catalytic role by binding a plurality of graphenes or agglomerates thereof.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 금속산화물 나노로드 대비 미세한 크기로 결착되어 있다. 그래핀 또는 그의 응집체의 크기가 나노로드 대비 클 경우 가스 흡착시 전기적 특성이 그래핀에 의해 좌우될 수 있기 때문이다. 그래핀 또는 그의 응집체의 최대 직경에 대한 상기 금속산화물 나노로드의 길이의 비는 3 - 30000, 바람직하게는 15 - 300이 될 수 있다.In the composite, graphene or its aggregates are bound to a finer size relative to the metal oxide nanorods. If the size of the graphene or agglomerate thereof is larger than that of the nano-rods, the electrical characteristics may be influenced by graphene when the gas is adsorbed. The ratio of the length of the metal oxide nanorod to the maximum diameter of graphene or agglomerates thereof may be 3 to 30,000, preferably 15 to 300. [
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 복합체 중 0.0001 - 10 중량%, 바람직하게는 0.001 - 1 중량%, 더 바람직하게는 0.001 - 0.005 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 그래핀은 촉매 역할을 충분히 수행할 수 있고, 센서의 구동온도를 낮추고 가스에 대한 반응성을 높이는 효과가 있을 수 있다.In the composite, graphene or agglomerates thereof may be included in the composite in an amount of 0.0001 to 10 wt%, preferably 0.001 to 1 wt%, more preferably 0.001 to 0.005 wt%. In this range, graphene can sufficiently perform the role of a catalyst, and may have an effect of lowering the driving temperature of the sensor and increasing the reactivity to the gas.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 상기 금속산화물 나노로드의 길이 방향에 수평 또는 수직인 방향으로 결착되어 있을 수 있다. 상기 그래핀은 상기의 응집체를 형성하여 금속산화물 나노로드에 수평 또는 수직방향으로 결착 되는 것을 포함하며, 다양한 방향으로 결착될 수 있으며, 특정 결착 방향에 제한을 두지 않는다. In the composite, graphene or agglomerates thereof may be bound in a direction perpendicular or perpendicular to the longitudinal direction of the metal oxide nanorods. The graphenes include those which form the agglomerates and bind to the metal oxide nanorods in a horizontal or vertical direction, can be bound in various directions, and have no specific binding direction.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 금속산화물 나노로드의 표면 중에 일부분에 불연속적(discrete)으로 결착될 수 있다. 이는 복합체의 제조 과정에 기인한 것으로, 복합체 제조 과정에서 그래핀 또는 그의 응집체와 금속산화물 나노로드의 혼합 과정을 포함하기 때문이다.In the composite, graphene or agglomerates thereof can be discrete bonded to a portion of the surface of the metal oxide nanorod. This is due to the manufacturing process of the composite because it involves a process of mixing the graphene or agglomerate thereof with the metal oxide nanorod in the process of producing the composite.
본 명세서에서 '그래핀'은 그래핀 뿐만 아니라, 그래핀 산화물 (Graphene Oxide), 환원된 그래핀 산화물 (Reduced Graphene Oxide) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.In this specification, 'graphene' may include not only graphene but also graphene oxide, reduced graphene oxide, or a mixture thereof.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 그래핀 최초 형태를 가질 수 있지만, 바람직하게는 그래핀 조각, 그래핀 퀀텀 닷(quantum dot), 그래핀 리본, 그래핀 플레이크 중 하나 이상의 형상을 가질 수 있다. 이는 복합체의 제조 과정에 기인한 것으로, 복합체 제조 과정에서 그래핀 또는 그의 응집체와 금속산화물 나노로드의 혼합 과정을 포함하기 때문이다.In the composite, graphene or agglomerates thereof may have a graphene initial shape, but may preferably have at least one of a graphene slice, a graphene quantum dot, a graphene ribbon, or a graphene flake. This is due to the manufacturing process of the composite because it involves a process of mixing the graphene or agglomerate thereof with the metal oxide nanorod in the process of producing the composite.
복합체에서, 그래핀 또는 그의 응집체는 단층 또는 다층 그래핀으로부터 형성될 수 있다. In the composite, graphene or aggregates thereof may be formed from single or multilayer graphene.
복합체에서, 금속산화물 나노로드는 전기방사 기술로 제조되어 형성된 금속산화물 나노섬유를 분쇄 과정을 거쳐 나노로드 형상으로 제조된 것을 특징으로 한다. 금속산화물 나노로드는 전구체 염으로부터 열처리 과정 중에 핵 생성과 입자 성장을 거쳐 형성된다. 그 결과, 금속산화물 나노로드는 미세한 나노입자로 구성된 다결정성(polycrystal)을 가질 수 있다. In the composite, the metal oxide nanorod is manufactured by electrospinning technology, and the formed metal oxide nanofiber is pulverized and manufactured into a nanorod shape. Metal oxide nanorods are formed from precursor salts through nucleation and particle growth during heat treatment. As a result, the metal oxide nanorods can have a polycrystalline structure composed of fine nanoparticles.
복합체에서, 1차원의 금속산화물 나노로드이면 특정 결정성에 제약을 두지는 않는다. 수열합성법 내지는 기상 증착법 등의 제조 방법으로 얻어진 단결정의 금속산화물 나노로드도 미세한 그래핀 조각과 결착되어 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 구성할 수도 있다. In the composite, a one-dimensional metal oxide nanorod does not limit the specific crystallinity. The single-crystal metal oxide nanorods obtained by the hydrothermal synthesis method or the vapor deposition method may be combined with fine graphene pieces to form a graphene composite with the metal oxide nanorods.
금속산화물 나노로드는 나노섬유의 분쇄 과정을 통해 제조되기 때문에, 복합체를 이루는 나노로드의 길이는 다양하다. 바람직하게는 나노로드의 길이는 1 ㎛ - 30 ㎛가 될 수 있다. 1 ㎛ 보다 작은 경우에는 aspect ratio가 작아서, 전체 복합체의 기본 저항이 커지는 문제가 발생할 수 있으며, 30 ㎛ 초과로 큰 경우는 센서 전극의 코팅 시에 불균일성이 높아질 수 있다. Since metal oxide nanorods are produced through the grinding process of nanofibers, the length of the nanorods composing the composite is variable. Preferably, the length of the nano-rods may be between 1 [mu] m and 30 [mu] m. When the thickness is less than 1 탆, the aspect ratio is small, so that the basic resistance of the whole composite may increase. When the thickness is larger than 30 탆, nonuniformity may occur during coating of the sensor electrode.
복합체에서, 금속산화물 나노로드 내에는 기공이 존재한다. 이로 인해, 가스 분자들의 이동이 빠르게 일어날 수 있고, 높은 비표면적을 가지고 있어, 우수한 가스 반응 특성을 기대할 수 있다. 또한 1차원 형상이 갖는 우수한 물질 전달 특성을 바탕으로 우수한 가스 감지 특성을 기대할 수 있다. 복합체 중 금속산화물 나노로드 내에 형성된 기공의 직경은 1 nm - 50 nm가 될 수 있다.In the composite, pores are present in the metal oxide nanorod. As a result, the movement of the gas molecules can occur rapidly, and the gas having a high specific surface area can be expected to have excellent gas reaction characteristics. In addition, excellent gas sensing characteristics can be expected based on excellent mass transfer characteristics of a one-dimensional shape. The diameter of the pores formed in the metal oxide nanorods in the composite can be from 1 nm to 50 nm.
복합체에서, 미세한 크기의 그래핀은 금속산화물 나노로드의 표면에 결착이 되어 복합체를 구성하게 된다. 이는 그래핀이 갖는 높은 표면 에너지에 기한 것으로, 금속산화물 나노로드와 그래핀은 반데르발스 인력(van der waals force)에 의해 서로 결착되어 있다. In the composite, fine graphene binds to the surface of the metal oxide nanorod to form a composite. This is due to the high surface energy of graphene, and the metal oxide nanorods and graphene are bound together by a van der waals force.
금속산화물 나노로드를 구성하는 금속산화물은 n-type 또는 p-type이 될 수 있고, 그래핀은 p-type이다. 따라서, 본 발명의 복합체는 금속산화물 나노로드와 그래핀이 서로 결착되어 있어, n-p 접합 구조 또는 p-p 접합 구조를 형성함으로써, 다양한 가스에 대해 선택적인 검출 특성을 가질 수 있다.The metal oxide constituting the metal oxide nanorod can be n-type or p-type, and graphene is p-type. Accordingly, the composite of the present invention can have selective detection characteristics for various gases by bonding the metal oxide nanorod and graphene to each other to form an n-p junction structure or a p-p junction structure.
금속산화물 나노로드를 구성하는 금속산화물은 반도체 성질을 갖는 것으로, 예를 들면 WO3, ZnO, SnO2, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Ag2V4O11, Ag2O, MnO2, InTaO4, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 , Ba0 .5Sr0 .5Co0 .8Fe0 .2O3 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The metal oxide constituting the metal oxide nanorod has a semiconductor property. For example, the metal oxide may be selected from the group consisting of WO 3 , ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , V 2 O 5 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, MnO 2 , InTaO 4 , InTaO 4 , CaCu 3 Ti 4 O 12, Ag 3
그래핀은 직경이 1 nm - 300 nm, 바람직하게는 1 nm - 50 nm가 될 수 있다. 1 nm 미만의 크기를 갖는 그래핀은 합성이 힘들고, 300 nm 보다 큰 그래핀을 이용하는 경우, 금속산화물 나노로드가 그래핀에 의해 완전히 코팅 버릴 수 있기 때문에, 가스센서의 물성이 그래핀 특성에 의해 주도적으로 영향을 받을 수 있다.The graphene may have a diameter of 1 nm to 300 nm, preferably 1 nm to 50 nm. Since graphene having a size of less than 1 nm is difficult to synthesize and graphene larger than 300 nm is used, the metal oxide nano-rods can be completely coated with graphene, It can be influenced by initiative.
금속산화물 나노로드의 직경은 50 nm - 1.5 ㎛가 될 수 있다. 50 nm 보다 평균 직경이 작은 나노로드의 경우 나노섬유의 분쇄 과정에서 대부분 파쇄가 되기 때문에, 안정적인 형상 유지가 어려우며, 1.5 ㎛ 보다 두꺼운 나노로드의 경우 표면적의 감소를 초래할 수도 있다. The diameter of the metal oxide nanorods may be between 50 nm and 1.5 탆. In the case of a nanorod having an average diameter smaller than 50 nm, it is difficult to maintain a stable shape because most of the nanorod is crushed during the grinding process of the nanofiber. In the case of a nanorod having a thickness larger than 1.5 탆, the surface area may decrease.
금속산화물 나노로드의 길이는 1 ㎛ - 30 ㎛가 될 수 있다. 상기 범위 내에서, 구동온도를 낮추고 가스에 대한 반응성을 높이는 효과가 있을 수 있다.The length of the metal oxide nanorod may be from 1 [mu] m to 30 [mu] m. Within this range, there may be an effect of lowering the driving temperature and increasing the reactivity to the gas.
상기 복합체 중 상기 그래핀은 0.0001 중량% - 10 중량%, 바람직하게는 0.001 중량% - 1 중량%, 더 바람직하게는 0.001 중량% - 0.005 중량%로 포함될 수 있다. 그래핀의 함량이 0.0001 중량% 미만인 경우 그래핀 첨가 효과가 적으며, 그래핀의 함량이 10 중량% 초과인 경우, 금속산화물 나노로드 특성이 아닌 그래핀의 특성에 의해 전체 센서 특성이 좌우가 될 수 있다.The graphene in the composite may be contained in an amount of 0.0001 to 10% by weight, preferably 0.001 to 1% by weight, more preferably 0.001 to 0.005% by weight. When the content of graphene is less than 0.0001% by weight, the effect of graphene addition is small. When the content of graphene is more than 10% by weight, the characteristics of graphene, which is not a metal oxide nano-rod characteristic, .
상기 그래핀은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. The graphene may be formed as a single layer or a multilayer.
상기 그래핀과 금속산화물 나노로드 복합체는 가스와 접촉하여 저항 변화를 산출함으로써 가스 센서로 사용될 수 있다. 통상적으로 가스 센서 반응은 300 ℃ 이상의 고온에서 이루어지게 되지만, 그래핀이 첨가가 되는 경우 200 ℃ 이하의 낮은 온도에서도 반응성이 크게 변화하는 것을 관찰할 수 있다. 가스의 동작온도는 발열체 히터를 가열하기 위한 배터리의 소모가 필수적이며, 이로 인하여 낮은 소비 전력을 갖는 센서를 개발하는 것은 매우 중요한 핵심 기술이다. 따라서 저온에서 동작 가능한 센서를 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 이용하여 제조할 수 있는 것은 매우 중요한 시사점을 갖는다.The graphene and metal oxide nanorod composites can be used as a gas sensor by calculating the resistance change in contact with the gas. Generally, the gas sensor reaction is carried out at a high temperature of 300 ° C or higher, but when graphene is added, the reactivity largely changes even at a low temperature of 200 ° C or lower. The operating temperature of the gas is consumed by the battery to heat the heating element heater, so developing a sensor with low power consumption is a very important technology. Therefore, it is very important to fabricate a sensor capable of operating at low temperatures using metal oxide nanorods and graphene composites.
그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물 3 종을 각각 다른 센서 또는 이들 중에 일부가 혼합된 그래핀을 사용함으로써, 높은 감지 특성, 반응 속도/회복속도, 선택성 등의 다양한 특성 향상을 기대할 수 있다.By using graphene, graphene oxide, and three kinds of reduced graphene oxides, respectively, or graphene mixed with some of them, it is expected that various characteristics such as high detection characteristics, reaction rate / recovery rate, selectivity can be improved have.
그래핀은 불규칙한 형상과 크기로 용액 속에 콜로이달 형태로 존재하기 때문에, 금속산화물 나노로드의 표면에 부착된 그래핀의 크기 및 형상 또한 제각각인 특징이 있다. 따라서 금속산화물 나노로드에 결착된 그래핀의 형상은 사용된 그래핀의 균일성에 따라서 크게 달라지게 된다. Since graphene exists in a colloidal form in a solution with irregular shape and size, the size and shape of the graphene attached to the surface of the metal oxide nanorod are also different. Therefore, the shape of the graphene bonded to the metal oxide nanorod varies greatly depending on the uniformity of the graphene used.
도 1은 본 발명의 일 구체예인 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체의 개념도를 나타낸 것이다. 도 1에 의하면, 복합체(1)는 금속산화물 나노로드(2)에 단층 내지는 다층 그래핀 sheet(3) 및 상기 단층 내지는 다층의 그래핀(3)이 파쇄된 다양한 크기 및 형상을 가지는 그래핀(4)이 결착된 복합체를 구성할 수 있다.1 is a conceptual diagram of a metal oxide nanorod and a graphene composite according to an embodiment of the present invention. 1, the
본 발명의 다른 관점인 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체의 제조 방법은 금속산화물 나노로드와 그래핀을 혼합하여, 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.Another method of manufacturing a metal oxide nano-rod and a graphene composite according to another aspect of the present invention may include a step of mixing a metal oxide nano-rod and graphene to prepare a metal oxide nano-rod and a graphene composite.
일 구체예에서, 본 발명의 복합체의 제조 방법은 하기에서 서술된 방법을 포함할 수 있다:In one embodiment, the method of making the complex of the present invention can include the methods described below:
(a) 금속염 전구체를 포함하는 고분자 방사 용액을 방사하여, 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노 섬유를 제조하고 열처리하여 금속산화물 나노섬유를 제조하는 단계; (b) 상기 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 금속산화물 나노로드를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 금속산화물 나노로드와 미세한 크기로 분산된 그래핀 분산용액을 혼합하여, 금속산화물 나노로드의 표면에 그래핀이 결착된 복합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.(a) spinning a polymer spinning solution containing a metal salt precursor to prepare a metal oxide precursor / polymer composite nanofiber and subjecting the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber to heat treatment to produce a metal oxide nanofiber; (b) pulverizing the metal oxide nanofibers to produce metal oxide nanorods; And (c) mixing the metal oxide nanorod and a graphene dispersion solution dispersed in a finer size to prepare a composite in which graphene is bound to the surface of the metal oxide nanorod.
고분자는 방사 용액에 점도를 부여하여 방사시 섬유상을 형성시키고, 금속, 금속 산화물 형성용 전구체와의 상용성에 의해 방사된 섬유의 구조를 제어할 수 있다. The polymer can impart a viscosity to the spinning solution to form a fiber phase upon spinning, and control the structure of the spinning fiber by compatibility with the precursor for metal and metal oxide formation.
고분자는 중량평균분자량(Mw)이 100,000 g/mol - 1,500,000 g/mol이 될 수 있다. 상기범위 내에서 전기방사를 통해 나노 섬유를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 500,000 g/mol - 1,300,000 g/mol이 될 수 있다.The polymer may have a weight average molecular weight (Mw) of 100,000 g / mol to 1,500,000 g / mol. Within this range, nanofibers can be formed through electrospinning. Preferably, it can be from 500,000 g / mol to 1,300,000 g / mol.
고분자의 유리전이온도(Tg)는 25 ℃ - 200 ℃가 될 수 있다. 바람직하게는, 35 ℃ - 190 ℃가 될 수 있다.The glass transition temperature (Tg) of the polymer may be from 25 ° C to 200 ° C. Preferably, it may be 35 ° C to 190 ° C.
고분자는 상술한 중량평균분자량과 유리전이온도를 충족하는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, PVAc(폴리비닐아세테이트), PVP(폴리비닐피롤리돈), PVA(폴리비닐알콜), PEO(폴리에틸렌 옥사이드), PANi(폴리아닐린), PAN(폴리아크릴로니트릴), PMMA(폴리메틸메타아크릴레이트), PAA(폴리아크릴산), 또는 PVC(폴리비닐클로라이드)가 될 수 있다.The polymer is not particularly limited as long as it meets the above-mentioned weight-average molecular weight and glass transition temperature. For example, it is possible to use PVAc (polyvinyl acetate), PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), PEO (polyethylene oxide), PANi (polyaniline), PAN (polyacrylonitrile) Methacrylate), PAA (polyacrylic acid), or PVC (polyvinyl chloride).
반도체 금속 산화물 나노로드를 형성할 수 있는 금속염 전구체는 금속을 포함하는 염, 예를 들면 유기산염, 할로겐염, 무기산염, 알콕시염, 설파이드염, 아미드염 등이 될 수 있다. 구체적으로, 아세테이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드, 옥시트리이소프로폭시드, (에틸 또는 세틸에틸)헥사노에이트, 부타노에이트, 에틸아미드, 아미드 등의 형태를 가지는 금속염 중에서 선택된 어느 하나 내지는 둘 이상의 혼합 염이 될 수 있다.The metal salt precursor capable of forming the semiconductor metal oxide nanorod may be a metal-containing salt, for example, an organic acid salt, a halogen salt, an inorganic acid salt, an alkoxy salt, a sulfide salt, an amide salt and the like. Specifically, there may be mentioned, for example, acetates, chlorides, acetylacetonates, nitrates, methoxides, ethoxides, butoxides, isopropoxide, sulfides, oxytriisopropoxide, (ethyl or cetylethyl) hexanoate, , Ethyl amide, amide, and the like, or a mixture of two or more thereof.
용매는 전기 방사 후 휘발 속도로 인해 나노섬유의 형상에 영향을 줄 수 있다. The solvent may affect the shape of the nanofibers due to the volatilization rate after electrospinning.
용매는 비점이 물보다 높은 용매, 바람직하게는 비점이 100 ℃ - 170 ℃인 용매를 사용할 수 있다. 예를 들면, 디메틸포름아미드 (DMF, 비점:153 ℃), 또는 이들의 혼합 용매를 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.The solvent may be a solvent having a boiling point higher than that of water, preferably a solvent having a boiling point of 100 ° C to 170 ° C. For example, dimethylformamide (DMF, boiling point: 153 占 폚) or a mixed solvent thereof may be used, but is not limited thereto.
방사 용액은 용질인 금속염 전구체 및 고분자의 함량, 및 용매의 함량을 조절하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 방사 용액은 금속염 전구체 5 - 30 중량%, 고분자 5 - 20 중량% 및 잔량의 용매를 포함할 수 있다. The spinning solution can be prepared by controlling the content of the metal salt precursor and the polymer, which are solutes, and the content of the solvent. For example, the spinning solution may comprise from 5 to 30% by weight of the metal salt precursor, from 5 to 20% by weight of the polymer, and a residual amount of solvent.
방사 용액에서, 전구체는 고분자의 함량 100중량부에 대하여 50 - 300 중량부로 포함될 수 있다. In the spinning solution, the precursor may be included in an amount of 50 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer.
방사 용액은 전구체, 고분자, 및 용매 이외에 원활한 방사를 위해 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제는 계면활성제, 산, 염기, 기름, 유기염, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 첨가제는 방사 용액 중 0.1 - 10 중량%로 첨가될 수 있다. The spinning solution may further comprise additives for smooth spinning in addition to precursors, polymers, and solvents. The additives may include, but are not limited to, surfactants, acids, bases, oils, organic salts, or mixtures thereof. The additive may be added in an amount of 0.1 to 10% by weight in the spinning solution.
첨가제로는 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 등을 포함하는 계면활성제, 아세트산, 스테아르산, 아디프산, 에톡시아세트산, 벤조산 또는 질산 등의 산을 사용할 수 있다.As the additive, a surfactant including cetyltrimethylammonium bromide and the like, and an acid such as acetic acid, stearic acid, adipic acid, ethoxyacetic acid, benzoic acid or nitric acid can be used.
방사 용액에서, 용질인 전구체와, 고분자를 용매에 첨가하는 순서, 교반 온도 및 교반 시간을 적절히 조절하여 제조할 수 있다. In the spinning solution, the precursor, which is a solute, and the order of addition of the polymer to the solvent, the stirring temperature and the agitation time can be suitably adjusted.
용질 중 고분자를 먼저 첨가하여, 고분자 용액을 제조하고, 그런 다음, 전구체 및 각종 첨가제를 첨가하여 방사 용액을 제조한다. 고분자와 전구체를 모두 첨가한 후 교반하게 되는데, 교반 온도는 25 - 80 ℃, 교반 시간은 1 시간 - 48 시간이 될 수 있다. The polymer in the solute is first added to prepare a polymer solution, and then a precursor and various additives are added to prepare a spinning solution. After adding both the polymer and the precursor, the mixture is stirred. The stirring temperature may be from 25 to 80 ° C., and the stirring time may be from 1 hour to 48 hours.
방사 용액의 점도는 25 ℃에서 70 cps - 3000 cps가 될 수 있다. 바람직하게는, 점도는 100 cps - 2000 cps가 될 수 있다.The viscosity of the spinning solution may be 70 cps to 3000 cps at 25 ° C. Preferably, the viscosity may be between 100 cps and 2000 cps.
방사 용액을 제조한 후 상기 방사 용액을 전기 방사하여 상기 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 나노섬유를 형성하게 된다.After the spinning solution is prepared, the spinning solution is electrospun to form a precursor / polymer composite nanofiber in which the precursor and the polymer are combined.
전기 방사시 전기 방사 장치는 방사 용액을 정량적으로 투입할 수 있는 정량 펌프에 연결된 분사 노즐, 고전압 발생기, 접지된 전도성 기판으로 구성된다. 전도성 기판은 금속판이고, 상기 금속판과 10 cm - 20 cm의 거리를 두고 떨어져 있는 방사 노즐 (needle)을 이용하여 전기 방사한다. In the electrospinning, the electrospinning device consists of a spray nozzle connected to a metering pump, a high voltage generator, and a grounded conductive substrate, which can quantitatively inject the spinning solution. The conductive substrate is a metal plate and electrospun using a spinning nozzle spaced 10 cm to 20 cm from the metal plate.
전기 방사시 방사 용액의 토출 속도는 5 ㎕/분 - 100 ㎕/분이 될 수 있다. 토출 속도는 바람직하게는, 10 ㎕/분 - 100 ㎕/분이 될 수 있다.During the electrospinning, the spinning rate of the spinning solution may be 5 μl / min to 100 μl / min. The ejection speed may preferably be 10 μl / min to 100 μl / min.
전기 방사시 작동 전압은 8 kV - 30 kV가 될 수 있다. The operating voltage for electrospinning can be from 8 kV to 30 kV.
전기 방사시 주변 습도는 10 % - 50 %가 될 수 있고, 전기 방사시 주변 온도는 15 ℃ - 25 ℃가 될 수 있다. The ambient humidity during electrospinning can be from 10% to 50%, and the ambient temperature during electrospinning can be from 15 ° C to 25 ° C.
전기 방사시 방사 용액의 토출 속도, 작동 전압, 노즐과 집전체 와의 거리, 습도, 온도는 일정하게 할 수 있으나, 변경가능하며, 변경할 경우 규칙적으로 또는 불규칙적으로 변경할 수 있다. The discharge speed of the spinning solution, the operating voltage, the distance between the nozzle and the current collector, the humidity and the temperature can be fixed but can be changed.
전기 방사 시 방사 노즐의 구멍 크기, 토출 속도, 방사 용액에서 전구체의 농도, 방사 길이에 따라 나노섬유의 직경을 조절할 수 있다. In electrospinning, the diameter of the nanofibers can be controlled according to the hole size of the spinning nozzle, the discharge speed, the concentration of the precursor in the spinning solution, and the spinning length.
전기 방사에 의해, 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 섬유를 형성할 수 있고, 상기 복합 섬유는 웹 (web)의 형태를 가질 수 있다.By electrospinning, a precursor / polymer composite fiber in which the precursor and the polymer are combined can be formed, and the composite fiber can have a web shape.
전기 방사 후, 형성된 전구체와 상기 고분자가 복합화된 전구체/고분자 복합 나노섬유를 열처리한다. 열처리는 복합 섬유 내에 포함된 고분자를 탄화시키거나 제거하는 동시에, 전구체를 산화시켜 금속 산화물을 형성할 수 있게 한다.After electrospinning, the formed precursor and the precursor / polymer composite nanofiber in which the polymer is complexed are heat-treated. The heat treatment allows the polymer contained in the composite fiber to be carbonized or removed, and at the same time, the precursor can be oxidized to form a metal oxide.
열처리는 산화 분위기에서 수행될 수 있다. 열처리는 분당 4 ℃/분의 속도로 승온하고, 300 ℃ - 600 ℃의 온도 구간에서 최소 30분부터 최대 5시간 열처리 시간을 유지한 후에 분당 4 ℃/분의 속도로 냉각되도록 진행한다. The heat treatment can be performed in an oxidizing atmosphere. The heat treatment is performed at a rate of 4 ° C / min. Per minute. After the heat treatment time is maintained for at least 30 minutes at a temperature range of 300 ° C to 600 ° C for a maximum of 5 hours, the heat treatment is performed at a rate of 4 ° C / minute per minute.
상기 나노섬유를 제조한 후 나노섬유를 분쇄하여 금속산화물 나노로드를 형성할 수 있다.After the nanofibers are prepared, the nanofibers may be pulverized to form metal oxide nanorods.
나노섬유를 분쇄하는 방법은 통상의 방법으로, 예를 들면, 볼 밀링공정 을 통해 수행될 수 있다.The method of pulverizing the nanofibers can be carried out in a conventional manner, for example, through a ball milling process.
다음으로, 상기 금속산화물 나노섬유의 분쇄된 형상인 나노로드와 그래핀을 혼합하여, 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 제조한다. 즉, 그래핀을 유기 용매에 분산하고, 상기 금속산화물 나노로드를 혼합하여, 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 제조한다. Next, the nano-rods of the metal oxide nanofibers in a pulverized shape are mixed with graphene to prepare a metal oxide nanorod and a graphene composite. That is, graphene is dispersed in an organic solvent, and the metal oxide nanorods are mixed to prepare a graphene composite with a metal oxide nanorod.
그래핀의 직경(크기)은 1 nm - 300 nm 의 크기를 가질 수 있고, 그래핀이 일부 응집이 되어 100 nm - 500 nm 의 크기를 갖는 그래핀 응집체를 더 포함할 수도 있다. 상기 범위에서 입자 형태의 그래핀이 금속산화물 나노로드에 균일하게 부착됨으로 인하여 다양한 가스에 대한 감지특성의 향상을 가져 올 수도 있다. 바람직하게는 그래핀의 2차원적인 면이 금속산화물 나노로드의 표면에 결착이 되는 것이 좋다. The diameter (size) of the graphene may be in the range of 1 nm to 300 nm, and the graphene may be partially agglomerated to further include a graphene agglomerate having a size of 100 nm to 500 nm. In the above range, the graphene in the form of particles may uniformly adhere to the metal oxide nanorod, which may lead to an improvement in the sensing characteristics for various gases. Preferably, the two-dimensional surface of the graphene binds to the surface of the metal oxide nanorod.
그래핀을 분산하기 위한 유기용매는 대표적으로 에탄올, 디메틸포름아마이드, 이소프로필알콜 등이 있으며, 분산의 정도를 위해서 다른 유기용매를 사용할 수 있으며 특정 유기용매에 제한되지 않는다. The organic solvent for dispersing graphene is typically ethanol, dimethylformamide, isopropyl alcohol or the like, and other organic solvents may be used for the degree of dispersion and are not limited to specific organic solvents.
그래핀의 분산 방법은 초음파 처리를 통한 분산, 계면 활성제를 분산 용매에 함유를 통한 분산 등과 같이 다양한 물리적, 화학적 분산방법이 있으며, 어느 하나의 분산방법에 국한되지 않는다. 본 발명의 일 관점인 물리적 분산 과정인 초음파 처리를 통한 분산의 경우, 1분 - 3시간 사이에서 분산이 이루어질 수 있다. 그래핀 분산이 1분 - 10분일 경우, 그래핀이 모두 분산되지 못하여 그래핀들이 응집되어 크기가 큰 그래핀을 형상할 수 있다. 그래핀 분산이 1시간 - 3시간 일 경우, 충분히 분산된 그래핀 sheet이 쪼개진 형태인 그래핀 입자, 그래핀 퀀텀 닷 (quantum dot), 그래핀 리본, 그래핀 플레이크 등 미세한 크기의 그래핀이 형성될 수 있다.The graphene dispersion method includes various physical and chemical dispersion methods such as dispersion through ultrasonic treatment and dispersion through incorporation of a surfactant in a dispersion solvent, and is not limited to any one dispersion method. In the case of dispersion through ultrasonic treatment, which is a physical dispersing process which is one aspect of the present invention, dispersion can be performed between 1 minute and 3 hours. When the graphene dispersion is from 1 minute to 10 minutes, graphene is not dispersed, and graphenes aggregate to form large graphene. When the graphene dispersion is 1 hour to 3 hours, fine grains such as graphene particles, graphene quantum dot, graphene ribbon and graphene flake, which are sufficiently dispersed graphene sheets are formed .
금속산화물 나노로드와 그래핀 촉매의 혼합시, 금속산화물 나노로드와 그래핀이 적합한 비율로 혼합되어 있을 경우, 그래핀이 촉매로 작용하여 금속산화물 나노로드에 적합한 비율로 결합되어 복합체를 형성할 수 있다. 그 결과, 그래핀 고유의 높은 표면적과 높은 전기전도도 특성 등으로 인하여 질병진단용 날숨센서에 적용 시 다양한 가스에 대한 우수한 감지특성의 향상을 가져올 수 있다. When the metal oxide nanorods and the graphene catalyst are mixed with each other, when the metal oxide nanorods and the graphene are mixed at an appropriate ratio, the graphene acts as a catalyst to form a complex in a suitable ratio to the metal oxide nanorods have. As a result, when the present invention is applied to an exhalation sensor for diagnosing diseases due to its high surface area and high electrical conductivity, it can improve the detection characteristics of various gases.
금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체 중 그래핀은 0.0001 중량% - 10 중량%, 바람직하게는 0.001 중량% - 1 중량%, 더 바람직하게는 0.001 - 0.005 중량%의 범위에서 혼합되어 복합화 된다. 그래핀의 함량이 0.0001 중량% 미만인 경우 그래핀 첨가 효과가 적으며, 그래핀의 함량이 10 중량% 초과인 경우, 금속산화물 나노로드의 특성이 아닌 그래핀의 특성에 의해 전체 센서 특성이 좌우가 될 수 있다.The graphene of the metal oxide nanorod and the graphene composite is mixed in the range of 0.0001 wt% to 10 wt%, preferably 0.001 wt% to 1 wt%, and more preferably 0.001 wt% to 0.005 wt%. When the content of graphene is less than 0.0001% by weight, the effect of graphene addition is small. When the content of graphene is more than 10% by weight, the characteristics of graphene, rather than the properties of metal oxide nanorods, .
금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체에서 그래핀은 금속산화물 나노로드의 상층부 및 하층부 내지는 옆면을 가리지 않고, 원통 형상의 나노로드의 표면에 균일하게 코팅될 수 있으며, 복합체 계면에 전자 공핍층을 형성하거나, 높은 표면적을 가지는 그래핀의 외부 가스 흡착 탈착 작용을 효과적으로 발생시켜 가스 센서로서 높은 감지 특성, 반응속도/회복속도, 선택성, 낮은 센서 구동온도 등의 다양한 특성 향상을 나타낼 수 있다.In the metal oxide nanorod and the graphene composite, graphene can be uniformly coated on the surface of the cylindrical nano-rod without discriminating the upper and lower or side surfaces of the metal oxide nanorod, and an electron depletion layer is formed on the composite interface , It is possible to effectively exhibit the external gas adsorption / desorption action of graphene having a high surface area, thereby exhibiting various characteristics such as high sensing characteristics, reaction rate / recovery speed, selectivity, and low sensor driving temperature as a gas sensor.
그래핀이 결착된 금속산화물 나노로드 복합체에서, 그래핀은 그래핀 간의 응집을 통해 응집체의 형태로 금속산화물 나노로드에 결착이 될 수도 있다. In graphene-bound metal oxide nanorod composites, graphene may bind to the metal oxide nanorods in the form of agglomerates through aggregation of graphene.
본 발명의 또 다른 관점인 센서는 상기 그래핀 촉매가 결착된 금속산화물 나노로드 복합체를 포함할 수 있다. 이때 그래핀 촉매는 2차원의 면의 형태로 결착이 될 수도 있고, 그래핀들이 응집되어진 형태로도 결착이 될 수 있다. 그래핀 촉매-금속산화물 나노로드 복합소재는 저항 변화를 인식할 수 있는 센서 기판 위에 코팅하여 다양한 가스 등의 물질을 검출할 수 있다. 예를 들면, 상기 센서는 질병진단을 위한 날숨 가스(H2S, Acetone, NH3, Toluene, Pentane, Isoprene, NO 등) 을 검출할 수 있는 반도체식 가스 센서를 포함할 수 있다.The sensor, which is another aspect of the present invention, may comprise a metal oxide nanorod composite on which the graphene catalyst is bound. At this time, the graphene catalyst may be bonded in the form of a two-dimensional plane or graphene may be aggregated. The graphene catalyst-metal oxide nanorod composite can be coated on a sensor substrate that can recognize resistance change to detect various gases and other substances. For example, the sensor may include a semiconductor gas sensor capable of detecting exhaled gas (H 2 S, Acetone, NH 3 , Toluene, Pentane, Isoprene, NO, etc.) for disease diagnosis.
상기 가스 센서는 상기 그래핀 촉매와 금속산화물 나노로드 복합체를 센서 기판에 코팅하여 제조 될 수 있다. The gas sensor may be manufactured by coating the sensor substrate with the graphene catalyst and the metal oxide nanorod composite.
상기의 방법으로 제조된 그래핀 촉매가 부착된 금속산화물 나노로드 복합체를 이용하여 가스센서에 적용할 경우, 금속 산화물 나노로드 구조만의 넓은 표면적 및 열린 기공도와 더불어 그래핀 촉매의 넓은 표면적 및 전자 공핍층 형성을 통한 가스에 대한 우수한 반응 특성을 더할 수 있다. 이와 더불어 그래핀의 높은 전기전도도 특성을 통하여 전자의 이동을 활발히 하여 가스에 대하여 빠른 반응속도/회복 속도 및 낮은 센서 구동온도 등을 기대할 수 있다. When applied to a gas sensor using a metal oxide nano-rod composite having a graphene catalyst attached thereto, the large surface area and open pore size of the metal oxide nanorod structure alone as well as the large surface area of the graphene catalyst, It is possible to add excellent reaction characteristics to the gas through the formation of the depletion layer. In addition, the high electrical conductivity of graphene enables electrons to migrate, allowing for fast response / recovery rates for gases and low sensor operating temperatures.
본 발명의 또 다른 관점인 물품은 상기 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 물품은 저항 변화식 가스 센서용 감지 소재, 이차전지용 음극활물질 및 양극활물질, 연료전지용 양극 및 음극소재, 리튬 공기 전지 및 연료전지용 촉매 소재 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.Another aspect of the present invention is an article comprising a metal oxide nanorod and a graphene composite. For example, the article may include, but is not limited to, a sensing material for a resistance-changing gas sensor, a negative electrode active material and a positive electrode active material for a secondary battery, a positive electrode and a negative electrode material for a fuel cell, a lithium air battery, and a catalyst material for a fuel cell.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 일 실시예일 뿐이고, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto.
실시예 1 : 주석 산화물 나노로드에 그래핀 촉매가 결착된 복합체 제조Example 1: Preparation of a composite in which a tin oxide nano rod was bonded to a graphene catalyst
도 1의 개념도에 나타난 바와 같이, 본 발명을 위하여 금속산화물 나노로드는 전기방사를 통해 얻어진 금속산화물 나노섬유를 분쇄하여 제작하였으며, 상기 제조된 금속산화물 나노로드에 그래핀 촉매를 결착하여 금속산화물 나노로드-그래핀 복합체를 구현하였다. 상기의 그래핀 촉매는 넓은 면적을 가지는 그래핀이 조각으로 깨져 그래핀 조각 및 그래핀 퀀텀 닷, 그래핀 리본의 형태로 미세한 형태를 가지고 금속산화물 나노로드에 결착될 수도 있으며, 그래핀 촉매간의 응집을 통하여 수백나노 크기의 응집체를 형성하여 부착될 수도 있다. As shown in the conceptual diagram of FIG. 1, the metal oxide nano-rods of the present invention are produced by grinding metal oxide nanofibers obtained by electrospinning. The produced metal oxide nanorods are bound to a graphene catalyst, Rod-graphene composites. The graphene catalyst may be bonded to the metal oxide nanorods having a fine shape in the form of graphene fragments, graphene quantum dots, graphene ribbons, and the graphene having a large area into pieces. It may be attached to form agglomerates of several hundred nanometers through.
(1) 주석산화물 나노로드 제조(1) Production of tin oxide nano-rods
분자량 1,300,000 g/mol의 폴리비닐피롤리돈 (poly(vinyl pyrrolidone, PVP), Aldrich, 0.2 g과 분자량 350,000 g/mol의 폴리메틸메타크릴레이트 (poly(methyl methacrylate, PMMA), Aldrich, 0.2 g을 N,N-dimethylformamide (DMF) 용액, 2.831 g에 25 ℃에서 녹였다. 상기의 용액에 주석 전구체인 Tin acetate (IV) 0.4 g(Aldrich)과 아세트산 0.11 g(Junsei Chemical)을 넣고 25 ℃에서 48시간 동안 500 RPM으로 교반하여 방사 용액을 제조하였다. 전기방사 직전, 방사 용액을 5 분간 초음파 세척기에서 분산시키고 이를 12 ml 용량의 플라스틱 주사기에 넣는다. 0.2 g of polyvinylpyrrolidone (PVP), Aldrich having a molecular weight of 1,300,000 g / mol and 0.2 g of poly (methyl methacrylate (PMMA), Aldrich) having a molecular weight of 350,000 g / N, N -dimethylformamide (DMF) solution, and dissolved in 25 ℃ to 2.831 g., insert a tin precursor tin acetate (IV) 0.4 g ( Aldrich) and acetic acid 0.11 g (Junsei Chemical) in the solution at 25 ℃ 48 sigan Immediately prior to electrospinning, the spinning solution is dispersed in an ultrasonic cleaner for 5 minutes and placed in a plastic syringe of 12 ml capacity.
고분자 방사용액을 주사기에 담아 실린지 펌프 (KD Scientific, model 781200)에 연결하여, 10 μl/분의 토출속도로 방사용액을 밀어내고, 방사용액을 토출이 되는 주사바늘 (needle)과 나노섬유 웹을 수득하는 집전체 기판 사이를 15 cm를 유지한 채 15 kV의 전압을 인가하여 주석산화물 전구체/고분자 복합섬유 웹을 제조한다. The polymer solution was poured into a syringe and connected to a syringe pump (KD Scientific, model 781200), the spinning solution was pushed out at a discharge rate of 10 μl / min, and the spinning solution was injected into the injection needle A voltage of 15 kV is applied to the tin oxide precursor / polymer composite fiber web while maintaining 15 cm between the current collecting substrates.
충분한 양의 나노섬유가 쌓였을 때, 스테인리스 스틸 (SUS) 기판 위에 쌓인 주석산화물 전구체/고분자 복합 섬유를 공기 분위기 (산화 분위기)에서 열처리하였다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3-550 소형 전기로에서 대기 분위기로 500 ℃까지 가열 후 (승온 속도: 4 ℃/분), 이를 30 분간 유지시키고 이후 다른 외부변화 없이 전기로 내부에서 자연 냉각시켰다. 이때, 높은 열처리 온도로 인하여 나노섬유를 구성하는 내부 고분자는 산화되어 제거되고, 내부에 용해되어 있는 주석 전구체들이 산화가 되어 주석 산화물을 형성하게 된다. 열처리가 완료된 주석산화물 나노섬유는 수거시 분쇄되거나 추가적인 분쇄 과정을 통하여 나노로드 형태를 나타낸다. When a sufficient amount of nanofibers were stacked, the tin oxide precursor / polymer composite fiber stacked on a stainless steel (SUS) substrate was heat-treated in an air atmosphere (oxidizing atmosphere). The heat treatment was carried out in a Ney Vulcan 3-550 electric furnace at 500 ° C (at a heating rate of 4 ° C / min) in an atmospheric environment, maintained for 30 minutes, and then naturally cooled in an electric furnace without any external change. At this time, due to the high heat treatment temperature, the internal polymer constituting the nanofiber is oxidized and removed, and the tin precursors dissolved therein are oxidized to form tin oxide. The heat-treated tin oxide nanofibers are pulverized at the time of collection or exhibit a nanorod shape through an additional milling process.
도 2는 실시예 1에서 전기방사를 통하여 제조된 주석산화물 전구체/고분자 복합섬유의 주사전자 현미경 사진 (SEM)을 나타낸 것이다. 주석산화물 전구체 고분자 복합섬유는 400 nm - 700 nm 의 두께와 부드러운 표면을 가지는 웹 형상을 나타낸다. 2 is a scanning electron microscope (SEM) image of a tin oxide precursor / polymer composite fiber prepared by electrospinning in Example 1. Fig. The tin oxide precursor polymer composite fibers exhibit a web shape with a thickness of 400 nm - 700 nm and a smooth surface.
도 3은 실시예 1에서 얻어진 주석산화물 전구체/고분자 복합섬유를 공기중에서 열처리를 하고 분쇄 과정을 거쳐 얻어진 주석산화물 나노로드의 주사전자 현미경 사진 (SEM)을 나타낸 것이다. 상기 열처리를 거치기 이전의 주석산화물 전구체/고분자 복합섬유와 유사한 1차원의 형상을 나타내고 있다. 복합 섬유를 구성하는 고분자는 열처리 과정 중에 타서 제거가 되고, 전구체는 산화되어 주석산화물을 형성하게 된다. 이때 전구체 염이 결정화가 되면서, 다결정 성을 갖는 미세한 나노입자로 구성된 주석산화물 나노로드가 형성이 된다. FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a tin oxide nano-rod obtained by subjecting the tin oxide precursor / polymer composite fiber obtained in Example 1 to thermal treatment in air and pulverization. Dimensional shape similar to that of the tin oxide precursor / polymer composite fiber before the heat treatment. The polymer composing the composite fiber is removed during the heat treatment process, and the precursor is oxidized to form tin oxide. At this time, as the precursor salt crystallizes, tin oxide nano-rods composed of fine nano-particles having polycrystals are formed.
(2) 그래핀이 결착된 주석산화물 나노로드 복합체 제조(2) Production of graphene-bound tin oxide nanorod composites
상기의 실시예를 통해 제조된 주석산화물 나노로드의 표면에 나노로드의 직경보다 크기가 작은 그래핀 촉매를 부착하여 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체를 제조하였다. A graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite was prepared by attaching a graphene catalyst having a size smaller than the diameter of the nano-rods to the surface of the tin oxide nano-rods manufactured through the above-described Examples.
그래핀 (UniThink Inc.) 분산용액은 30 ml의 DMF에 0.3 mg의 그래핀을 넣어 초음파세척기를 이용하여 분산과정을 거쳤다. 약 3 시간가량 분산처리를 하였다. 상기의 장시간 초음파 분산처리과정을 거치면서 그래핀은 넓은 sheet 형태에서 초미세한 조각 (플레이크) 형태로 분산시킬 수 있었다. 분산처리 후 주석산화물 나노로드의 무게대비 0.005 wt%에 해당하는 그래핀을 혼합하여 그래핀 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체를 제조하였다. 그래핀 함량을 주석산화물에 비하여 극히 적은 비율로 첨가하여 주석산화물에 부착시키므로 인하여 그래핀을 촉매로 작용하도록 하였다. The dispersion solution of UniThink Inc. was dispersed in 30 ml of DMF with 0.3 mg of graphene using an ultrasonic washing machine. Followed by dispersion treatment for about 3 hours. Through the long-time ultrasonic dispersion process, the graphene was dispersed in the form of ultra-fine particles (flakes) in a wide sheet form. After the dispersion treatment, 0.005 wt% of graphene based on the weight of the tin oxide nano-rods was mixed to prepare a tin oxide nano-rod composite having a graphene catalyst. The graphene was added to the tin oxide in a very small proportion in comparison with the tin oxide so that the graphene acts as a catalyst.
도 4는 상기에 기술된 바와 같이 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드의 복합체를 형성하였을 경우의 주사전자 현미경 사진 (SEM)을 나타낸 것이다. 도 4에 나타난 바와 같이 그래핀 촉매가 금속산화물 나노로드에 부착되어 있으며, 그래핀은 촉매로서 미세한 나노 입자 형태로 부착이 되었을 뿐만 아니라, 응집되어 그래핀 응집체를 형성하였다.Figure 4 shows a scanning electron micrograph (SEM) of a composite of graphene catalyst-tin oxide nano-rods as described above. As shown in FIG. 4, the graphene catalyst adhered to the metal oxide nanorod, and the graphene adhered not only as fine nanoparticles as a catalyst but also aggregated to form graphene agglomerates.
도 5는 상기의 그래핀 촉매가 응집체를 형성하였을 때의 주사전자 현미경 (SEM) 사진을 나타낸 것이다. 그래핀 들이 뭉쳐져서 형성된 응집체의 경우 크기가 500 nm 정도까지 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 그래핀이 과도하게 응집이 되는 경우, 그래핀의 사용 량 중에 상당수가 응집 과정에 소모가 되기 때문에, 바람직하지는 않다. 그래핀 응집체의 크기는 500 nm 를 넘지 않는 범위 내에서 존재하는 것이 바람직하다. 그래핀 응집체 또한 가스의 반응성에 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 억지로 제거시키기 위하여, 공정을 복잡하게 하기 보다는 이러한 그래핀 응집체도 일부 포함이 된 그래핀 촉매가 금속산화물 나노로드에 결착된 복합체를 사용하는 것이 바람직하다.FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the above-mentioned graphene catalyst when aggregates were formed. It was confirmed that aggregates formed by aggregation of graphenes existed up to about 500 nm in size. When graphene is excessively aggregated, a large number of graphenes are consumed in the agglomeration process, which is not preferable. The size of graphene agglomerates is preferably within a range not exceeding 500 nm. Since graphene agglomerates can also affect the reactivity of the gas, it is not necessary to complicate the process in order to forcibly remove the graphene agglomerates, and the graphene catalyst partially including these graphene agglomerates is used in the composite oxide bound to the metal oxide nanorod .
실시예 2: 그래핀 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드를 이용한 가스센서 제조Example 2 Preparation of Gas Sensor Using Tin Oxide Nanorods Containing Graphene Catalyst
상기 제작된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체의 입냄새 분석을 이용하는 날숨센서 구현을 위한 가스센서 특성을 규명하기 위하여 하기와 같이 센서 제조 및 특성을 평가하였다. In order to investigate the characteristics of a gas sensor for implementing an aerosol sensor using the above-described analysis of the mouth odor of the graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite, the manufacture and characteristics of the sensor were evaluated as described below.
날숨센서는 상기된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체를 감지물질로 사용하여 두 전극이 평행하게 패터닝 (patterning) 된 알루미나 기판 위에 제조되었다. The exhalation sensor was fabricated on an alumina substrate in which two electrodes were patterned in parallel using the above-described graphene catalyst-tin oxide nano-rod complex as a sensing material.
알루미나 기판의 면적은 460 μm 이다. 알루미나 기판 위의 두 전극은 약 70 μm의 간격을 두고 이격되어 있으며, 패터닝 된 전극의 두께는 약 25 μm 이며, 길이는 약 345 μm를 갖는다. 알루미나 기판의 반대 면에는 히터가 위치하여 기판의 온도를 조절 할 수 있도록 설계되었다. The area of the alumina substrate is 460 μm. The two electrodes on the alumina substrate are spaced about 70 μm apart, and the patterned electrode is about 25 μm thick and about 345 μm long. A heater is placed on the opposite side of the alumina substrate to control the temperature of the substrate.
상기 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체를 센서 감지 물질로 제작하기 위하여, 그래핀 촉매 및 주선산화물 나노로드 각각을 에탄올에 분산시켰으며, 각각의 분산용액의 혼합을 통하여 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체를 구성하였다. 상기 에탄올에 분산된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체를 드랍 코팅 (Drop coating) 방법을 통하여 알루미나 기판에 코팅하였다. In order to fabricate the graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite as a sensor-sensing material, the graphene catalyst and the main oxide nano-rods were dispersed in ethanol, and the graphene catalyst-tin oxide nano- Rod composite. The graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite dispersed in ethanol was coated on an alumina substrate through a drop coating method.
상기에서 제작된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체를 날숨 센서에 응용하기 위하여 황화수소 (H2S), 아세톤, 톨루엔 세 가지 종류의 가스를 흘려주면서 감도특성을 분석하였다. 날숨센서로서 특성을 규명하기 위하여 특성평가는 날숨의 습한 환경과 유사한 상대습도 85%-90%를 유지하며 진행되었다. 센서의 감도는 특정 가스를 흘려줄 때 변하는 저항을 Agilent사의 34972A 모델을 이용하여 감지하며, 각각의 가스에 대한 반응 (Response: Rair/Rgas 저항의 변화, Rair: 공기 중에서의 저항, Rgas: 측정 가스를 흘려줄 때의 저항) 정도를 분석하여 감도를 확인하였다. 가스 농도에 따른 특성평가를 위하여 흘려주는 가스의 농도를 차례로 5 ppm, 4 ppm, 3 ppm, 2 ppm, 1 ppm 으로 변화시켜가면서 저항변화를 기록하였다. 가스센서의 구동온도는 Agilent 사의 DC 전압 생성기인 E3647A 모델을 이용하여 조절하였다.In order to apply the graphene catalyst-tin oxide nanorod composites prepared above to the expiratory sensor, sensitivity characteristics were analyzed by flowing three kinds of gases of hydrogen sulfide (H 2 S), acetone, and toluene. In order to characterize it as an expiratory sensor, the characterization was carried out with a relative humidity of 85% -90%, similar to the humid environment of expiration. Sensitivity of the sensor is measured by Agilent's Model 34972A, which changes when a specific gas flows. Response to each gas (Response: change of R air / R gas resistance, R air : resistance in air, R gas : resistance at the time of flowing the measuring gas) was analyzed to confirm the sensitivity. In order to evaluate the characteristics according to the gas concentration, the resistance change was recorded while varying the concentration of the flowing gas in the order of 5 ppm, 4 ppm, 3 ppm, 2 ppm and 1 ppm. The operating temperature of the gas sensor was adjusted using the E3647A model, a DC voltage generator from Agilent.
비교예 1: 순수한 주석산화물 나노로드를 이용한 센서 제조Comparative Example 1: Sensor fabrication using pure tin oxide nano-rods
그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체의 가스센서 특성에 미치는 영향을 보다 명확하게 관찰하기 위하여 그래핀 촉매가 복합되지 않은 순수한 주석산화물 나노로드를 이용하여 가스센서를 제조하였다. 실시예 1에서 얻어진 순수한 주석산화물 나노로드 네트워크를 이용하여, 실시예 2에서 사용된 동일한 알루미나 센서 기판 상에 코팅하였다. 합리적인 비교를 위하여 코팅 방법으로는 주석산화물 나노로드를 에탄올에 분산시킨 후, 알루미나 기판에 드랍 코팅 (Drop coating) 방법을 이용한 것으로 상기 실시예 2에서 제작된 센서와 동일한 방법으로 제작되었다.In order to observe more clearly the effect on the gas sensor characteristics of the graphene catalyst - tin oxide nanorod composite, a gas sensor was fabricated using pure tin oxide nano - rods without a graphene catalyst. Using the pure tin oxide nano-rod network obtained in Example 1, the same alumina sensor substrate used in Example 2 was coated. For the purpose of a reasonable comparison, tin oxide nano-rods were dispersed in ethanol and then dropped on an alumina substrate by the same method as the sensor manufactured in Example 2, using a drop coating method.
센서 테스트는 실시예 2의 조건과 동일하게 진행하였다. The sensor test was carried out in the same manner as in Example 2.
이상 실시예로 그래핀 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체 제조방법을 설명 하였으며, 그래핀 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드의 가스센서 소재로의 우수성을 입증하기 위하여 순수한 주석산화물 나노로드 네트워크로 구성된 센서와 직접 비교 분석을 하였다.In the above embodiment, a method of manufacturing a tin oxide nano-rod composite having a graphene catalyst bound thereto has been described. In order to demonstrate the superiority of a tin oxide nano-rod to which a graphene catalyst is attached, a pure tin oxide nano- Direct comparison with the sensor was made.
도 6은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체와 순수한 주석산화물 나노로드의 네트워크를 이용한 입안에서 방출되는 휘발성 유기화합물 가스를 검출하는 질병진단용 가스센서 테스트 결과를 보여주고 있다. 이때 반응 가스는 황화수소 (H2S) 였으며, 200 ℃에서 가스 반응 (황화수소 주입에 따른 저항변화) 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 보여지듯이, 같은 조건에서 제조된 순수한 주석산화물 나노로드 센서에 비하여 0.005 wt%의 그래핀을 촉매로 주석산화물 나노로드에 복합화 시킨 센서의 검출 능력이 순수한 주석산화물만을 이용한 센서에 비하여 H2S 가스에 대한 반응이 획기적으로 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이때 5 ppm에서 그래핀 촉매가 결착된 주석산화물 나노로드 복합체의 경우 반응 (Rair/Rgas) 값은 55로 순수한 주석산화물 나노로드 구조에 비하여 약 5.5배 높은 저항 변화를 보여 주었다. 이는 200 ℃의 낮은 온도에서 얻어진 센서 감도 수치로 상당히 고무적인 결과이다. FIG. 6 is a graph showing the relationship between a gas sensor gas sensor for detecting a volatile organic compound gas emitted from the mouth using a network of tin oxide nano-rod complexes and pure tin oxide nano rods bonded with a graphene catalyst prepared according to Example 2 and Comparative Example 1 The test results are shown. At this time, the reaction gas was hydrogen sulfide (H 2 S) and a graph showing the gas reaction (resistance change due to hydrogen sulfide injection) at 200 ° C. Also as it is shown in 6, compared with the sensor of the 0.005 wt% yes the detectability of that sensor complexed to the tin oxide nanorods the pin into the catalyst using only the pure tin oxide as compared to the pure tin oxide nanorods sensor produced under the same conditions H 2 It was confirmed that the reaction to the S gas was remarkably improved. In this case, the reaction (R air / R gas ) value of the tin oxide nano-rod complex with the graphene catalyst attached at 5 ppm showed a resistance change of about 5.5 times higher than that of the pure tin oxide nano-rod structure. This is a very encouraging result with the sensor sensitivity value obtained at a low temperature of 200 ° C.
도 7은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 순수한 주석산화물 나노로드를 이용한 질병진단 센서의 황화수소 (H2S) 가스에 대한 350 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 7에 나타난 바와 같이 같은 샘플을 350 ℃로 승온하여 같은 조건에서 H2S에 대한 감도 테스트를 수행한 결과 그래핀 촉매가 부착된 주석산화물의 감도는 급격하게 저하되는 결과를 나타냈다. 하지만, 그래핀 촉매가 부착되지 않은 순수한 주석산화물의 감도 특성은 오히려 향상되어 5 ppm의 가스농도에서 약 17의 감도 (Rair/Rgas)를 나타내었다. 따라서 도 6과 도 7의 결과를 통하여 그래핀 촉매를 주석산화물에 부착하여 복합체를 구성하였을 경우, 감도 특성을 향상시켰을 뿐만 아니라 센서의 구동온도 또한 현저하게 감소시켰다는 장점을 나타내었다. 이러한 구동온도의 감소는 소비전력을 최소화할 수 있다는 이점을 갖는다. 또한 온도에 따라서 가스 반응성이 달라지기 때문에, 온도에 따른 선택성을 부여할 수 있다는 면에서 그래핀의 첨가가 장점을 갖는다.7 is a graph showing the relationship between the hydrogen sulfide (H 2 S) gas of the disease diagnosis sensor using the pure tin oxide nano-rods without the graphene catalyst-attached tin oxide nano-rod complex and the graphene catalyst- The graph shows the reaction results at 350 ° C. As shown in FIG. 7, when the same sample was heated to 350 ° C and subjected to a sensitivity test for H 2 S under the same conditions, the sensitivity of the graphene catalyst-attached tin oxide was drastically decreased. However, the sensitivity characteristic of the pure tin oxide not adhering to the graphene catalyst was rather improved, showing a sensitivity of about 17 (R air / R gas ) at a gas concentration of 5 ppm. 6 and 7, when the composite was formed by attaching the graphene catalyst to the tin oxide, not only the sensitivity characteristic was improved but the driving temperature of the sensor was also remarkably reduced. This reduction in the driving temperature has an advantage that power consumption can be minimized. In addition, since the gas reactivity varies depending on the temperature, graphene addition is advantageous in that it can impart selectivity to the temperature.
도 8은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 순수한 주석산화물 나노로드를 이용한 질병진단 센서의 아세톤 가스에 대한 200 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 8에 나타난 바와 같이 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드 센서는 각각의 샘플에 대하여 200 ℃에서 감도가 1에 가까운 수준으로 아세톤 가스에 반응하지 않는 다는 것을 확인할 수 있다. 상기 결과로부터 도 6에 나타난 200 ℃ H2S 가스 테스트 결과와 비교할 때, 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드는 아세톤 가스에 대하여 매우 우수한 선택성을 가지고, 우선적으로 H2S 가스를 감지하는 것을 확인하였다.FIG. 8 is a graph showing the relationship between the acetone gas of the disease diagnosis sensor using a pure tin oxide nano-rod having no graphene catalyst attached thereto and the graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite prepared according to Example 2 and Comparative Example 1 at 200 ° C This is a graph showing the results. As shown in FIG. 8, the tin oxide nano-rod composite without graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite and the graphene catalyst-free tin oxide nano-rod sensor showed sensitivity at a level close to 1 at 200 ° C for each sample . From the above results, it can be seen that the graphene catalyst-tin oxide nano-rods have an excellent selectivity for acetone gas and preferentially detect H 2 S gas when compared with the 200 ° C. H 2 S gas test result shown in FIG. 6 .
도 9는 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드를 이용한 질병진단 센서의 아세톤 가스에 대한 350 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 9에 나타난 바와 같이 온도를 350 ℃로 승온하여 아세톤 가스에 대하여 반응성을 확인한 결과, 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드의 반응성이 모두 향상된 특성을 보였다. 특히, 그래핀 촉매를 부착한 주석산화물 나노로드의 반응성이 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드에 비하여 더욱 감도가 향상된 특성을 나타냈다.9 is a graph showing the results of reaction of acetone gas at 350 DEG C of a disease diagnosis sensor using a tin oxide nano rod with no graphene catalyst-attached graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite prepared according to Example 2 and Comparative Example 1 FIG. As shown in FIG. 9, the temperature was raised to 350 ° C and the reactivity against acetone gas was confirmed. As a result, the reactivity of the graphene catalyst-tin oxide nano-rod complex and the tin oxide nano-rod without the graphene catalyst was improved It looked. Particularly, the reactivity of the tin oxide nano-rods with graphene catalysts was more improved than that of tin oxide nano-rods without graphene catalysts.
도 10은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드를 이용한 질병진단 센서의 톨루엔 가스에 대한 200 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 10에 나타난 바와 같이 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드 모두 200 ℃에서 감도가 1에 가까운 수준으로 톨루엔 가스에 반응하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 상기 결과로부터 도 6에 나타난 200 ℃ H2S 가스테스트 결과와 비교할 때, 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드는 톨루엔 가스에 대하여 선택적으로 H2S 가스를 감지하는 것을 확인하였다.10 is a graph showing the results of reaction of toluene gas at 200 ° C of a disease diagnosis sensor using a tin oxide nano rod without a graphene catalyst attached thereto and a graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite prepared according to Example 2 and Comparative Example 1 FIG. As shown in FIG. 10, it can be seen that both the graphene catalyst-tin oxide nano-rod complex and the tin oxide nano-rod without the graphene catalyst did not react with the toluene gas at a sensitivity close to 1 at 200 ° C. From the above results, it was confirmed that the graphene catalyst-tin oxide nanorod selectively senses H 2 S gas with respect to toluene gas as compared with the 200 ° C. H 2 S gas test result shown in FIG.
도 11은 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드를 이용한 질병진단 센서의 톨루엔 가스에 대한 300 ℃에서 반응 결과를 보여주는 그래프이다. 도 11에 나타난 바와 같이 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체와 그래핀 촉매를 부착하지 않은 주석산화물 나노로드 모두 300 ℃에서 감도가 1에 가까운 수준으로 톨루엔 가스에 반응하지 않는 다는 것을 확인할 수 있다. 상기 결과로부터 도 9에 나타난 350℃에서 아세톤 가스에 대한 테스트 결과와 비교할 때, 그래핀 촉매-주석산화물 나노로드 복합체는 톨루엔 가스에 대하여 선택적으로 아세톤 가스를 감지하는 것을 확인하였다.11 is a graph showing the results of the reaction of toluene gas at 300 DEG C of the disease diagnosis sensor using the tin oxide nano-rods without graphene catalyst attached thereto and the graphene catalyst-tin oxide nano-rod composite prepared according to Example 2 and Comparative Example 1 FIG. As shown in FIG. 11, it can be seen that both the graphene catalyst-tin oxide nano-rod complex and the tin oxide nano-rod without the graphene catalyst do not react with the toluene gas at a sensitivity close to 1 at 300 ° C. From the above results, it was confirmed that the graphene catalyst-tin oxide nanorod composite selectively senses acetone gas against toluene gas as compared with the test result for acetone gas at 350 ° C. shown in FIG.
상기의 실시예에서는 주석산화물 (SnO2)을 한 예로 들었지만, 전기방사를 통하여 제작할 수 있는 금속산화물 반도체이면 어떤 것이든 가능하며, ZnO, SnO2, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Ag2V4O11, Ag2O, MnO2, InTaO4, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 , Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 중에서 선택된 적어도 어느 하나 혹은 그 이상의 복합체일 수 있다. 상기의 어느 금속산화물과도 그래핀 촉매와 혼합을 통한 복합체를 형성할 수 있다. 그래핀 촉매-금속산화물 복합체는 상기 실시예의 구체적인 결과에서 나타난 H2S 가스에 대하여만 적용되는 것이 아니라, 질병진단을 위한 날숨 가스 (H2S, Acetone, NH3, Toluene, Pentane, Isoprene, NO 등) 뿐만 아니라 환경 진단을 위한 유해 가스 (CO, NOx, SOx 등) 다양한 가스에 대하여 응용할 수 있다. 상기의 실시예에서 나타난 구체적인 가스센서 결과로부터 단순히 반응 값의 향상뿐만 아니라 반응속도/회복속도 및 낮은 센서 구동 온도 등 다양한 특성의 향상을 가져올 수 있다.
In the above embodiment, tin oxide (SnO 2 ) is used as an example. However, any metal oxide semiconductor that can be produced through electrospinning can be used, and ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 SnO 4 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , V 2 O 5 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, MnO 2, InTaO 4 ,
Claims (18)
상기 금속산화물 나노로드의 표면에 결착된 그래핀 또는 그의 응집체 중 하나 이상을 포함하는 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체.Metal oxide nanorods; And
Metal oxide nanorods and graphene composite comprising one or more of graphene or aggregates thereof bonded to the surface of the metal oxide nanorods.
상기 그래핀의 최대 직경에 대한 상기 금속산화물 나노로드의 길이의 비는 3 - 30000인 금속산화물 나노로드와 그래핀 복합체의 제조 방법.And mixing the metal oxide nanorod and the graphene dispersion solution to prepare a graphene complex with the metal oxide nanorod having the graphene or graphene aggregate bound thereto,
Wherein the ratio of the length of the metal oxide nanorod to the maximum diameter of the graphene is 3 to 30,000.
18. The method of claim 17, wherein the sensor is a sensor for detecting H 2 S, acetone, NH 3, toluene, pentane, isoprene, CO, NOx, SOx, H 2 and one or more of the NO.
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