KR20160000664A - Control of Catalytic Activity of Hybrid Nanocatalysts Using Surface Plasmons - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hybrid nanostructure catalytic system using a surface plasmon and, particularly, to a metal-insulation layer-metal nanostructure catalytic system. In addition, the present invention relates to a method for controlling catalytic activities of the nanostructure by using the surface plasmon and, more specifically, to catalytic activities for producing hot carriers (hot positive holes or hot electrons) from surface plasmon phenomena of a metal (2), and being controlled by passing the hot carriers through an insulation body and influencing catalytic activities of a metal (1), when exposing light to the metal (1)-insulation layer-metal (2) nanostructure.

Description

표면 플라즈몬을 이용한 하이브리드 나노구조체의 촉매 활성도 제어 {Control of Catalytic Activity of Hybrid Nanocatalysts Using Surface Plasmons}[0001] The present invention relates to a hybrid nanostructure,

본 발명은 표면 플라즈몬을 이용한 하이브리드 나노구조체 촉매 시스템, 특히 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템에 관한 것이고, 또한 표면 플라즈몬을 이용하여 상기 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 금속(1)-절연층-금속(2) 나노구조체에 빛을 쬐어주었을 때, 금속(2)의 표면 플라즈몬 현상으로부터 핫 캐리어 (핫 정공 또는 핫전자) 가 생성되고, 이 핫 캐리어들이 절연체를 지나 금속(1) 의 촉매 활성도에 영향을 주는 것에 의해 제어되는 촉매 활성도에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid nanostructure catalyst system using a surface plasmon, particularly a metal-insulator-metal nanostructure catalyst system, and also relates to a method for controlling the catalytic activity of the nanostructure using surface plasmon (Hot or hot electrons) are generated from the surface plasmon phenomenon of the metal 2 when light is applied to the metal (1) -insulating layer-metal (2) nanostructure, and these hot carriers To the catalytic activity controlled by affecting the catalytic activity of the metal (1) past the insulator.

표면 플라즈몬 (surface plasmons, SP) 은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동 (collective charge density oscillation) 으로서 표면 플라즈몬폴라리톤 (surface plasmonpolaritons, SPPs) 또는 플라즈몬 표면 폴라리톤 (plasmon surface polaritons, PSPs) 이라고도 불린다. 표면 플라즈몬은 광파 (light waves) 와 상호작용하여 여기 (excitation) 되어 입사하는 빛보다 증강된 크기를 갖고 계면에서 수직 방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소멸파의 성질과 형태를 가지게 되는 플라즈몬 공명 현상을 발생시킨다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 약 10 - 200 nm 두께의 매끄러운 평판 형태의 귀금속과 유전체 계면에서 관찰되는 전파형플라즈몬 (propagating plasmons) 과 10 - 200 nm 크기의 귀금속 나노입자 등에서 관찰되는 국부적 표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 의 두가지로 분류된다. 이러한 표면 플라즈몬 현상과 관련된 연구는 최근 나노과학 기술의 진보와 함께 매우 활발하게 진행되어 광범위하게 응용되고 있다.Surface plasmons (SP) are collective charge density oscillations of electrons occurring on the surface of metal thin films, also called surface plasmon polarizations (SPPs) or plasmon surface polaritons (PSPs). Surface plasmons interact with light waves to excite and enhance the size of the incident light. As the surface plasmon moves away from the interface in the vertical direction, the plasmon resonance Thereby causing a phenomenon. The surface plasmon resonance phenomenon is localized surface localization observed in noble metals of about 10 - 200 nm thickness, noble metal in the form of smooth plate, propagating plasmons observed at the dielectric interface, and noble metal nanoparticles of 10 - 200 nm size. and plasmon resonance (LSPR). Research related to this surface plasmon phenomenon has been actively and widely applied recently with progress of nanoscience technology.

한편, 이산화티타늄과 같은 반도체 물질은 에너지 띠 구조를 갖는데, 반도체의 에너지 띠 중 전자들에 의해 점유된 가장 높은 에너지 띠를 가전자대 (valence band), 전자들에 의해 점유되지 않은 가장 낮은 에너지 띠를 전도대 (conduction band) 라 하며, 이들의 에너지 차이를 밴드갭 에너지 (band gap energy) 라 하고, 상기 밴드갭 에너지는 재료마다 고유한 값을 갖는다. 이와 같은 반도체 재료에 고유한 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 빛을 조사하면, 가전자대에서 전자가 여기되어 전도대로 전이됨과 동시에 가전자대에는 정공 (hole) 이 형성되고, 이들 전자-정공 쌍에 의해 유발된 강력한 산화·환원 반응에 의해 주위의 유해한 물질이 분해되게 된다. 반도체 물질에 존재하는 밴드갭 에너지는 가전자대와 전도대에 유도된 전자와 정공의 빠른 재결합을 막음으로써 광화학 산화·환원 반응의 지속시간을 연장시킨다. 그러나 이산화티타늄과 같이 밴드갭이 큰 반도체 재료 (3.2 eV) 는 400 nm 미만의 범위에 해당하는 짧은 파장의 빛만을 흡수하는 성질이 있으므로, 태양에너지의 대부분을 차지하는 가시광선을 흡수하지 못한다는 단점이 있다.Semiconductor materials such as titanium dioxide have an energy band structure in which the highest energy band occupied by electrons in the semiconductor energy band is called the valence band and the lowest energy band that is not occupied by the electrons The energy gap is called a band gap energy, and the band gap energy has a value unique to each material. When such a semiconductor material is irradiated with light having energy larger than the band gap energy inherent to the semiconductor material, electrons are excited in the valence band to be transferred to the conduction band, and holes are formed in the valence band, The harmful substances in the surrounding are decomposed by the strong oxidation-reduction reaction. The bandgap energy present in the semiconductor material prevents the rapid recombination of electrons and holes induced in the valence band and conduction band, thereby extending the duration of the photochemical oxidation and reduction reaction. However, the semiconductor material (3.2 eV), such as titanium dioxide, which has a large bandgap absorbs light of a short wavelength corresponding to a wavelength of less than 400 nm, and thus has a disadvantage that it can not absorb visible light, have.

상기와 같은 단점을 보완하기 위해, 최근에는 이산화티타늄에 이종 성분의 재료를 혼성화시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 가장 잘 알려진 방법으로 귀금속이 도입된 이종접합 구조의 금속/산화티탄 (Metal/TiO2) 하이브리드 나노소재화 기법을 들 수 있다. 이러한 금속/산화티탄과 같은 금속/반도체 이종 성분으로 구성된 복합소재는 금속 성분이 갖는 표면 플라즈몬 효과 등에 기인한 뛰어난 물리적 특성으로 인해 단성분 산화티탄이 갖지 못하는 향상된 성질을 발현하는 것으로 알려져 있으며, 다색성 발광소재, 광촉매, 센서 등에 광범위하게 이용될 수 있다.In order to overcome such disadvantages, in recent years, studies for hybridizing a material of heterogeneous components to titanium dioxide have been actively conducted. The metal / TiO 2 hybrid nano-materialization technique of a heterogeneous structure in which a noble metal is introduced is one of the best known methods. Composite materials composed of different metal / semiconductor components such as metal / titanium oxide are known to exhibit improved properties due to their superior physical properties due to the surface plasmon effect of metal components and the like, which do not have single component titanium oxide. Materials, photocatalysts, sensors, and the like.

상기와 같이, 최근에는 단성분 이산화티타늄에 귀금속 나노입자를 도입하여 이들 성분이 갖는 표면플라즈몬 성질의 유도효과에 기인하여 더욱 향상된 광촉매 활성을 갖도록 함으로써 (대한민국특허출원공개공보 제10-2010-0022323호, 대한민국특허출원공개공보 제10-2014-0036089호, 대한민국특허출원공개공보 제10-2011-0097253호 등), 흡광도를 가시광 범위까지 확대시키려는 시도가 빈번하나, 여전히 가시광 범위로 확대된 이산화티타늄 촉매를 제조하는 것에 어려움이 있다. 특히, 표면 플라즈몬의 특성을 보이는 단일 금속으로 구성된 금속 촉매 구조체는 빛의 흡수하에 금속 표면플라즈몬 현상에 의해 생성된 핫 캐리어들 (핫 정공 또는 핫전자) 이 생성될지라도, 짧은 시간 내에 소멸되기 때문에 촉매 반응에서 유용하게 사용할 수 없는 단점을 갖는다. As described above, by introducing the noble metal nanoparticles into the mono-component titanium dioxide in recent years, and by having the photocatalytic activity further improved owing to the induction effect of the surface plasmon properties of these components (Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0022323 , Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2014-0036089, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2011-0097253, etc.), attempts have been made to expand the absorbance to the visible light range, but titanium dioxide catalyst Which is difficult to manufacture. In particular, a metal catalyst structure composed of a single metal exhibiting the characteristics of surface plasmons disappears within a short time even though hot carriers (hot holes or hot electrons) generated by the metal surface plasmon phenomenon are generated under the absorption of light, It can not be used effectively in the reaction.

반면에, 본 발명자들은, 본 발명과 같은 금속-절연층-금속 나노구조체에서 생성된 핫 캐리어들 (핫 정공 또는 핫전자) 이 금속과 금속 사이에 존재하는 절연층으로 인해 장시간 동안 살아남을 수 있고, 이것이 촉매 반응에 개입할 수 있게 됨을 알아내었다. 즉, 본 발명자들은 금속과 금속 사이에 절연층을 도입함으로써 기존 촉매에서 핫 캐리어들이 짧은 시간 내에 소멸되는 문제점을 극복함으로써 촉매 반응의 효율성을 극대화할 수 있었다. On the other hand, the present inventors have found that hot carriers (hot holes or hot electrons) generated in the metal-insulator-metal nanostructure such as the present invention can survive for a long time due to the insulating layer existing between the metal and the metal , Which has been found to be able to intervene in the catalytic reaction. That is, by introducing an insulating layer between the metal and the metal, the present inventors have been able to maximize the efficiency of the catalytic reaction by overcoming the problem that the hot carriers in the existing catalyst disappear within a short time.

즉, 본 발명자들은 상기와 같은 단점을 보완하고 태양 에너지 전환을 극대화하고자, 가시광 범위로 확대된 표면 플라즈몬을 이용한 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템을 개발하고, 또한 표면 플라즈몬을 이용하여 금속-절연층-금속 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 방법을 개발하였다.That is, the present inventors have developed a metal-insulator-metal nanostructure catalyst system using a surface plasmon magnified to a visible light range in order to compensate for the disadvantages and maximize solar energy conversion, A method for controlling the catalytic activity of the insulating layer-metal nanostructures has been developed.

본 발명의 목적은 표면 플라즈몬을 이용한 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템을 제공하는 것이고, 또한 표면 플라즈몬을 이용하여 상기 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 방법을 제공하는 것이며, 이로써 태양 에너지의 화학 에너지로의 전환을 극대화하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a metal-insulator-metal nanostructure catalyst system using surface plasmons and to provide a method of controlling the catalytic activity of the nanostructure using surface plasmons, To maximize the conversion to energy.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 표면 플라즈몬을 이용한 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a metal-insulator-metal nanostructure catalyst system using surface plasmon.

또한, 본 발명은, 표면 플라즈몬을 이용하여 금속-절연층-금속 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of controlling the catalytic activity of a metal-insulator-metal nanostructure using a surface plasmon.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속-절연층-금속 나노구조체는 기판 상에 금속-절연층-금속이 차례로 증착된 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal-insulator-metal nanostructure may be a metal-insulator-metal layer deposited on a substrate.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템은 금속(1)-절연층-금속(2) 나노구조체 촉매 시스템이고, 상기 금속(2) 는 플라즈몬 생성 나노구조체이고, 상기 절연층은 산화물 절연체 박막이고, 상기 금속(1) 은 촉매물질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal-insulator-metal nanostructure catalyst system is a metal (1) -insulating-metal (2) nanostructure catalyst system, the metal (2) is a plasmon- , The insulating layer is an oxide insulating thin film, and the metal (1) may be a catalytic material.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 플라즈몬 생성 나노구조체는 금 (Au), 은 (Ag) 또는 알루미늄 (Al) 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the plasmon generating nanostructure may be gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 산화물 절연체 박막은 CeO2, Nb2O5, TaO5, SiO2, Al2O3, Co3O4, MnO2, Fe2O3 또는 TiO2 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxide insulator thin film is CeO 2, Nb 2 O 5, TaO 5, SiO 2, Al 2 O 3, Co 3 O 4, MnO 2, Fe 2 O 3 or TiO 2 days have.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매물질은 금 (Au), 은 (Ag), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 팔라듐 (Pd), 알루미늄 (Al), 철 (Fe) 또는 이리듐 (Ir) 일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the catalytic material is selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Co, Ni, Pd, Al, Fe) or iridium (Ir).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 플라즈몬 생성 나노구조체는 금속 나노섬, 금속 나노선 또는 금속 나노패턴된 구조체일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the plasmon generating nanostructure may be a metal nano-island, a metal nanowire, or a metal nanopatterned structure.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 산화물 절연체 박막은 Al2O3 또는 TiO2 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxide insulating thin film may be Al 2 O 3 or TiO 2 .

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 촉매물질은 백금 (Pt) 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the catalyst material may be platinum (Pt).

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템은 CO 산화반응에 사용되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal-insulator-metal nanostructure catalyst system may be one used for CO oxidation.

본 발명은 표면 플라즈몬을 이용한 하이브리드 나노구조체 촉매 시스템, 특히 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템에 관한 것이고, 또한 표면 플라즈몬을 이용하여 상기 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 금속(1)-절연층-금속(2) 나노구조체에 빛을 쬐어주었을 때, 금속(2) 의 표면 플라즈몬 현상으로부터 핫 캐리어 (핫 정공 또는 핫전자) 가 생성되고, 이 핫 캐리어들이 절연체를 지나 금속(1) 의 촉매 활성도에 영향을 주게 된다. 이러한 플라즈몬 현상을 이용한 나노촉매 활성도의 제어의 큰 이점은 태양 에너지 전환의 극대화이다. 즉, 금속의 플라즈몬 현상은 주로 태양에너지의 가시광선 영역에서 발생되기 때문에, 본 발명은 이 영역에 해당하는 에너지를 유용한 화학 에너지로 전환할 수 있는 효과를 나타낸다.The present invention relates to a hybrid nanostructure catalyst system using a surface plasmon, particularly to a metal-insulator-metal nanostructure catalyst system, and also to a method for controlling the catalytic activity of the nanostructure using surface plasmon, (Hot hole or hot electron) is generated from the surface plasmon phenomenon of the metal (2) when light is applied to the nanostructure, and the hot carriers pass through the insulator 1). ≪ / RTI > The great advantage of controlling nanocatalyst activity using these plasmon phenomena is the maximization of solar energy conversion. That is, since the plasmon phenomenon of metal occurs mainly in the visible light region of solar energy, the present invention has an effect of converting the energy corresponding to this region into useful chemical energy.

표면 플라즈몬의 특성을 보이는 단일 금속으로 구성된 금속 촉매 구조체는 빛의 흡수하에 금속 표면플라즈몬 현상에 의해 생성된 핫 캐리어들 (핫 정공 또는 핫전자) 이 생성될지라도, 짧은 시간 내에 소멸되기 때문에 촉매 반응에서 유용하게 사용할 수 없는 단점을 갖는다. 반면에, 금속-절연층-금속 나노구조체에서 생성된 핫 캐리어들 (핫 정공 또는 핫전자) 은 금속과 금속 사이에 존재하는 절연층으로 인해 장시간 동안 살아남을 수 있고, 이것이 촉매 반응에 개입할 수 있게 된다. 즉, 본 발명자들은 금속과 금속 사이에 절연층을 도입함으로써 기존 촉매에서 핫 캐리어들이 짧은 시간 내에 소멸되는 문제점을 극복함으로써 촉매 반응의 효율성을 극대화할 수 있었다.Since the metal catalyst structure composed of a single metal showing the characteristics of surface plasmons disappears within a short time even though hot carriers (hot holes or hot electrons) generated by the metal surface plasmon phenomenon are generated under the absorption of light, It can not be used effectively. On the other hand, the hot carriers (hot holes or hot electrons) generated in the metal-insulator-metal nanostructure can survive for a long time due to the insulating layer present between the metal and the metal, . That is, by introducing an insulating layer between the metal and the metal, the present inventors have been able to maximize the efficiency of the catalytic reaction by overcoming the problem that the hot carriers in the existing catalyst disappear within a short time.

도 1은, (a) 표면 플라즈몬을 이용하여 나노촉매의 활성도를 제어하는 새로운 개념의 하이브리드 나노촉매의 기본 구조; 및 (b) 및 (c) 그 예들을 나타내며, 상기 나노촉매는 플라즈몬 생성을 위한 금속 나노구조체, 산화물 절연체 박막, 및 촉매물질 (박막 혹은 나노물질) 을 기본 구성으로 함을 나타낸다.
도 2는, 백금 나노입자(촉매)-Al2O3 또는 TiO2(절연층)-Al, Ag 또는 Au(표면 플라즈몬 매개체) 로 이루어진 Metal-Insulator-Metal (MIM) 나노구조체에서, 표면 플라즈몬에 의해서 생성된 핫전자가 백금 나노입자에 도달하여 촉매 활성도에 영향을 주는 과정에 대한 개념도를 나타낸다.
도 3은, (a) 백금 나노입자(촉매)-Al2O3 또는 TiO2(절연층)-Al, Ag 또는 Au(표면 플라즈몬 매개체) 로 이루어진 Metal-Insulator-Metal (MIM) 나노구조체의 제조과정; 및 (b) Pt/2 nm TiO2/Au 나노구조체에 대한 EDS mapping 결과를 나타낸다.
도 4는, 다양한 MIM 나노구조체에서 표면 플라즈몬에 의해 생성된 핫전자가 표면 화학 반응에 주는 역할을 규명하기 위해서 진행한 CO 산화반응 결과를 나타낸다: (a) 절연층으로 TiO2 가 사용됨, (b) 절연층으로 Al2O3 가 사용됨.
FIG. 1 illustrates a basic concept of a novel hybrid nano catalyst for controlling the activity of a nanocatalyst using (a) a surface plasmon; FIG. (B) and (c) illustrate the examples, wherein the nanocatalyst is composed of a metal nanostructure, an oxide insulating thin film, and a catalyst material (thin film or nanomaterial) for plasmon generation.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the surface plasmon and the surface plasmon in a metal-insulator-metal (MIM) nanostructure made of platinum nanoparticle (catalyst) -Al 2 O 3 or TiO 2 (insulating layer) -Al, Ag or Au (surface plasmon mediator) And the catalytic activity is affected by the hot electrons generated by the platinum nanoparticles reaching the platinum nanoparticles.
FIG. 3 shows the fabrication of metal-insulator-metal (MIM) nanostructures comprising (a) platinum nanoparticles (catalyst) -Al 2 O 3 or TiO 2 (insulating layer) -Al, Ag or Au (surface plasmon mediator) process; And (b) EDS mapping results for Pt / 2 nm TiO 2 / Au nanostructures.
FIG. 4 shows the results of CO oxidation performed to identify the role of hot electrons generated by surface plasmons on surface chemistry in various MIM nanostructures: (a) TiO 2 as an insulating layer, (b) ) is Al 2 O 3 is used as an insulating layer.

본 발명은 금속-절연체-금속 나노구조체에서 금속 표면 플라즈몬 현상에 의해 제어되는 촉매 활성도에 관한 것으로서, 여기서 금속(1)-절연층-금속(2) 나노구조체에 빛을 쬐어주었을 때, 금속(2) 의 표면 플라즈몬 현상으로부터 핫 캐리어 (핫 정공 또는 핫전자) 가 생성되고, 이 핫 캐리어들이 절연체를 지나 금속(1) 의 촉매 활성도에 영향을 주게 된다. 이러한 플라즈몬 현상을 이용한 나노촉매 활성도의 제어의 큰 이점은 태양 에너지 전환의 극대화이다. 즉, 금속의 플라즈몬 현상은 주로 태양에너지의 가시광선 영역에서 발생되기 때문에, 본 발명은 이 영역에 해당하는 에너지를 유용한 화학 에너지로 전환할 수 있는 효과를 나타낸다.
The present invention relates to catalytic activity controlled by metal surface plasmon phenomena in a metal-insulator-metal nanostructure, wherein the metal (1), the insulating layer and the metal (2) (Hot holes or hot electrons) are generated from the surface plasmon phenomenon of the metal 1, and these hot carriers influence the catalytic activity of the metal 1 through the insulator. The great advantage of controlling nanocatalyst activity using these plasmon phenomena is the maximization of solar energy conversion. That is, since the plasmon phenomenon of metal occurs mainly in the visible light region of solar energy, the present invention has an effect of converting the energy corresponding to this region into useful chemical energy.

본 발명에 사용되는 표면 플라즈몬 현상은 다음의 메커니즘으로 설명된다. 즉, 도체인 금속의 내부에는 자유 전자들이 존재하는데, 상기 자유 전자들은 금속원자에 속박된 상태가 아니므로, 외부의 특정 자극에 반응하기 쉽다. 특히, 금속이 나노 사이즈인 경우, 자유 전자의 거동에 의해 표면 플라즈몬 특성이 나타나며, 독특한 광학적 성질을 가진다. 이러한 표면 플라즈몬에 의한 공명 현상은, 도체인 금속 나노 입자 표면과 유전체 사이에 광이 입사되는 경우, 광이 가지는 특정 에너지의 전자기장의 공명으로 인해 금속 표면의 자유전자들이 집단적으로 진동하는 현상이다. 따라서, 표면 플라즈몬이 발생되는 금속 나노 입자는 금속의 종류, 모양 및 크기에 따라 다양한 파장대의 빛과 강하게 공명하고, 빛의 흡수 또는 산란을 증폭시킨다. 또한, 입사되는 빛의 흡수 및 산란의 증폭을 위해, 내부적으로 강력한 전하의 전달 및 에너지 전달 현상이 발생된다.
The surface plasmon phenomenon used in the present invention is explained by the following mechanism. That is, there are free electrons in the metal, which is a conductor, and the free electrons are not bound to metal atoms, so they are likely to respond to specific external stimuli. Particularly, when the metal is nano-sized, surface plasmon properties are exhibited by the behavior of free electrons and have unique optical properties. The resonance phenomenon by the surface plasmon is a phenomenon that free electrons on the metal surface are collectively vibrated due to the resonance of the electromagnetic field of the specific energy possessed by light when light is incident between the surface of the metal nano particle as a conductor and the dielectric. Therefore, the metal nanoparticles in which surface plasmons are generated strongly resonate with light of various wavelengths depending on the kind, shape and size of the metal, and amplify light absorption or scattering. Further, in order to absorb the incident light and to amplify the scattering, a strong charge transfer and an energy transfer phenomenon occur internally.

도 1은 상기와 같은 표면 플라즈몬을 이용하여 나노촉매의 활성도를 제어하는 새로운 개념의 하이브리드 촉매 (또는 하이브리드 나노촉매) 의 구조를 나타낸다. FIG. 1 shows the structure of a novel hybrid catalyst (or hybrid nano catalyst) for controlling the activity of a nanocatalyst using the above-described surface plasmon.

본 발명의 하이브리드 촉매는 플라즈몬 생성 나노구조체, 산화물 절연체 박막, 및 촉매물질로 이루어진다. The hybrid catalyst of the present invention comprises a plasmon generating nanostructure, an oxide insulator thin film, and a catalyst material.

일 구현예에 따르면, 본 발명의 하이브리드 촉매는 기판을 추가로 더 포함하여, 기판, 플라즈몬 생성 나노구조체, 산화물 절연체 박막, 및 촉매물질로 이루어지며, 기판 상에 플라즈몬 생성 나노구조체, 산화물 절연체 박막, 및 촉매물질이 차례로 증착된 형태를 가질 수 있다.According to one embodiment, the hybrid catalyst of the present invention further comprises a substrate, which is composed of a substrate, a plasmon generating nanostructure, an oxide insulating thin film, and a catalytic material, and the plasmon generating nanostructure, the oxide insulating thin film, And catalytic material may be deposited in sequence.

본 발명의 하이브리드 촉매에 빛이 흡수되면 이러한 플라즈몬 생성 나노구조체에서 플라즈몬 현상에 의해서 핫 캐리어 (핫 정공 또는 핫전자) 가 생성되고, 이 핫 캐리어가 산화물 절연체를 통과하여 촉매물질로 주입된다. When light is absorbed into the hybrid catalyst of the present invention, a hot carrier (hot hole or hot electron) is generated by the plasmon phenomenon in the plasmon generating nanostructure, and the hot carrier is injected into the catalyst material through the oxide insulator.

본 발명에 따른 용어 "하이브리드 촉매" 는 "하이브리드 나노촉매", "금속-절연체-금속 나노구조체", "금속-절연체-금속 나노구조체 촉매 시스템", "MIM 나노구조체" 또는 "MIM 구조체" 등과 혼용될 수 있다.The term "hybrid catalyst" according to the present invention is used in combination with "hybrid nanocatalyst", "metal-insulator-metal nanostructure", "metal-insulator-metal nanostructure catalyst system", "MIM nanostructure" .

본 발명에 따른 용어 "플라즈몬 생성 나노구조체" 는 "플라즈몬 생성 금속 나노구조체" 또는 "표면 플라즈몬 매개체" 등과 혼용될 수 있다.The term "plasmon generating nanostructure" according to the present invention can be used in combination with "plasmon generating metal nanostructure" or "surface plasmon mediator ".

본 발명의 "플라즈몬 생성 나노구조체" 는 금속 나노섬, 금속 나노선 및 금속 나노패턴된 구조체들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. The "plasmon generating nanostructure" of the present invention includes, but is not limited to, metal nano-islands, metal nanowires, and metal nanopatterned structures.

본 발명의 "플라즈몬 생성 나노구조체" 의 금속으로는, 금 (Au), 은 (Ag) 또는 알루미늄 (Al) 에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The metal of the "plasmon generating nanostructure" of the present invention may be selected from gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al), but is not limited thereto.

본 발명에 따른 용어 "산화물 절연체 박막" 은 "산화물 박막", "산화막 박막", "박막", "절연층", "절연층 박막" 또는 "절연체 박막" 등과 혼용될 수 있다.The term "oxide insulating thin film " according to the present invention can be used in combination with" oxide thin film "," oxide thin film "," thin film "," insulating layer "," insulating layer thin film "or" insulator thin film "

본 발명의 "산화물 절연체 박막" 은, CeO2, Nb2O5, TaO5, SiO2, Al2O3, Co3O4, MnO2, Fe2O3 및 TiO2 로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 바람직하게는, Al2O3 또는 TiO2 이나, 이에 한정되지 않는다. The "oxide insulating thin film" of the present invention is at least one oxide selected from the group consisting of CeO 2 , Nb 2 O 5 , TaO 5 , SiO 2 , Al 2 O 3 , Co 3 O 4 , MnO 2 , Fe 2 O 3 and TiO 2 may be selected, preferably, Al 2 O 3 or TiO 2 or, and the like.

본 발명의 "산화물 절연체 박막" 의 두께는 전자가 통과하기 위해서 매우 얇아야 하며, 바람직하게는 두께가 0.5 nm 내지 10 nm 이다. The thickness of the "oxide insulating thin film" of the present invention should be very thin for electrons to pass through, preferably 0.5 nm to 10 nm in thickness.

본 발명의 "촉매물질" 은 금 (Au), 은 (Ag), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 팔라듐 (Pd), 알루미늄 (Al), 철 (Fe) 및 이리듐 (Ir) 으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있으며, 바람직하게는 백금 (Pt) 이나, 이에 한정되지는 않는다. The "catalytic material" of the present invention includes at least one of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), cobalt (Co), nickel (Ni), palladium (Pd), aluminum (Al) Ir), preferably platinum (Pt), but not limited thereto.

본 발명의 "촉매물질" 은 다양한 촉매 나노입자 또는 박막 등의 형태일 수 있다.The "catalytic material" of the present invention may be in the form of various catalyst nanoparticles or thin films.

본 발명의 나노촉매는 1 내지 20 nm 크기의 입자인 것이 바람직하다. 금속입자의 크기가 1 nm 미만이면 금속 입자층 형성이 잘 되지 않는 문제점이 있고, 금속입자의 크기가 20 nm 를 초과하면 금속입자의 표면적이 적어짐으로써 촉매 활성이 떨어지는 문제점이 있다. 본 발명의 나노촉매는 더 바람직하게는 2 내지 10 nm, 보다 더 바람직하게는 2.5 내지 5 nm 이다. The nanocatalyst of the present invention is preferably particles having a size of 1 to 20 nm. When the size of the metal particles is less than 1 nm, there is a problem that the metal particle layer is not formed well. When the size of the metal particles is more than 20 nm, the surface area of the metal particles is decreased. The nanocatalyst of the present invention is more preferably 2 to 10 nm, even more preferably 2.5 to 5 nm.

본 발명에 포함될 수 있는 "기판" 은 SiO2 를 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. "Substrate" which may be included in the present invention including, SiO 2, but is not limited to this.

본 발명의 "하이브리드 촉매" 는 CO 산화반응, 수소 산화반응 (H2 oxidation), 에틸렌 수소화반응 (Ethylene hydrogenation) 및 수성 가스 전화 반응 (Water gas shift reaction) 등에 사용될 수 있으며, 상기 반응들에 한정되지는 않는다.The "hybrid catalyst" of the present invention can be used for CO oxidation, H 2 oxidation, ethylene hydrogenation and water gas shift reaction, .

도 2는 보다 구체적으로 "백금 나노입자(촉매)-Al2O3 또는 TiO2(절연층)-Al, Ag 또는 Au(표면 플라즈몬 매개체)" 로 이루어진 Metal-Insulator-Metal (MIM) 나노구조체에서 표면 플라즈몬에 의해서 생성된 핫전자가 백금 나노입자에 도달하여 촉매 활성도에 영향을 주는 과정에 대한 개념도를 나타낸다. 이 개념도에서 표면 플라즈몬 공급원 (source) 으로는 Al, Ag, 또는 Au 와 같은 귀금속이, 절연층으로는 TiO2 또는 Al2O3 이, 그리고 촉매물질로서는 백금 나노입자가 사용되었다. 상기 MIM 구조체의 핵심 요소는 절연층인데, 이것은 금속과 금속 사이에 배리어 (barrier) 를 형성하면서 금속 표면 플라즈몬에 의해 금속으로부터 생성된 핫전자를 백금 입자로 효율적으로 이동시키고, 다시 금속 표면으로 돌아올 수 없게 만드는 역할을 한다.2 is more specifically "platinum nano-particles (catalyst) -Al 2 O 3 or TiO 2 (insulating layer) -Al, Ag or Au (surface plasmon medium)" in the Metal-Insulator-Metal (MIM) nanostructure consisting of A conceptual diagram of a process in which hot electrons generated by surface plasmons reach the platinum nanoparticles and affect the catalytic activity. In this conceptual diagram, noble metals such as Al, Ag, or Au were used as the surface plasmon source, TiO 2 or Al 2 O 3 was used as the insulating layer, and platinum nanoparticles were used as the catalytic material. The key element of the MIM structure is an insulating layer which forms a barrier between the metal and the metal while efficiently moving the hot electrons generated from the metal by the metal surface plasmons to the platinum particles and back to the metal surface It plays a role of making it disappear.

상기 MIM 구조체에서의 핫전자 생성과정과 핫전자의 표면화학 반응 메커니즘을 자세히 살펴보면, 먼저 광 에너지가 주어질 때 금속으로부터 표면 플라즈몬에 의해 핫전자가 생성되고, 생성된 핫전자는 첫번째로 터널링 (tunneling) 메커니즘을 통해서, 두번째로 쇼트키 배출 (schottky emission) 메커니즘을 통해서 백금 나노입자에 도달하면서 백금 나노입자 표면에서 일어나는 다양한 반응들, 특히, CO 산화반응에 영향을 주게 된다. The hot electrons generated in the MIM structure and the surface chemical reaction mechanism of the hot electrons will be described in detail. First, hot electrons are generated by the surface plasmon from the metal when the light energy is given. The generated hot electrons are first tunneled, Mechanism, and second, through the schottky emission mechanism, to the various reactions occurring on the surface of the platinum nanoparticles, especially the CO oxidation, reaching the platinum nanoparticles.

상기 터널링 메커니즘 및 쇼트키 배출 메커니즘에 대한 자세한 설명은 다음과 같다: 먼저, 고전역학의 관점에서는 입자 (전자 또는 정공) 는 자신이 갖는 에너지 보다 준위가 높은 에너지 장벽을 넘을 수 없다. 하지만 양자역학의 관점에서는 두 금속 또는 반도체들 사이에 부도체 혹은 진공이 있게 되면 에너지 장벽이 존재하게 되고, 이 에너지 장벽의 두께가 작게 되면 입자 (전자 또는 정공) 들은 장벽을 가로지를 수 있는 가능성을 갖게 된다. 이것을 흔히 터널링 효과 (tunneling effect) 라고 부른다. 본 발명의 금속-절연층-금속 나노구조체에서 금속 플라즈몬 현상에 의해서 생성된 핫 캐리어들이 두 금속 사이에 존재하는 에너지 장벽보다 낮은 에너지 준위를 가질 때, 이 핫 캐리어들은 이러한 터널링 메커니즘을 통하여 금속 촉매물질에 도달할 수 있게 된다. 또한 금속과 반도체를 접촉시켰을 때, 에너지 장벽인 쇼트키 장벽 (schottky barrier) 이 형성된다. 이 에너지 장벽을 넘기 위해서 금속 표면 플라즈몬 현상에 의해 생성된 핫 캐리어들은 높은 에너지 준위를 가져야 하고, 이 에너지 장벽보다 높은 에너지 준위를 갖는 핫 캐리어들만이 쇼트키 배출 메커니즘을 통하여 금속 촉매물질에 도달할 수 있게 된다.
A detailed description of the tunneling mechanism and the Schottky discharge mechanism is as follows: First, from the viewpoint of classical mechanics, particles (electrons or holes) can not exceed energy barriers having higher energy than their own. However, from the viewpoint of quantum mechanics, when an insulator or a vacuum is present between two metals or semiconductors, an energy barrier exists. When the thickness of the energy barrier is small, particles (electrons or holes) do. This is often referred to as the tunneling effect. When the hot carriers generated by the metal plasmon phenomenon in the metal-insulator-metal nanostructure of the present invention have an energy level lower than the energy barrier existing between the two metals, the hot carriers can pass through the tunneling mechanism, As shown in FIG. When a metal and a semiconductor are brought into contact with each other, a schottky barrier, which is an energy barrier, is formed. Hot carriers generated by the metal surface plasmon phenomenon to cross this energy barrier must have a high energy level and only hot carriers having energy levels higher than this energy barrier can reach the metal catalyst material through the Schottky exhaust mechanism .

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예Example

[실시예 1] "백금 나노입자(촉매)-Al[Example 1] "Platinum nanoparticle (catalyst) -Al 22 OO 33 또는 TiO Or TiO 22 (절연층)-Al, Ag 또는 Au(표면 플라즈몬 매개체)" 로 이루어진 Metal-Insulator-Metal (MIM) 나노구조체의 제조(Insulator-Metal) Insulator-Metal (MIM) nanostructure consisting of Al, Ag or Au (surface plasmon mediator)

도 3은 "백금 나노입자(촉매)-Al2O3 또는 TiO2(절연층)-Al, Ag 또는 Au(표면 플라즈몬 매개체)" 로 이루어진 Metal-Insulator-Metal (MIM) 나노구조체의 제조과정을 나타낸다.FIG. 3 shows a manufacturing process of a metal-insulator-metal (MIM) nanostructure composed of "platinum nanoparticle (catalyst) -Al 2 O 3 or TiO 2 (insulating layer) -Al, Ag or Au (surface plasmon mediator) .

보다 구체적으로 제조 과정을 살펴보면, 도 3(a) 에서 나타난 바와 같이, 먼저 실리카 (SiO2) 나노입자를 랭뮤어-블로짓 (Langmuir-Blodgett) 기법을 통하여 단일층으로 배열시킨다. 랭뮤어-블로짓 기법은 분자의 한쪽은 유기성으로, 다른 한쪽은 수용성으로 만들어 물과 유기층에서 어떤 특정 방향으로 분자가 배열되는 성질을 이용한 것으로, 결함이 적고, 큰 면적으로 비교적 간단하게 수 mm 에서 수 nm 두께의 유기분자 박막을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다.More specifically, as shown in FIG. 3 (a), silica (SiO 2 ) nanoparticles are first arrayed into a single layer by the Langmuir-Blodgett technique. The Langmuir-Blotting technique is based on the property that molecules are arranged in a specific direction in water and organic layer by making one molecule organic and water soluble on the other. It has the advantage of being able to make thin films of organic molecules of several nm thickness.

그 후, 전자빔 증착법 (E-beam evaporation) 을 통하여 표면 플라즈몬 매개체인 금속을 그 위에 증착시킨다. 그 후, 실리카 나노입자를 제거하면, 패턴을 갖는 금속 단일층을 얻을 수 있고, 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD) 을 통하여 상기 금속 단일층 위에 절연층 박막을 증착시킨다. 마지막으로 랭뮤어-블로짓 기법으로 촉매물질로서 백금 나노입자를 상기 구조 위에 증착시킨다. Thereafter, a surface plasmon mediator, a metal, is deposited thereon by electron beam evaporation (E-beam evaporation). Thereafter, the silica nanoparticles are removed to obtain a single layer of metal having a pattern, and an insulating layer is deposited on the single metal layer through atomic layer deposition (ALD). Finally, platinum nanoparticles are deposited on the structure as a catalytic material by the Langmuir-Blodgett technique.

이러한 절차를 통하여 제조된 금속-절연층-금속 나노구조체는 대략 패턴 형태를 갖는 삼각형 및 사각형 모양의 나노섬 형태를 갖고, 이러한 나노섬들은 대략 20 nm ~ 100 nm의 크기 분포를 갖는다.
The metal-insulator-metal nanostructure fabricated through this procedure has a triangular and rectangular nano-islands shape having a roughly patterned shape, and these nano-islands have a size distribution of approximately 20 nm to 100 nm.

하기에서는, "백금 나노입자(촉매)-Al2O3 또는 TiO2(절연층)-Al, Ag 또는 Au(표면 플라즈몬 매개체)" 로 이루어진 Metal-Insulator-Metal (MIM) 나노구조체의 제조방법을 보다 구체적으로 개시한다.
Hereinafter, a method for producing a metal-insulator-metal (MIM) nanostructure made of "platinum nanoparticle (catalyst) -Al 2 O 3 or TiO 2 (insulating layer) -Al, Ag or Au (surface plasmon mediator) And more specifically.

<실시예 1-1> 실리카 나노입자의 합성과 실리카 나노입자 단일 분자층의 제조<Example 1-1> Synthesis of silica nanoparticles and preparation of single molecule layer of silica nanoparticles

화학 약품. 테트라에틸 오르토실리케이트 (Tetraethyl orthosilicate; TEOS, 99.0+%), 나트륨 도데실 설페이트 (Sodium dodecyl sulfate; SDS, 99.0+%) 가 Sigma-Aldrich 로부터 구입되었다. 암모늄 히드록시드 (NH4OH, 25.0 - 28.0%) 가 Daejung chemicals 로부터 구입되었고, 클로로포름 (Chloroform; min. 99.0%) 이 Junsei 로부터 구입되었고, 무수에탄올 (absolute ethanol; EtOH) 및 메탄올 (Methanol; MeOH) 이 Merck 로부터 구입되었다. 상기 언급된 모든 화학 약품들은 추가적인 정제 없이 사용되었다.Chemicals. Tetraethyl orthosilicate (TEOS, 99.0 +%) and sodium dodecyl sulfate (SDS, 99.0 +%) were purchased from Sigma-Aldrich. Ammonium hydroxide (NH 4 OH, 25.0 - 28.0%) was purchased from Daejung chemicals and Chloroform (min. 99.0%) was purchased from Junsei and was dissolved in absolute ethanol (EtOH) ) Was purchased from Merck. All the above-mentioned chemicals were used without further purification.

실리카 구체 (spheres) 는 변형된 스토버 방법으로 합성되었다. 간략하게, 200 nm 크기의 실리카를 합성하기 위하여, 3.5 ml 의 탈이온수 (deionized water) 내의 0.55 ml 의 NH4OH 를 10 ml 의 EtOH 과 혼합하였고, 상기 혼합물은 자석 교반 하에 유지되었다. 10 ml 의 EtOH 용액 내의 2.3 ml 의 TEOS 가 상기 반응 혼합물에 적가되었다. 8 시간 동안 상기 혼합물을 교반한 후, 상기 반응 혼합물을 3000 rpm 으로 10 분 동안 원심분리하고 에탄올로 세척함으로써, 상기 실리카 구체를 수득하였다. 상기 세척 공정은 3회 수행되었고, 메탄올 내에 상기 구체들을 추가로 분산시켰다. 3.29 ml 의 탈이온수를 고려하고 모든 다른 시약들의 농도를 동일하게 유지함으로써, 본 발명자들은 200 nm 의 평균 크기의 실리카 구체를 수득하였다. 준비된 실리카 구체들의 단일층은, 랭뮤어-블로짓 (Langmuir-Blodgett; LB) 기법 (Nima Technology 311D) 을 사용하여 상온에서 증착되었다. 실리카 구체의 랭뮤어-블로짓 지구 (LB trough) 의 물 하부상 (water subphase) 으로의 확산을 고려하여, 3 mg 의 SDS 가 2 ml 의 MeOH 에 분산된 실라카에 첨가되었다. 가열과 함께 45 분 동안 초음파처리 (ultra-sonication) 를 한 후, 3 ml 의 클로로포름이 혼합되고 또다른 30 분 동안 초음파처리되었다. 그 후, 준비된 샘플은 물 표면 상에 확산되었고 상기 표면 압력은 빌헬미 플레이트 (Wilhelmy plate) 방법에 의해 모니터링 되었다. 상기 타겟 표면 압력은 15 mN/m 으로 유지되었고, 서로 가깝게 붙은 구체들은 1 mm/min 의 속도로 기판을 서서히 올림으로써 담궈진 실리콘 기판 상으로 이동되었다.
Silica spheres were synthesized by the modified Stover method. Briefly, 0.55 ml of NH 4 OH in 3.5 ml of deionized water was mixed with 10 ml of EtOH to synthesize 200 nm size silica, and the mixture was maintained under magnetic stirring. 2.3 ml of TEOS in 10 ml of EtOH solution was added dropwise to the reaction mixture. After stirring the mixture for 8 hours, the reaction mixture was centrifuged at 3000 rpm for 10 minutes and washed with ethanol to obtain the silica spheres. The washing process was performed three times, and the spheres were further dispersed in methanol. By considering 3.29 ml of deionized water and keeping the concentration of all other reagents the same, we have obtained silica spheres with an average size of 200 nm. A single layer of the prepared silica spheres was deposited at room temperature using a Langmuir-Blodgett (LB) technique (Nima Technology 311D). Considering the diffusion of the Langmuir-Blodgett (LB trough) of silica spheres into the water subphase, 3 mg of SDS was added to the silacar dispersed in 2 ml of MeOH. After 45 minutes of ultra-sonication with heating, 3 ml of chloroform was mixed and sonicated for another 30 minutes. The prepared sample was then diffused onto the water surface and the surface pressure was monitored by the Wilhelmy plate method. The target surface pressure was maintained at 15 mN / m, and the spheres close to each other were moved onto the dipped silicon substrate by slowly raising the substrate at a rate of 1 mm / min.

<실시예 1-2> 전자빔 증착법 (E-beam evaporation technique) 을 통한 플라즈몬 금속의 증착Example 1-2: Deposition of plasmon metal by electron beam evaporation technique

전자빔 증착법은 금속의 미세 박막을 조절된 두께로 증착시키는 데에 사용되었다. 금속(M1)-절연층-금속(M2) 구조체의 제조의 첫번째 단계로서, 50 nm 두께의 3 개의 상이한 금속들, 알루미늄 (Al), 은 (Ag), 및 금 (Au) 이 금속(M2) 증착으로서 고려되었다. 상기 증착은 10 KV DC 전압으로 30 ± 2 ℃ 의 온도에서 수행되었고, 시작 압력은 2.0 x 10-6 Torr 였고 마지막 압력은 1 ~ 3 x 10-5 Torr 였다. 전형적인 변수로 달성 가능한 형식적인 증착 속도는 1 Å/sec 이다. 금속 증착은 준비된 실리카 단일층 기판 상에 분명히 이루어지는 반면, 실리카 나노 구체들은 마스크 (mask) 로서 작용한다. 상기 금속 증착에 이어, 수 분 (1 - 2 분) 동안 샘플을 초음파처리함으로써 상기 실리카 마스크를 제거하여, 금속 삼각형을 수득하였다.
Electron beam evaporation was used to deposit a fine metal film with a controlled thickness. As a first step in the fabrication of the metal (M1) -insulating layer-metal (M2) structure, three different metals 50 nm thick, aluminum (Al), silver (Ag), and gold (Au) Lt; / RTI &gt; The deposition was carried out at a temperature of 30 ± 2 ℃ to 10 KV DC voltage, the start pressure is 2.0 x 10 -6 Torr was last pressure was 1 ~ 3 x 10 -5 Torr. Typical deposition rates achievable with typical parameters are 1 Å / sec. While metal deposition is evident on the prepared silica monolayer substrate, the silica nanospheres act as masks. Following the metal deposition, the silica mask was removed by ultrasonication of the sample for a few minutes (1-2 minutes) to obtain a metal triangle.

<실시예 1-3> 원자층 증착법을 통한 절연층의 증착Example 1-3: Deposition of an insulating layer by atomic layer deposition

MIM 나노구조체의 절연층은, 스퍼터 산화법 (sputter oxidation), 기상 증착법 (vapor deposition), 열 산화법 (thermal oxidation), 양극 산화법 (anodic oxidation), 전자빔 증착법 및 원자층 증착법을 포함한 상이한 방법들로서 제조될 수 있다. 상기 방법들 중, 원자층 증착법은 일정한, 핀홀 (pinhole) 이 없는 초미세 산화물 층을 제공하는 가장 우수한 방법으로 평가된다. 이러한 고도로 조절가능한 증착 방법은, MIM 나노구조체의 절연층의 제조를 위한 매우 양립가능한 방법이다. 여기에서는, 이산화티탄 (titanium dioxide; TiO2) 및 알루미나 (Al2O3) 가 절연층으로서 선택되었다. 티타늄 전구체로서 테트라키스-디메틸-아미도 티타늄 (Tetrakis-dimethyl-amido titanium; TDMAT, UP chemical) 및 제 2 반응 전구체로서 H2O 가 TiO2 증착을 위해 사용되었다. 2 nm, 3 nm, 4 nm 및 5 nm 두께의 TiO2 가 0.7A/cycle 의 평균 증착 속도로 증착되었다. 유사하게, 트리메틸 알루미늄 (Trimethyl aluminum; TMA) 및 H2O 가 알루미나의 증착을 위한 전구체로서 사용되었다. 1.1A/cycle 의 평균 증착 속도로, 다양한 두께, 즉, 2 nm, 3 nm, 4 nm 및 5 nm 로 증착되었다. 캐리어 기체 (carrier gas) 로서의 H2 및 Ar 기체 혼합물과 함께, 모든 증착은 150 ℃ 에서 수행되었다.
The insulating layer of the MIM nanostructure can be fabricated by different methods including sputter oxidation, vapor deposition, thermal oxidation, anodic oxidation, electron beam evaporation and atomic layer deposition. have. Among these methods, atomic layer deposition is evaluated as the best method of providing a constant, pinhole-free ultrafine oxide layer. This highly adjustable deposition method is a highly compatible method for the fabrication of insulating layers of MIM nanostructures. Here, titanium dioxide (TiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) were selected as the insulating layer. Tetrakis-dimethyl-amido titanium (TDMAT, UP chemical) as a titanium precursor and H 2 O as a second reaction precursor were used for TiO 2 deposition. 2 nm, 3 nm, 4 nm and 5 nm thick TiO 2 were deposited at an average deposition rate of 0.7 A / cycle. Similarly, trimethyl aluminum (TMA) and H 2 O were used as precursors for the deposition of alumina. With an average deposition rate of 1.1 A / cycle, with various thicknesses: 2 nm, 3 nm, 4 nm and 5 nm. With H 2 and Ar gas mixture as carrier gas, all deposition was carried out at 150 ° C.

<실시예 1-4> 촉매물질로서의 백금 나노입자의 합성 및 랭뮤어-블로짓 기법을 이용한 이차원 형태의 단일 분자층의 제작Example 1-4 Synthesis of Platinum Nanoparticles as Catalyst Materials and Preparation of Single-Dimensional Two-Dimensional Molecular Layer Using Langmuir-Blotting Technique

절연체 물질 상에 증착된 최종 금속(M1) 은 ~ 4.3 nm 의 백금 나노입자이다. 4.3 nm Pt 나노입자가 Tsung et al. (JACS, 131 (16), 5816-5822 (2009)) 에 사용된 방법과 동일한 방법으로 합성되었다. 여기에서는, Pt 나노결정 (nanocrystals) 의 크기가, 최초 용액 내 Pt (II) 대 Pt (IV) 의 농도 비율을 조절함으로써 측정되었다. 왜냐하면 금속 이온 전구체의 산화 상태가 Pt 전구체의 비율 및 결과적으로 핵의 수를 감소시키는 데에 영향을 미치기 때문이다. 20 mg 의 암모늄 테트라클로로플라티네이트 (ammonium tetrachloroplatinate (II); (NH4)2PtCl6), 100 mg 의 PVP, 및 120 mg 의 테트라메틸암모늄 브로마이드 (tetramethylammonium bromide; N+(CH3)4Br-) 의 전체가, 상온에서 25 ml 둥근 바닥 플라스크 내에서, 10 ml 의 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol) 에 용해되었다. 상기 혼합된 용액은 실리콘 오일 배쓰 내에서 453 K 로 가열되었고, 20 분 동안 아르곤 보호 및 자석 교반 하에서 유지되었고, 그 결과 진한 갈색 용액이 수득되었다. 반응 후, 상기 용액은 상온으로 냉각되었다. 그리고 나서, LB 에 의해 Pt 나노입자를 증착하는 방법은, 상기 언급한 바와 유사하다. 확산된 용액은, 클로로포름과 EtOH 내에 분산된 Pt 나노입자들을 1:2 의 부피비로 혼합함으로써 준비하였다. 타겟 표면 압력은 15 mN/m 로 유지되었다.
The final metal (M1) deposited on the insulator material is platinum nanoparticles ~ 4.3 nm. 4.3 nm Pt nanoparticles were synthesized by Tsung et al. (JACS, 131 (16), 5816-5822 (2009)). Here, the size of the Pt nanocrystals was measured by adjusting the concentration ratio of Pt (II) to Pt (IV) in the initial solution. Because the oxidation state of the metal ion precursor affects the ratio of the Pt precursor and consequently the number of nuclei. 20 mg of ammonium tetrachloroplatinate (II) (NH 4 ) 2 PtCl 6 ), 100 mg of PVP and 120 mg of tetramethylammonium bromide (N + (CH 3 ) 4 Br - ) was dissolved in 10 ml of ethylene glycol in a 25 ml round bottom flask at room temperature. The mixed solution was heated to 453 K in a silicone oil bath and kept under argon protection and magnetic stirring for 20 minutes, resulting in a dark brown solution. After the reaction, the solution was cooled to room temperature. Then, the method of depositing Pt nanoparticles by LB is similar to that mentioned above. The diffused solution was prepared by mixing Pt nanoparticles dispersed in chloroform and EtOH in a volume ratio of 1: 2. The target surface pressure was maintained at 15 mN / m.

[실시예 2] 제조된 MIM 나노구조체의 EDS mapping 결과[Example 2] EDS mapping results of the prepared MIM nanostructures

도 3(b) 는 한 예로 Pt/2 nm TiO2/Au 나노구조체에 대한 EDS mapping 결과이다. 이로부터, 금속-절연층-금속 나노구조체를 구성하는 각각의 구성 원소에 대한 위치를 직접적으로 확인할 수 있다. 촉매물질인 백금 나노입자는 나노구조체의 가장 윗부분에 위치하는 것을 알 수 있고, 중간 위치에서 백금 나노입자와 Au 사이에 절연층으로 사용된 TiO2 층의 존재를 증명하는 Ti 와 O 를 분명하게 확인할 수 있었고, 나노구조체의 가장 안쪽 부분에 표면 플라즈몬 공급원인 Au 의 존재를 확인할 수 있었다.
FIG. 3 (b) shows an EDS mapping result for a Pt / 2 nm TiO 2 / Au nanostructure. From this, it is possible to directly confirm the position of each constituent element constituting the metal-insulator-metal nano structure. Platinum nanoparticles, the catalytic material, are found at the top of the nanostructure, and Ti and O, which demonstrate the presence of the TiO 2 layer used as the insulating layer between the platinum nanoparticles and Au at the intermediate location, are clearly identified And the existence of Au as a surface plasmon supply source was confirmed in the innermost part of the nanostructure.

[실시예 3] 제조된 MIM 나노구조체에서 진행한 CO 산화반응 결과[Example 3] CO oxidation reaction proceeded from the prepared MIM nanostructure

CO 산화반응에 대한 연구가, 40 Torr CO, 100 Torr O2, 및 620 Torr He 하에서, 배치 (batch) 반응 시스템 내에서 수행되었다. 상기 기체들은 Metal Bellows 재순환 펌프에 의해, 반응 라인 (reaction line) 을 따라 순환되었다. 열 전도성 검출기 (thermal conductivity detector) 를 수반한 기체 크로마토그래프 및 6'ⅹ1/8'' SS 분자체 5A 가, 분석을 위해 성성물들을 분리하는 데에 사용되었다. 측정된 반응 속도는 회전율 (turnover frequencies; TOF) 로서 나타내었고, 그 단위는 반응 시간 초당 금속 표면 부위 (site) 당 생성된 CO2 분자로 측정되었다. 이 때, 본 발명자들은, 상이한 반응 조건들을 가정하여, 운동역학적으로 조절된 상황 하에 낮은 전환 (즉, ~20% 미만의 전환) 에서의 CO 산화반응의 속도를 측정함으로써, 모든 반응 데이터를 수득하였다. 금속 부위들의 수는, 패턴화된 MIM 나노구조체 어레이의 표면적의 주사전자현미경 (scanning electron microscopy; SEM) 측정 결과를 기준으로, 기하학적으로 고려하여 계산하였다. 그리고, 광 조사 하의 촉매 활성을 측정하기 위한 할로겐 램프 (halogen lamp) (Dolhan-Janner D150) 가 광원으로 사용되었다. ~ 8 cm 떨어진 샘플과 할로겐 램프 사이의 거리로써, 광 세기는 광파워미터 (optical power meter) (ADCMT 8230) 에 의해 49.4 mW/cm2 로 측정되었다.A study of the CO oxidation reaction was carried out in a batch reaction system under 40 Torr CO, 100 Torr O 2 , and 620 Torr He. The gases were circulated along the reaction line by a Metal Bellows recirculation pump. A gas chromatograph with a thermal conductivity detector and a 6''1 / 8 '' SS molecular sieve 5A were used to separate the constituents for analysis. The measured reaction rates are expressed as turnover frequencies (TOF), which are measured as CO 2 molecules generated per metal surface site per reaction time per second. At this time, the present inventors obtained all the reaction data by measuring the rate of CO oxidation reaction at a low conversion (i.e., less than ~ 20% conversion) under the kinematically controlled conditions, assuming different reaction conditions . The number of metal sites was calculated geometrically based on the results of scanning electron microscopy (SEM) measurements of the surface area of the patterned MIM nanostructure arrays. A halogen lamp (Dolhan-Janner D150) was used as a light source for measuring the catalytic activity under light irradiation. The light intensity was measured as 49.4 mW / cm 2 by an optical power meter (ADCMT 8230) as the distance between the sample and the halogen lamp ~ 8 cm away.

도 4는, 본 발명의 MIM 나노구조체에서 표면플라즈몬에 의해 생성된 핫전자가 표면 화학 반응에 주는 역할을 규명하기 위해서 진행한 CO 산화반응 결과를 나타낸다. 그 결과, MIM 나노구조체의 종류에 따라 차이를 보이기는 하나, MIM 나노구조체는 빛이 입사되는 조건에서 대략 50 ~ 100% 이상의 촉매활성도의 증가를 나타내었다. 이는, 금속에 광 에너지가 흡수되면서 유도된 표면 플라즈몬이 효과적으로 핫 캐리어를 생성시키고, 이 핫 캐리어가 터널링 (tunneling) 이나 쇼트키 배출 (schottky emission) 메커니즘을 통하여 절연층을 지나 백금 나노입자에 주입됨으로써 촉매 활성도에 영향을 주는 것으로 생각된다. FIG. 4 shows the results of CO oxidation performed to identify the role of hot electrons generated by surface plasmons on the surface chemistry in the MIM nanostructure of the present invention. As a result, the MIM nanostructures exhibited an increase in catalytic activity of about 50-100% under the condition of incidence of light, though they differ depending on the types of MIM nanostructures. This is because the surface plasmons induced by the absorption of light energy into the metal effectively generate hot carriers and the hot carriers are injected into the platinum nanoparticles through the insulating layer through a tunneling or schottky emission mechanism And it is thought that it affects catalytic activity.

따라서, 상기 결과를 토대로, 빛이 입사되는 동안 생성된 표면플라즈몬에 의해 생성된 핫 캐리어가 CO 산화반응의 촉매 활성도에 영향을 준다는 결론을 내릴 수 있었다.
Therefore, based on the above results, it can be concluded that the hot carrier generated by the surface plasmon generated during the incident light affects the catalytic activity of the CO oxidation reaction.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다. The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (20)

표면 플라즈몬을 이용한 금속-절연층-금속 (Metal-Insulator-Metal) 나노구조체 촉매 시스템.Metal-Insulator-Metal nanostructure catalyst system using surface plasmon. 제 1 항에 있어서,
상기 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템은, 기판 상에 금속-절연층-금속이 차례로 증착된 형태인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the metal-insulator-metal nanostructure catalyst system is one in which a metal-insulator-metal is sequentially deposited on a substrate.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 금속-절연층-금속 나노구조체 촉매 시스템은 금속(1)-절연층-금속(2) 나노구조체 촉매 시스템이고, 상기 금속(2) 는 플라즈몬 생성 나노구조체이고, 상기 절연층은 산화물 절연체 박막이고, 상기 금속(1) 은 촉매물질인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the metal-insulator-metal nanostructure catalyst system is a metal (1) -insulating-metal (2) nanostructure catalyst system, the metal (2) is a plasmonic nanostructure, the insulator layer is an oxide insulator thin film , And the metal (1) is a catalytic material.
제 3 항에 있어서,
상기 플라즈몬 생성 나노구조체는 금 (Au), 은 (Ag) 또는 알루미늄 (Al) 인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the plasmon generating nanostructure is gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al).
제 3 항에 있어서,
상기 산화물 절연체 박막은 CeO2, Nb2O5, TaO5, SiO2, Al2O3, Co3O4, MnO2, Fe2O3 또는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
The method of claim 3,
The oxide insulator thin film is CeO 2, Nb 2 O 5, TaO 5, SiO 2, Al 2 O 3, Co 3 O 4, MnO 2, Fe 2 O 3 or a catalyst system, characterized in that TiO 2.
제 3 항에 있어서,
상기 촉매물질은 금 (Au), 은 (Ag), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 팔라듐 (Pd), 알루미늄 (Al), 철 (Fe) 또는 이리듐 (Ir) 인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
The method of claim 3,
The catalyst material may be one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Co, Ni, Pd, Al, Fe, Characterized by a catalytic system.
제 3 항에 있어서,
상기 플라즈몬 생성 나노구조체는 금속 나노섬, 금속 나노선 또는 금속 나노패턴된 구조체인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
The method of claim 3,
Wherein the plasmon generating nanostructure is a metal nano-island, a metal nanowire, or a metal nanopatterned structure.
제 5 항에 있어서,
상기 산화물 절연체 박막은 Al2O3 또는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
6. The method of claim 5,
Wherein the oxide insulator thin film is Al 2 O 3 or TiO 2 .
제 6 항에 있어서,
상기 촉매물질은 백금 (Pt) 인 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
The method according to claim 6,
Wherein the catalyst material is platinum (Pt).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 촉매 시스템은 CO 산화반응에 사용되는 것을 특징으로 하는 촉매 시스템.
3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the catalyst system is used in a CO oxidation reaction.
표면 플라즈몬을 이용하여 금속-절연층-금속 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 방법.A method for controlling catalytic activity of a metal-insulator-metal nanostructure using surface plasmon. 제 11 항에 있어서,
상기 금속-절연층-금속 나노구조체는 기판 상에 금속-절연층-금속이 차례로 증착된 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the metal-insulator-metal nano-structure is formed by sequentially depositing a metal-insulator-metal layer on a substrate.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 금속-절연층-금속 나노구조체는 금속(1)-절연층-금속(2) 나노구조체이고, 상기 금속(2) 는 플라즈몬 생성 나노구조체이고, 상기 절연층은 산화물 절연체 박막이고, 상기 금속(1) 은 촉매물질인 것을 특징으로 하는 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein the metal-insulator-metal nano structure is a metal (1) -insulating layer-metal (2) nano structure, the metal (2) is a plasmon generating nano structure, the insulating layer is an oxide insulator thin film, 1) is a catalytic material.
제 13 항에 있어서,
상기 플라즈몬 생성 나노구조체는 금 (Au), 은 (Ag) 또는 알루미늄 (Al) 인 것을 특징으로 하는 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the plasmon generating nanostructure is gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al).
제 13 항에 있어서,
상기 산화물 절연체 박막은 CeO2, Nb2O5, TaO5, SiO2, Al2O3, Co3O4, MnO2, Fe2O3 또는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 방법.
14. The method of claim 13,
The oxide insulator thin film is CeO 2, Nb 2 O 5, TaO 5, SiO 2, Al 2 O 3, Co 3 O 4, MnO 2, Fe 2 O 3 or a method which is characterized in that the TiO 2.
제 13 항에 있어서,
상기 촉매물질은 금 (Au), 은 (Ag), 백금 (Pt), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 팔라듐 (Pd), 알루미늄 (Al), 철 (Fe) 또는 이리듐 (Ir) 인 것을 특징으로 하는 방법.
14. The method of claim 13,
The catalyst material may be one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Co, Ni, Pd, Al, Fe, Lt; / RTI &gt;
제 13 항에 있어서,
상기 플라즈몬 생성 나노구조체는 금속 나노섬, 금속 나노선 또는 금속 나노패턴된 구조체인 것을 특징으로 하는 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the plasmon generating nanostructure is a metal nano-island, a metal nanowire, or a metal nanopatterned structure.
제 15 항에 있어서,
상기 산화물 절연체 박막은 Al2O3 또는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the oxide insulator thin film is Al 2 O 3 or TiO 2 .
제 16 항에 있어서,
상기 촉매물질은 백금 (Pt) 인 것을 특징으로 하는 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the catalytic material is platinum (Pt).
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 방법은, CO 산화반응에서의 금속-절연층-금속 나노구조체의 촉매 활성도를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein the method controls the catalytic activity of the metal-insulator-metal nanostructure in a CO oxidation reaction.
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