KR20160115528A - 구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자 제조방법 - Google Patents
구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20160115528A KR20160115528A KR1020150043417A KR20150043417A KR20160115528A KR 20160115528 A KR20160115528 A KR 20160115528A KR 1020150043417 A KR1020150043417 A KR 1020150043417A KR 20150043417 A KR20150043417 A KR 20150043417A KR 20160115528 A KR20160115528 A KR 20160115528A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- tin
- temperature
- organic vapor
- spherical
- tin oxide
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 16
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 80
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 69
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 41
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 20
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 12
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 4
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 4
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 claims 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 abstract description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 3
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 17
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 5
- 125000002485 formyl group Chemical class [H]C(*)=O 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003266 NiCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010718 Oxidation Activity Effects 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003064 anti-oxidating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000037237 body shape Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- -1 hollow nanoparticles Chemical compound 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002127 nanobelt Substances 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005211 surface analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- HPGGPRDJHPYFRM-UHFFFAOYSA-J tin(iv) chloride Chemical compound Cl[Sn](Cl)(Cl)Cl HPGGPRDJHPYFRM-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G19/00—Compounds of tin
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J6/00—Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/30—Particle morphology extending in three dimensions
- C01P2004/32—Spheres
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
본 발명은 불활성기체를 유기용매와 혼합하여 유기증기를 공급하는 유기증기공급부; 상기 유기증기공급부 일측에 형성되며, 도관이 구비되어 산화주석 분말이 도입되고 상기 유기증기와 반응하여 구형체 주석입자를 생성하며, 일측으로 반응증기를 배출하는 가열부; 상기 가열부 외측에 형성되고 배출되는 반응증기를 검출하는 분석부; 및 상기 가열부 하부와 연결되는 온도계와, 상기 분석부의 반응증기를 분석하여 가열부를 조절하는 온도조절기를 구비하는 조절부를 포함하는 구형체 주석입자 제조장치를 제공한다.
따라서 무산소 조건에서 유기용매를 이용하여 종래의 열탄화법보다 매우 낮은 온도에서 구형체의 주석입자를 제조할 수 있다. 종래의 열탄화법 및 수소환원법보다 낮은 온도와 저압에서 금속 주석입자를 제조할 수 있으므로 주석입자 제조 공정의 경제성 및 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며, 제조된 구형체 주석입자는 촉매를 포함하여 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
따라서 무산소 조건에서 유기용매를 이용하여 종래의 열탄화법보다 매우 낮은 온도에서 구형체의 주석입자를 제조할 수 있다. 종래의 열탄화법 및 수소환원법보다 낮은 온도와 저압에서 금속 주석입자를 제조할 수 있으므로 주석입자 제조 공정의 경제성 및 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며, 제조된 구형체 주석입자는 촉매를 포함하여 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
Description
본 발명은 자연광석 상태의 주석을 처리하여 구형의 주석입자를 제조할 수 있는 구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자의 제조방법에 관한 것이다.
주석은 납과 합금형태의 물질, 산화방지용 도금을 포함하여 다양한 합금형태, 화합물들로 널리 사용되는 물질이다, 금속주석은 주석석(SnO2)와 같은 자연광석을 처리하여 금속주석을 수득하는 과정을 통하여 얻어진다. 종래의 금속주석 생산방법은 주로 1200 ℃의 열탄소(carbothermal) 환원 반응 [SnO2 + C → Sn + CO2] 에 의해 생성되며, 여기서 탄소는 환원제로 사용된다(비특허문헌1). 그러나 고온을 유지하기 위해 많은 에너지가 요구되며 부산물로 이산화탄소가 발생되는 문제가 있다. 또한 보다 환경친화적인 방법으로 열탄화법보다 낮은 온도인 700 ℃ 조건에 사용되는 수소환원법은 고압의 수소 조건을 유지해야하는 어려움이 있다(비특허문헌 2).
한편 산화주석(SnO2)는 리튬 이온 배터리, 가스 센서, 태양 전지 셀 및 촉매에 적용될 수 있는 잠재성으로 인하여 매우 다양하게 연구되고 있다. 노출되는 결정면을 조절하기 위한 상당한 노력이 행해지고 있으며, 순수하고 혼성되어 중공 나노입자, 와이어, 나노로드, 나노시트, 나노튜브 및 큐브와 같은 다양한 형태의 산화주석을 합성하기 위한 노력 또한 진행되고 있다. 최근 탄소와 혼성체(C/SnO2) 리튬 이온 배터리에 적용될 수 있는 가능성이 있는 것으로 보고되었다. 합성된 그릇 모양의 중공의 나노입자(SnO2@C)는 중공 구조의 장점을 보유하였고, 리튬 이온 배터리의 음극 물질로 높은 효율을 나타내었다. 산화주석은 중공 산화주석, 산화주석 나노튜브, 나노시트, 나노박스, NiCo2O4@SnO2 헤테로-나노구조, 캡핑된 Sn/SnO2 나노결정, 샌드위치-적층 SnO2/Cu 나노시트, 그래핀/SnO2 나노리본 복합체, 및 SnO2@TiO2 코어 쉘과 같은 물질을 포함하여 리튬 이온 배터리에 활용되고 있다. 특히 가스 검출은 SnO2 나노물질이 가장 활발하게 연구되는 분야이다. 매우 넓은 범위의 물질들이 센서 물질로 준비되어 시험되었고, 예로써 구리가 도핑된 산화주석 필름은 황화수소를 검출할 수 있다. 또한 (110) 면이 노출된 산화주석 나노로드는 매우 적은 표면적과 산소종보다 낮은 활성 표면을 갖는다고 하여도, Mars-van Krevelen 메카니즘에 따르는 매우 높은 일산화탄소 산화 활성을 가지는 것으로 확인되었다. 산화주석의 표면을 이해하는 것은 더 민감한 검출능력과 촉매의 매카니즘 및 나노구조를 형성하기 위해 필요하며 전구체 화학은 산화주석 나노와이어의 형태 및 조성을 조절하기 위해 매우 중요한 과정임이 밝혀졌다.
자연광석을 처리하여 제조되는 주석입자가 다양하게 사용될 수 있어서 수요가 점차 증가하고 있으므로 자연광석을 처리 시 주석 표면의 반응을 이해하여 보다 효율적으로 주석입자를 생산하는 방법이 요구되며, 종래의 고온 또는 고압의 수소 조건이 아니라 새로운 방법으로 주석입자를 제조하는 방법이 매우 필요한 실정이다.
비특허문헌 1. Kim, B. -S., Lee, J. -C., Yoon, H. -S. & Kim, S. -K. Reduction of SnO2 with Hydrogen. Mater. Trans. 52, 1814- 1817 (2011).
비특허문헌 2. Zhang, J., Yang, Y., Jiang, F., Xu, B., Li, J., Wang X. & Wang, S. Synthesis of metal Sn nanobelts from SnO2 nanopowders by a substitution reaction. Nanotechnology 16, 2887??2891 (2005).
본 발명은, 종래의 주석입자를 생산하기 위한 공정이 1200 ℃ 이상의 고온으로 유지되어 에너지 소모가 매우 커서 효율성에 문제가 있는 것으로 확인하고, 이를 해결하기 위해 저온 및 대기압에서 주석입자를 생산할 수 있는 구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 불활성기체를 유기용매와 혼합하여 유기증기를 공급하는 유기증기공급부; 상기 유기증기공급부 일측에 형성되며, 도관이 구비되어 산화주석 분말이 도입되고 상기 유기증기와 반응하여 구형체 주석입자를 생성하며, 일측으로 반응증기를 배출하는 가열부; 상기 가열부 외측에 형성되고 배출되는 반응증기를 검출하는 분석부; 및 상기 가열부 하부와 연결되는 온도계와, 상기 분석부의 반응증기를 분석하여 온도의 피크가 최대가 되는 온도로 가열부를 조절하는 온도조절기를 구비하는 조절부를 포함하는 구형체 주석입자 제조장치를 제공한다.
또한 상기 불활성기체는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 유기용매는 알콜(alcohol), 알데하이드(aldehydes) 및 에스터(ester)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 조절부는 반응증기 온도의 피크가 최대가 되는 온도인 450 내지 500 ℃가 되도록 가열부를 유지할 수 있다.
또한 상기 유기증기는 35 내지 40 mL/min의 유량으로 가열부에 도입될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 주석전구체에 탈이온수를 첨가하고 열수반응을 통하여 산화주석 나노입자를 제조하는 단계(제1단계); 불활성기체를 유기용매에 불어넣어 유기증기를 생성하는 단계(제2단계); 상기 산화주석 나노입자를 가열부 내의 도관에 도입한 이후에 유기증기를 도입하고 가열하여 산화주석 나노입자를 환원시키는 단계(제3단계); 상기 도관에서 배출되는 반응증기의 온도를 측정하여 도관의 온도를 일정하게 유지하는 단계(제4단계); 및 상기 제3단계에서 환원된 산화주석 나노입자를 냉각하여 구형체 주석입자를 회수하는 단계(제5단계)를 포함하는 구형체 주석입자 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 구형체 주석입자 제조장치 및 제조방법에 따르면 무산소 조건에서 유기용매를 이용하여 종래의 열탄화법보다 매우 낮은 온도에서 구형체의 주석입자를 제조할 수 있다. 종래의 열탄화법 및 수소환원법보다 낮은 온도와 저압에서 주석입자를 제조할 수 있으므로 주석입자 제조 공정의 경제성 및 효율성을 크게 증가시킬 수 있으며, 제조된 구형체 주석입자는 촉매를 포함하여 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조장치의 산소 및 무산소 조건에 따른 주석입자 생성여부를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자의 X-선 회절분석 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자의 다양한 결정 패턴을 나타낸 Phi 360 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 산소 및 무산소 조건에서의 구형체 주석입자 생성 중의 질량분석을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조장치의 산소 및 무산소 조건에 따른 주석입자 생성여부를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자의 X-선 회절분석 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자의 다양한 결정 패턴을 나타낸 Phi 360 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 산소 및 무산소 조건에서의 구형체 주석입자 생성 중의 질량분석을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 이미지이다.
본 발명자는 산화주석으로부터 금속주석을 대량으로 생산할 수 있는 방법을 연구하던 중에 무산소 조건에서 유기용매를 이용하여 산화시키는 경우에 400 ℃의 낮은 반응온도에서 구형체의 주석입자가 형성되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조방법의 흐름도이다.
도면을 참조하면 본 발명에 따른 구형체 주석입자 제조장치는 유기증기공급부(100), 가열부(200), 분석부(300), 및 온도조절기(400)를 포함한다.
상기 유기증기공급부(100)는 유량계(110a, 110b)가 구비되어 유입되는 불활성기체(120)의 유입량이 조절되고, 상기 불활성기체(120)가 내부의 유기용매(130)와 혼합되어 생성되는 유기증기(130)의 유출량을 조절할 수 있다.
상기 유량계(110a, 110b)는 불활성기체(120)의 흐름을 측정하여 유입되는 불활성기체(120)의 유량을 조절할 수 있으며, 불활성기체(120)의 흐름에 의해 유기용매(130)가 기화되어 유기증기로 형성되어 배출되는 경우의 배출량을 조절할 수 있는 것이면 특별하게 제한되지 않는다.
상기 불활성기체(120)는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 불활성기체(120)는 가열부(200) 내부로 유입되어 무산소 조건을 형성할 수 있으며, 무산소 조건을 형성하는 경우에 종래의 수소환원법의 반응온도인 1200 ℃보다 낮은 온도인 450℃에서 구형체 주석을 제조할 수 있다.
상기 유기증기는 35 내지 40 mL/min의 유량으로 가열부에 도입될 수 있다.
상기 유기용매는 알콜(alcohol), 알데하이드(aldehydes) 및 에스터(ester)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편 상기 유기용매로 알콜을 선택하고 질소를 불활성기체로 선택하여 유기증기를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 가열부(200)는 유기증기공급부(100) 일측에 형성되며, 내부에는 도관(210)이 구비되어 산화주석 분말이 도입되고 상기 도관에 유입되는 유기증기와 반응하여 구형체 주석입자를 생성하며, 일측으로 반응증기를 배출할 수 있다.
상기 도관(210)은 일자관을 사용하는 것도 가능하나 U자관을 사용하는 경우 열전달 효율을 증가시킬 수 있으므로 바람직하다.
한편 상기 가열부(200)는 온도조절기에서 미리 결정된 온도에 따라 도관(210)의 온도를 유지할 수 있는 가열수단을 포함할 수 있다.
상기 분석부(300)는 상기 가열부(200) 외측에 형성되고, 상기 도관(210)의 끝단과 연결되어 배출되는 반응증기를 검출할 수 있다.
상기 분석부(300)는 가열부(200)의 온도 증가에 따라 도관(210)을 통해 발생하는 물질들을 분석할 수 있다.
상기 가열부(200)의 온도가 증가함에 따라 상기 도관(210)에서 발생하는 기체가 증가하게 되며, 상기 분석부(300)는 산화주석이 도입되는 경우 450 ℃에서 최대값을 나타낸다.
상기 최대값에서 반응증기의 양과 성분의 변화가 매우 감소되는 시점을 측정하여 조절부(400)에 전기적 신호를 전달하여 가열부(200)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
즉, 상기 조절부(400)는 상기 가열부(200) 하부와 연결되는 가열부(200)의 온도를 검출하는 온도계(410)와, 상기 분석부(300)에서 반응증기의 성분을 분석하여 온도의 최대피크가 나타나는 점을 기준으로 반응온도를 설정하고, 상기 반응온도로 가열부(200)를 조절하는 온도조절기(미도시)를 통하여 가열부(200)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
상기 반응온도로 유지되며, 산화주석(SnO2)이 금속주석(Sn)으로 변화될 수 있다.
상기 조절부(400)는 450 내지 500 ℃로 가열부(200)를 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 주석전구체에 탈이온수를 첨가하고 수열반응을 통하여 산화주석 나노입자를 제조하는 단계(제1단계); 불활성기체를 유기용매에 불어넣어 유기증기를 생성하는 단계(제2단계); 상기 산화주석 나노입자를 가열부 내의 도관에 도입한 이후에 유기증기를 도입하고 가열하여 산화주석입자를 환원시키는 단계(제3단계); 상기 도관에서 배출되는 반응증기의 온도를 검출하여 도관의 온도를 일정하게 유지하는 단계(제4단계); 및 상기 제3단계에서 환원된 산화주석입자를 냉각하여 구형체 주석입자를 회수하는 단계(제5단계)를 포함하는 구형체 주석입자 제조방법을 제공한다.
상기 유기용매는 상기 유기용매는 알콜(alcohol), 알데하이드(aldehydes) 및 에스터(ester)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 2단계의 불활성기체는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 불활성기체 외에 산소가 함유되는 경우에는 무산소 조건으로 하여 산화주석을 반응시킬 수 없다.
상기 유기증기는 35 내지 40 mL/min으로 도입될 수 있다.
상기 제3단계에서 유기증기의 도입량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 상기 가열부의 온도를 일정하게 유지하기 어려우므로 금속주석을 구형체로 수득하기 어렵다.
상기 제4단계에서 도관의 온도는 450 내지 500 ℃로 유지될 수 있다.
또한 상기 도관(210)의 온도 범위는 금속주석의 녹는점인 203 ℃ 보다 높기 때문에 주석은 액체상태로 존재하며, 액체상태의 금속주석은 냉각과정에서 표면장력에 의해 구형체 형상으로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 주석입자 제조
실험실 조건의 주석입자를 제조하기 위해 양자 크기의 가열부에 도입되는 산화주석은 수열합성법으로 제조하였다. 테프론병에 0.1 M의 염화주석(SnCl4ㅇ5H2O) 10.0 mL에 탈이온수(저항성 18.2 MΩ·cm) 20.0 mL를 첨가하여 잘 교반하였다. 이 후 침전을 유도하기 위해 0.1 M의 수산화나트륨(NaOH)을 투입하였다. 테프론병을 밀봉하고 120 ℃ 오븐에 배치한 이후에 12시간 동안 반응시켰다. 반응 이후에 서냉하고 원심분리하여 흰색 침전을 수득하였다. 상기 침전을 이온수와 에탄올을 사용하여 수 회 세척하고 대기환경으로 70 ℃의 건조기에서 건조하였다.
제조된 산화주석(SnO2) 분말 20 mg을 전기로 내부의 도관(U-석영관, 직경 4mm)에 배치하고, 유기용매로 에탄올을 선택하고 불활성기체로 순수한 질소(N2)를 선택하고 40 mL/min의 유속으로 상기 도관에 유입하여 산화주석을 반응시켰다.
무산소 조건에서 반응과 비교하기 위해 대조군으로 5 % O2 기체를 유입하여 산소 조건에서 산화주석의 반응을 관찰하였다.
<실험예 1> 구형체 주석입자의 물성
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 제조장치의 산화조건에 따른 주석입자의 생성여부를 나타낸 모식도이다.
도면을 참조하면, 도 3의 왼쪽은 산화주석(SnO2)이 산소 조건에서 코어-쉘(SnO2@C)구조로 형성된 것을 나타낸 것이며, 도 3의 오른쪽은 산화주석(SnO2)이 무산소 조건에서 에탄올 산화에 의해 금속의 구형체 주석입자로 형성된 것을 나타낸다.
각각의 삽입도는 입자화된 코어-쉘 구조 및 주석입자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다.
한편 반응표면분석(CCD-SCD) 및 분말 X-선 회절분석(powder X-ray diffraction)을 실시하기 위해 실시예 1의 주석입자를 X-선 회절분석기(XRD, JCPDS 04-0673)를 사용하여 관찰하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자의 X-선 회절분석 그래프이다.
도면을 참조하여 매우 날카로운 XRD 패턴은 정방정계 주석입자 구조와 일치하였고, 삽입도의 회절 이미지는 구형체의 단일상 및 다결정성의 주석입자를 나타내었으며, 중심에는 주석입자의 정방정계 결정구조를 나타내어 무산소 조건 하에서 구형체의 주석입자가 형성된 것으로 확인하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자의 다양한 결정 패턴을 나타낸 Phi 360 이미지이다.
무산소 조건 및 산소 조건에서 산화주석의 에탄올 산화 이후에 결정 회절 패턴이 다양하게 나타난 것을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 산소 및 무산소 조건에서의 구형체 주석입자 생성중의 질량분석을 나타낸 그래프이다.
도면을 참조하면, 반응증기의 질량분석(mass spectrometry)을 통해 온도에 따른 질량분포(mass profile)는 무산소 조건과 산소 조건에서 온도에 따라 매우 큰 차이를 나타내었다.
상기 차이는 도관 내에서 하기 반응식 1에 기인하는 환원반응 때문이다.
[반응식 1]
CH3CH2O-H → CH3CHO + H2
생성물(mass signals)은 급격하게 감소되며, 450 ℃에서 최대 강도를 나타내었다.
상기 결과는 450 ℃ 이상에서 산화주석이 금속 주석입자로 환원되는 것을 나타낸다. 주석의 녹는점이 230 ℃로 가열부의 도관에서 산화주석이 금속 주석입자로 환원되는 온도인 450 ℃보다 낮기 때문에 주석입자는 액체 상태의 구형 방울 형태로 형성되었으며, 냉각함에 따라 구형체 주석입자로 형성되었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구형체 주석입자 이미지이다.
도면을 참조하면 무산소 조건에서 알콜 산화에 의해 산화주석이 환원되어 구형체 주석입자로 제조된 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명에 따르면, 금속의 구형체 주석입자는 산화주석(SnO2)을 무산소 조건 하에서 에탄올 산화를 통하여 제조할 수 있다. 우선 직경 2 nm부터 수백nm인 산화주석 분말을 사용하여 가열부의 도관에 배치하고, 에탄올에 질소를 불어넣어 무산소 조건 하에서 산화주석을 반응시키는 경우 열탄화법의 1200 ℃보다 매우 낮은 온도인 450 ℃에서 주석입자를 제조할 수 있다. 상기와 같은 새로운 알콜 산화에 의한 주석입자 제조는 종래의 산업적으로 이용되는 공정보다 매우 효율성이 증가된 주석의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 한정된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 유기증기공급부
110 : 유량계
120 : 불활성기체 200 : 가열부
210 : 도관 300 : 분석부
400 : 조절부 410 : 온도계
120 : 불활성기체 200 : 가열부
210 : 도관 300 : 분석부
400 : 조절부 410 : 온도계
Claims (6)
- 불활성기체를 유기용매와 혼합하여 유기증기를 공급하는 유기증기공급부;
상기 유기증기공급부 일측에 형성되며, 도관이 구비되어 산화주석 분말이 도입되고 상기 유기증기와 반응하여 구형체 주석입자를 생성하며, 일측으로 반응증기를 배출하는 가열부;
상기 가열부 외측에 형성되고 배출되는 반응증기를 검출하는 분석부; 및
상기 가열부 하부와 연결되는 온도계와, 상기 분석부의 반응증기를 분석하여 가열부를 조절하는 온도조절기를 구비하는 조절부를 포함하는 구형체 주석입자 제조장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 불활성기체는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구형체 주석입자 제조장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 유기용매는 알콜(alcohol), 알데하이드(aldehydes) 및 에스터(ester)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 구형체 주석입자 제조장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 조절부는 반응증기 온도의 피크가 최대가 되는 온도인 450 내지 500 ℃로 가열부를 유지하는 것을 특징으로 하는 구형체 주석입자 제조장치.
- 청구항 1에 있어서, 상기 가열부에 도입되는 유기증기는 35 내지 40 mL/min인 것을 특징으로 하는 구형체 주석입자 제조장치.
- 주석전구체에 탈이온수를 첨가하고 수열반응을 통하여 산화주석 나노입자를 제조하는 단계(제1단계);
불활성기체를 유기용매에 불어넣어 유기증기를 생성하는 단계(제2단계);
상기 산화주석 나노입자를 전기로 내의 도관에 도입한 이후에 유기증기를 도입하고 가열하여 산화주석 나노입자를 환원시키는 단계(제3단계);
상기 도관에서 배출되는 반응증기의 온도를 검출하여 도관의 온도를 일정하게 유지하는 단계(제4단계); 및 상기 제3단계에서 환원된 산화주석 나노입자를 냉각하여 구형체 주석입자를 회수하는 단계(제5단계)를 포함하는 구형체 주석입자 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150043417A KR101763463B1 (ko) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | 구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150043417A KR101763463B1 (ko) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | 구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160115528A true KR20160115528A (ko) | 2016-10-06 |
| KR101763463B1 KR101763463B1 (ko) | 2017-08-01 |
Family
ID=57164955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020150043417A KR101763463B1 (ko) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | 구형체 주석입자 제조장치 및 주석입자 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101763463B1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030124049A1 (en) * | 2001-08-13 | 2003-07-03 | Sowmya Krishnan | Catalytic reactor apparatus and method for generating high purity water vapor |
| JP4830393B2 (ja) * | 2005-08-03 | 2011-12-07 | 三菱マテリアル株式会社 | 導電性酸化スズ粉末の製造方法と製造装置 |
-
2015
- 2015-03-27 KR KR1020150043417A patent/KR101763463B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 비특허문헌 1. Kim, B. -S., Lee, J. -C., Yoon, H. -S. & Kim, S. -K. Reduction of SnO2 with Hydrogen. Mater. Trans. 52, 1814- 1817 (2011). |
| 비특허문헌 2. Zhang, J., Yang, Y., Jiang, F., Xu, B., Li, J., Wang X. & Wang, S. Synthesis of metal Sn nanobelts from SnO2 nanopowders by a substitution reaction. Nanotechnology 16, 2887??2891 (2005). |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101763463B1 (ko) | 2017-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Synthesis and enhanced gas-sensing properties of ultralong NiO nanowires assembled with NiO nanocrystals | |
| Zhang et al. | Controlled synthesis and gas-sensing properties of hollow sea urchin-like α-Fe2O3 nanostructures and α-Fe2O3 nanocubes | |
| Jia et al. | One-pot template-free synthesis and highly ethanol sensing properties of ZnSnO3 hollow microspheres | |
| Huang et al. | Preparation of porous flower-shaped SnO2 nanostructures and their gas-sensing property | |
| Kim et al. | Continuous synthesis of hierarchical porous ZnO microspheres in supercritical methanol and their enhanced electrochemical performance in lithium ion batteries | |
| Hu et al. | Flame synthesis of single crystalline SnO nanoplatelets for lithium-ion batteries | |
| Li et al. | Low temperature aqueous synthesis of highly dispersed Co3O4 nanocubes and their electrocatalytic activity studies | |
| Jin et al. | Synthesis of hierarchical SnO2 nanoflowers with enhanced acetic acid gas sensing properties | |
| CN101434418A (zh) | 磁场作用下水热法制备Co3O4纳米材料的方法 | |
| Yin et al. | Hollow spheres of MgFe2O4 as anode material for lithium-ion batteries | |
| Biswas et al. | Hollow nanostructures of metal oxides as emerging electrode materials for high performance supercapacitors | |
| Li et al. | Coordination complex pyrolyzation for the synthesis of nanostructured GeO 2 with high lithium storage properties | |
| Pengfei et al. | Controlled synthesis of cobalt sulfide nanocrystalline by ultrasonic spray pyrolysis process | |
| Yin et al. | Controlled ZnO hierarchical structure for improved gas sensing performance | |
| Zhang et al. | Controllable synthesis of novel ZnSn (OH) 6 hollow polyhedral structures with superior ethanol gas-sensing performance | |
| Singla et al. | Structural and thermal analysis of in situ synthesized C–WC nanocomposites | |
| Wang et al. | Improving ethanol sensitivity of ZnSnO3 sensor at low temperature with multi-measures: Mg doping, nano-TiO2 decoration and UV radiation | |
| Wang et al. | Shape evolution and applications in water purification: the case of CVD-grown Zn 2 SiO 4 straw-bundles | |
| CN102790211B (zh) | 一种高性能锂离子电池负极材料铁酸铜超细粉的制备方法 | |
| Xu et al. | CTAB-assisted synthesis of unique 3D ZnO and the acetone sensing performances | |
| Li et al. | Phase-segregation induced growth of core–shell α-Fe 2 O 3/SnO 2 heterostructures for lithium-ion battery | |
| Xue et al. | Characterization of CeO 2 microspheres fabricated by an ultrasonic spray pyrolysis method | |
| Ramírez-Meneses et al. | Synthesis and electrochemical characterization of Ni nanoparticles by hydrazine reduction using hydroxyethyl cellulose as capping agent | |
| Jamil et al. | Zinc oxide hollow micro spheres and nano rods: Synthesis and applications in gas sensor | |
| Zhang et al. | Synthesis and photocatalytic activity of porous polycrystalline NiO nanowires |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |