KR20170013133A - 그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 귀금속의 나노입자 분산액과 그래핀의 나노입자 분산액을 액적상태로 분무하고, 분무상태에서 초음파를 조사하여 건조처리함으로써 응집체인 귀금속의 나노입자 표면을 그래핀의 나노입자가 감싸도록 조성된 그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
그리고, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 그래핀의 나노입자 분산액과 귀금속의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하면서 초음파를 조사하여 건조 처리함으로써 그래핀의 나노입자가 응집체인 귀금속의 나노입자 표면을 감싸도록 제조하되, 그래핀의 나노입자 분산액은 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 초음파의 조사분위기에서 상기 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 제조하고, 귀금속의 나노입자 분산액은 귀금속의 수용성 화합물을 pH 11.5이상 유지한 상태에서 75~80℃의 반응온도에서 다당류를 첨가한 후, 2시간 내지 5시간의 반응시간동안 환원과 분산을 진행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 그래핀과 귀금속의 나노조성물을 제공하게 된다.
또한, 이상과 같이 구성되는 본 발명은 그래핀과 귀금속의 장점을 모두 갖추면서 각각의 단점을 서로 보완과 상쇄가 가능하고, 그 사용분야를 극대화할 수 있는 등의 효과를 제공하게 된다.

Description

그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING NANO-COMPOSITES OF GRAPHENE AND NOBLE METAL}

본 발명은 그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀과 귀금속을 액적상태에서 분무한 후, 건조와 열처리과정을 거쳐 귀금속의 나노입자를 그래핀의 나노입자가 감싸는 나노조성물을 제조하는 그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 그래핀(Graphene)은 흑연의 구성 물질로서, 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 화학에서 탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 -ene을 결합해 만든 용어이다.

이때, 그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집구조로 한 층을 이루는 두께 0.35 nm의 2차원 평면 형태의 얇은 막 구조이며, 세상에서 가장 얇은 소재라 할 수 있다.

여기서, 그래핀은 상온에서 단위면적당 구리보다 약 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전달할 수 있을 뿐만 아니라 열전도성이 최고인 다이아몬드보다 2배 이상 높고, 기계적 강도는 강철보다 200배 이상 강한 것으로 알려져 있다.

특히, 그래핀은 신축성이 우수하여 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않고, 탄소가 마치 그물처럼 연결돼 벌집 구조를 통해 생긴 공간적 여유로 신축성이 생겨 구조가 변해도 비교적 잘 견딜 수 있으며, 육각형의 탄소 구조가 가지는 전자배치 특성 때문에 전도성을 잃지 않아 화학적으로 안정적이다.

그리고, 귀금속의 나노입자는 그 내재적 성질이 주로 그 크기, 형태, 조성, 결정성 및 구조 등에 의해 결정되는데, 최근에 전자분야, 에너지분야, 의료 과학 및 생명공학, 장식분야 등에서 광범위하게 사용되고 있다.

이때, 귀금속의 나노입자는 알코올 환원, 폴리올 공정, 음파화학 방법, 유기 금속성 전구체, 증발-응축 방법 및 벌크 금속의 전기분해 등의 제조기술이 제안되고 있다.

한편, 그래핀과 귀금속의 나노조성물은 그래핀의 나노입자와 귀금속의 나노입자를 하나의 나노입자로 융합한 조성물로서, 알콜 산화 반응촉매, 유기 반응 촉매, 전기화학 반응 촉매, 바이오 센서 등에 널리 사용되고 있고, 광범위한 분야에 서 그 용도에 대해 연구 개발되고 있으나, 그 실용화가 어려운 문제가 있다.

등록특허공보 10-1414539호(그래핀/TiO2 복합체의 제조방법) 공개특허공보 10-2013-0044987호(그래핀 산화물-이산화티타늄 광촉매를 포함하는 공기 정화용 조성물)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제를 개선하기 위하여 안출된 것으로, 귀금속의 나노입자 분산액과 그래핀의 나노입자 분산액을 액적상태로 분무하고, 분무상태에서 초음파를 조사하여 건조처리함으로써 응집체인 귀금속의 나노입자 표면을 그래핀의 나노입자가 감싸도록 조성된 그래핀과 귀금속의 나노조성물 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 그래핀의 나노입자 분산액과 귀금속의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하면서 초음파를 조사하여 건조 처리함으로써 그래핀의 나노입자가 응집체인 귀금속의 나노입자 표면을 감싸도록 제조하되, 그래핀의 나노입자 분산액은 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 초음파의 조사분위기에서 상기 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 제조하고, 귀금속의 나노입자 분산액은 귀금속의 수용성 화합물을 pH 11.5이상 유지한 상태에서 75~80℃의 반응온도에서 다당류를 첨가한 후, 2시간 내지 5시간의 반응시간동안 환원과 분산을 진행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 그래핀과 귀금속의 나노조성물을 제공하게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 그래핀과 귀금속의 장점을 모두 갖추면서 각각의 단점을 서로 보완과 상쇄가 가능하고, 그 사용분야를 극대화할 수 있는 등의 효과를 제공하게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하고자 한다.

본 발명에서는 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 혼합하게 된다.

이때, 그래파이트 분말은 4~25㎛의 입자크기를 가지는데, 4㎛ 미만의 입자크기에서는 그래핀의 입자제조가 어렵고, 25㎛를 초과하는 과대한 입자크기는 반응시간을 지연시키는 원인을 제공하게 된다.

또한, 그래파이트용액에 첨가되는 계면활성제는 소듐 올레이트, 소듐 도데실설포네이트, 세틸트리메틸암모늄 크로라이드,세틸트리메틸 암모늄 브로마이드, 다이옥틸 소듐 설포숙신네이트중에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있는데, 그래파이트용액 100중량부에 대해 6중량부 미만으로 첨가될 경우 그래파이트의 층분리가 원활하지 않아 분산이 어려운 문제가 발생하고, 그래파이트용액 100중량부에 대해 14중량부를 초과하여 첨가될 경우 그래파이트의 입자를 침전시켜 오히려 분산을 방해하는 문제가 초래된다.

그리고, 본 발명에서는 계면활성제를 첨가한 그래파이트용액에 초음파를 조사하는 공정을 거치게 되는데, 이는 그래파이트용액내 그래파이트의 분말입자크기를 최소화하고, 계면활성제에 의한 분산효과를 극대화하면서 그래파이트의 층분리에 의한 그래핀의 제조를 돕는 작용을 하게 된다.

본 발명에서는 상기한 공정을 거쳐 그래파이트용액에서 그래파이트를 그래핀으로 만들어 그래핀의 나노입자 분산액을 제조할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 귀금속의 나노입자 분산액은 귀금속의 수용성 화합물을 환원제 및 분산제로서 다당류를 사용하여 환원시킴으로써 제조하도록 구성되어 있다.

이때, 귀금속의 수용성 화합물은 예컨대, 테트라클로로아우르(III)-산(HAuCl4), 헥사클로로백금(IV)-산(H2PtCl6), 백금(II)-질산염(Pt(NO3)2, 은(I)-질산염(AgNO3), 은(I)-암모니아 착물[Ag(NH3)2]+, 은(I)-히드록소 착물[Ag(OH)2]-

, 팔라듐(II)-질산염(Pd(NO3)2), 로듐(III)-질산염(Rh(NO3)3) 및 루테늄(III)-염화물 수화물(RuCl3 x H2O 등을 사용하게 된다.

여기서, 귀금속의 수용성 화합물에 대한 환원제 및 분산제로 사용되는 다당류는 귀금속이온 종을 산화 상태가 제로(O)에 상응하는 귀금속으로 환원시키면서 환원된 귀금속 입자의 표면을 블록킹시키고 개별 입자의 응괴 및 응집을 방지함으로써 분산액 중에서 안정화시키도록 작용하여 현저히 균일하고 탈응집된 나노입자를 수득할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

특히, 귀금속의 수용성 화합물에 대한 환원제 및 분산제로 사용되는 다당류는 아라비아 고무, DEAE-덱스트란 염산염, (디에틸-아미노에틸)-덱스트란 중 어느 하나를 선택하여 사용하게 된다.

그리고, 본 발명에서는 귀금속의 수용성 화합물의 신속하고 완전한 환원을 위해 귀금속의 수용성 화합물에 대한 pH를 11.5이상 유지하여야 하는데, 이를 위하여 귀금속의 수용성 화합물에 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH) 및 수산화암모늄(NH4OH) 또는 이들의 조합물과 같은 강한 알카리성 무기 염기를 첨가하게 된다.

이때, 귀금속의 수용성 화합물의 환원 및 분산시 반응온도는 75~80℃가 바람직하고, 귀금속의 수용성 화합물의 환원 및 분산시 반응시간은 2시간 내지 5시간이 가장 바람직하다.

이처럼, 귀금속의 수용성 화합물은 pH를 11.5이상 유지한 상태에서 75~80℃의 반응온도에서 다당류를 첨가한 후, 2시간 내지 5시간의 반응시간동안 환원과 분산을 진행하게 되면 귀금속의 나노입자 분산액을 제조할 수 있게 된다.

본 발명에서는 상기와 같이 제조된 그래핀의 나노입자 분산액과 귀금속의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하게 되고, 분산액의 액적 분무에 초음파를 조사하여 건조 처리를 진행하여 그래핀과 귀금속의 나노조성물을 제조하게 된다.

이때, 그래핀과 귀금속의 나노조성물은 그래핀의 나노입자가 응집체인 귀금속의 나노입자 표면을 감싸는 구조를 형성하게 된다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 이는 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다.

그러므로, 본 발명의 실질적인 범위는 상술된 실시예에 의해 한정되어져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 청구범위와 균등한 구성에 의해 정해져야 함은 당연하다.

Claims (1)

1. 그래핀의 나노입자 분산액과 귀금속의 나노입자 분산액을 각각 액적상태로 분무하면서 초음파를 조사하여 건조 처리함으로써 그래핀의 나노입자가 응집체인 귀금속의 나노입자 표면을 감싸도록 제조하되, 그래핀의 나노입자 분산액은 그래파이트 분말과 물을 0.4~0.8:100의 중량비로 혼합하여 그래파이트용액을 제조한 후, 초음파의 조사분위기에서 상기 그래파이트용액에 계면활성제를 그래파이트용액 100중량부에 대해 6~14 중량부의 비율로 첨가하여 제조하고, 귀금속의 나노입자 분산액은 귀금속의 수용성 화합물을 pH 11.5이상 유지한 상태에서 75~80℃의 반응온도에서 다당류를 첨가한 후, 2시간 내지 5시간의 반응시간동안 환원과 분산을 진행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 그래핀과 귀금속의 나노조성물.