KR20180065493A - Gas sensor and member using metal oxide nanotubes including nanoscale heterogeneous catalysts by using metal-organic framework, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 금속이온과 유기물 리간드가 결합되어 만들어지는 다공성 물질인 금속유기구조체(metal-organic framework)의 내부 중공구조에 나노입자 촉매를 결착하고, 이를 전기방사 및 열처리 과정을 통해 합성한 나노입자 촉매 및 제1금속산화물로 이루어진 이종촉매가 제2금속산화물 나노튜브의 내부 및 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a member for a gas sensor, a gas sensor using the same, and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a gas sensor using a metal sensor A nanoparticle catalyst composed of nanoparticle catalysts synthesized through electrospinning and heat treatment and a heterogeneous catalyst composed of a first metal oxide uniformly bind to the inside and the surface of the second metal oxide nanotube to form a functionalized metal oxide nano- Tube, a member for a gas sensor using the same, a gas sensor, and a manufacturing method thereof.
산업 오염물질, 자동차 배기가스, 공장 매연 등 각종 대기 오염원의 증가와 더불어 중국발 황사의 유입으로 인해 대기 환경 오염 문제가 심각해짐에 따라, 대기 속의 다양한 환경 유해 가스들을 빠르게 검출하고 조기에 유해 정보를 제공할 수 있는 센서 기술이 크게 주목을 받고 있다. 또한 이와 함께, 사람의 날숨 속에 포함되어 있는 생체지표(biomarker) 가스를 검출하여, 인체의 건강 징후를 조기에 모니터링할 수 있는 센서 기술이 큰 관심을 받고 있다. 다양한 가스 검출 방식 중에서, 금속산화물 반도체 기반의 저항변화식 가스센서는 감지 소재의 표면에서 특정가스가 흡착 및 탈착하는 과정에서 발생하는 전기저항의 변화를 측정하여 가스를 감지하는 간단한 구동원리로 작동되기 때문에, 센서 시스템의 구성이 간단하고 소형화가 용이하며 다른 기기와의 연동이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 따라서 모바일(mobile)이나 웨어러블(wearable) 기기에 금속산화물 반도체 기반 가스센서를 연동하여, 유해환경가스 경보기, 실내/실외 공기 질 측정기, 알코올 음주 측정기, 새집증후군 가스 검출기 등의 다양한 분야에서 상용화하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. With the increase of various pollutants such as industrial pollutants, automobile exhaust gas and factory exhaust, the air pollution problem becomes serious due to the inflow of yellow sand from China. Therefore, it is possible to quickly detect various environmentally harmful gases in the atmosphere and to detect harmful information The sensor technology that can be provided is attracting much attention. In addition, a sensor technology capable of detecting the biomarker gas contained in a person's exhalation and monitoring health signs of the human body is receiving great attention. Among various gas detection methods, resistance-based gas sensors based on metal oxide semiconductors operate as a simple driving principle that measures the change in electrical resistance caused by the adsorption and desorption of a specific gas on the surface of a sensing material, Therefore, it is advantageous that the sensor system is simple in structure, easy to miniaturize, and easily interlocked with other devices. Therefore, it is attempted to commercialize a metal oxide semiconductor based gas sensor in mobile or wearable devices in various fields such as harmful environmental gas alarm, indoor / outdoor air quality meter, alcohol drinking meter, and sick house syndrome gas detector Is actively proceeding.
이러한 금속산화물 기반 가스센서가 환경 유해 가스 검출기로서 상용화되기 위해서는, ppm(part per million) 수준의 극 미량의 가스를 선택적으로 검출할 수 있어야 한다. 2016년 정부 기준에 따른 대기오염 물질의 환경 기준은 아황산가스(SO2) 0.03 ppm 이하, 일산화탄소(CO) 8 ppm 이하, 질소산화물(NO2) 0.05 ppm 이하, 오존(O3) 0.02 ppm 이하이며, 각종 매연의 배출기준은 암모니아(NH3) 250 ppm 이하, 일산화탄소(CO) 400 ppm 이하, 염화수소(HCl) 25 ppm 이하, 염소 (Cl2) 10 ppm 이하이다. 또한, 질병진단용 날숨 분석기로 활용되기 위해서는, 사람의 날숨 속에 존재하는 아세톤(CH3COCH3), 암모니아, 일산화질소, 황화수소(H2S), 톨루엔(C6H5CH3), 펜탄(C5H12) 등과 같은 생체지표 가스(각각 당뇨병, 신장질환, 천식, 구취, 폐암, 심장병에 대한 생체지표)들이 10 ppb(part per billion) 에서 10 ppm 범위의 매우 낮은 농도로 방출되기 때문에 이를 선택적으로 감지하여야 한다. 이 뿐만 아니라, 공기 중에는 수백 종류 이상의 혼합 가스들이 존재하기 때문에, ppm/ppb 수준의 특정 가스들을 선택적으로 검출할 수 있는 높은 감도 및 선택성의 센서 개발이 요구된다. 또한, 실시간 감지 디바이스로 활용되기 위해서는 사람이 휴대할 수 있는 크기의 센서로 소형화가 이루어져야 할 뿐만 아니라, 가스를 검출하는 반응속도 및 회복속도가 수초 이내로 빨라져야 한다. 하지만 금속산화물 기반 가스센서는 가스와 감지소재의 표면반응을 통한 전기 저항 변화를 측정하여 가스를 검출하기 때문에, 특정 가스에만 반응하는 선택성이 떨어지고, 수 ppb 수준의 가스를 측정하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 높은 감도와 높은 선택성을 가지는 금속산화물 감지소재의 개발이 시급한 실정이다.In order for such metal oxide-based gas sensors to be commercialized as environmentally harmful gas detectors, it is necessary to be able to selectively detect extremely small amounts of gas at the level of ppm (parts per million). Environmental standards for air pollutants in accordance with government standards in 2016 include sulfur dioxide (SO 2 ) of less than 0.03 ppm, carbon monoxide (CO) of less than 8 ppm, nitrogen oxides (NO 2 ) of less than 0.05 ppm and ozone (O 3 ) of less than 0.02 ppm , Emission standards of various kinds of soot are 250 ppm or less of ammonia (NH 3 ), 400 ppm or less of carbon monoxide (CO), 25 ppm or less of hydrogen chloride (HCl), and 10 ppm or less of chlorine (Cl 2 ). In order to be used as an illness analyzer for diagnosis of diseases, acetone (CH 3 COCH 3 ), ammonia, nitrogen monoxide, hydrogen sulfide (H 2 S), toluene (C 6 H 5 CH 3 ), pentane 5 H 12) as biomarkers gas (each of diabetes, kidney disease, asthma, bad breath, lung cancer, biomarkers) for heart disease were 10 ppb (part per billion), since the emission with a very low concentration of 10 ppm range in the same this optional . In addition, since there are hundreds or more kinds of mixed gases in the air, it is required to develop a sensor of high sensitivity and selectivity capable of selectively detecting specific gases at ppm / ppb level. In addition, in order to be used as a real-time sensing device, it is required not only to miniaturize the sensor with a size that can be carried by a human, but also to accelerate the reaction speed and the recovery speed for gas detection within a few seconds. However, since metal oxide based gas sensors detect the gas by measuring the electrical resistance change through the surface reaction of the gas and the sensing material, there is a disadvantage that it is difficult to measure the gas with a level of several ppb and the selectivity to react only to the specific gas is low. Therefore, it is urgent to develop a metal oxide sensing material having high sensitivity and high selectivity.
상기에서 언급한 단점들을 극복하기 위해서, 나노입자(nanoparticle), 나노섬유(nanofiber), 나노튜브(nanotube), 나노스피어(nanosphere)를 포함하는 다양한 나노 구조체 기반의 감지소재 합성 및 이를 이용한 센서 응용 연구가 활발히 이루어지고 있다. 나노 구조체를 활용한 감지소재는 기존의 상용화된 물질들인 후막 필름(thick film) 이나 분말(powder) 구조에 비해서 가스들과 반응하는 면적이 상대적으로 넓기 때문에, 보다 더 높은 감도를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 중공 구조의 감지소재는 가스들이 쉽게 감지소재 내부로 확산하여, 감지소재의 외부 및 내부 표면에서 반응하기 때문에, 보다 더 높은 감도와 빠른 반응속도를 기대할 수 있게 된다. In order to overcome the disadvantages mentioned above, synthesis of sensing materials based on various nanostructures including nanoparticles, nanofibers, nanotubes and nanospheres and sensor application using them . Sensing materials using nanostructures are expected to achieve higher sensitivity because they have a relatively larger area of reacting with gases than conventional thick films or powder structures. do. In addition, the sensing material of the hollow structure can be expected to have higher sensitivity and faster response speed because gases readily diffuse into the sensing material and react on the outer and inner surfaces of the sensing material.
이와 더불어, 나노 구조체의 표면에 촉매를 결착시켜 높은 감도와 선택성을 갖는 감지소재의 개발도 활발하게 진행되고 있다. 금속산화물 기반 가스센서는 화학적 증감제(chemical sensitizers)와 전자적 증감제(electronic sensitizer)를 결착시켜 감지 특성을 크게 증대시킬 수 있다. 대표적인 화학적 증감제는 백금(Pt)과 금(Au)이 있으며, 촉매들이 표면반응에 참여하는 가스들의 농도를 증가시켜 가스센서의 특성을 높여준다. 또한, 대표적인 전자적 증감 촉매는 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 코발트(Co), 은(Ag) 등이 있으며, 이들 촉매들이 PdO, NiO, Co2O3, Ag2O 와 같은 금속산화물을 형성하여 나타나는 산화수 변화를 이용하여 감도를 향상시키는 방법이다.In addition, the development of sensing materials having high sensitivity and selectivity by binding a catalyst to the surface of a nanostructure is actively under way. Metal oxide based gas sensors can greatly enhance sensing properties by binding chemical sensitizers and electronic sensitizers. Representative chemical sensitizers include platinum (Pt) and gold (Au), which increase the concentration of gases participating in the surface reaction, thereby enhancing the properties of the gas sensor. In addition, representative electronic sensitization catalysts include palladium (Pd), nickel (Ni), cobalt (Co), and silver (Ag). These catalysts include metal oxides such as PdO, NiO, Co 2 O 3 , and Ag 2 O And the sensitivity is improved by using the change in the oxidation number which is formed.
이와 같이 다양한 형태의 나노구조체의 개발과 더불어 다양한 촉매들이 결착된 감지소재를 활용하는 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 아직까지 극 미량의 가스를 신속하고 정밀하게 측정할 수 있는 초고감도 특성을 가지는 금속산화물 반도체 기반 감지소재는 아직까지 사용화되고 있지 않은 실정이다. 따라서 대기 유해환경 감지 및 헬스케어용 날숨센서의 실현을 위해서는 극미량의 가스를 선택적으로 감지할 수 있는 감지소재의 개발이 시급하다.In addition to the development of various types of nanostructures, various researches have been carried out to utilize sensing materials that have been bound with various catalysts. However, Oxide semiconductor based sensing materials have not been used yet. Therefore, it is urgent to develop a sensing material capable of selectively sensing a very small amount of gas in order to detect atmospheric harmful environments and realize an aerial sensor for healthcare.
상기에서 언급한 한계들을 극복하기 위해서는, 수 nm 크기의 나노입자 촉매를 결착시킬 뿐만 아니라, 기존에 보고되지 않은 신규한 이종 촉매(heterogeneous catalyst)를 활용한 감지소재의 개발이 필요하다. 또한 표면적이 넓은 나노구조체 기반 감지소재에 촉매들을 용이하게 결착시키는 기술이 필요하다. 상기에 설명한 측면을 동시에 충족하여 실제 대기환경 유해기체 및 인체의 날숨 속 생체지표 기체들을 선택적으로 감지할 수 있는 센서개발을 실현시킬 수 있는 소재합성 기술 및 센서제조 기술이 필요하다. In order to overcome the above-mentioned limitations, it is necessary to develop a sensing material utilizing not only a novel heterogeneous catalyst but also a nanoparticle catalyst of several nanometers in size. There is also a need for a technique that facilitates binding of catalysts to nanostructure-based sensing materials having a large surface area. There is a need for a material synthesis technique and a sensor manufacturing technology that can realize a sensor capable of selectively sensing biomarker gases in the air environment and harmful gases in actual atmospheric environment and the human body by simultaneously satisfying the above-described aspects.
본 발명은, 금속이온과 유기물 리간드들이 결합되어 이루어진 50??500 nm 크기의 금속유기구조체(metal-organic framework)라는 다공성 나노물질을 이용하여, 상기 금속유기구조체 내부에 0.1??10 nm 크기의 나노입자 촉매를 포함시키고, 전기방사를 활용하여 상기 나노입자 촉매/금속유기구조체가 고르게 결착되어 있는 금속전구체/고분자 복합 나노섬유를 합성하고, 이후 빠른 승온속도를 활용한 열처리 공정을 통해 만들어지는 나노입자 촉매들이 결착되어 있는 제1금속산화물 입자들을 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 기능화시키는 방법을 제공한다. The present invention relates to a method for fabricating a metal organic structure using a porous nanomaterial, which is a metal-organic framework having a size of 50-500 nm formed by combining metal ions and organic ligands, Polymer nanocomposite / nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite nanocomposite The present invention provides a method of functionalizing the first metal oxide particles to which the particle catalysts are bound on the surface of the second metal oxide nanotube.
특히, 열처리 이후에도 금속유기구조체 내부에 포함되어 있던 금속 나노입자 촉매들이 제1금속산화물의 표면에 상호 응집 없이 균일하게 분산되어, 하나의 단일 촉매 입자에서 화학적 증감 혹은 전자적 증감 촉매 효과가 나타나게 된다. 또한 금속유기구조체의 금속이온이 열처리 과정 중에 산화되면서 형성되는 제1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브와 이종접합을 형성하게 되어 감도의 증대를 가져올 뿐만 아니라, 1차원 나노튜브 구조를 통해 가스가 손쉽게 감지소재 내부로 확산하여 이종 촉매와 반응하기 때문에 가스 감지 특성이 획기적으로 증대되는, 나노입자 촉매를 포함하는 다공성 제1금속산화물 입자들이 제2금속산화물 나노튜브의 내부 및 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브 감지소재 합성 기술 및 이를 이용한 가스센서 응용 기술을 제시한다. Particularly, even after the heat treatment, the metal nanoparticle catalysts contained in the metal organic structure are uniformly dispersed on the surface of the first metal oxide without mutual agglomeration, so that a single catalyst particle exhibits a chemical sensitization or an electronic sensitization catalyst effect. In addition, since the metal oxide of the metal organic structure is oxidized during the heat treatment process, the first metal oxide formed by the first metal oxide forms a heterojunction with the second metal oxide nanotube to increase the sensitivity, The porous first metal oxide particles including the nanoparticle catalyst are uniformly adhered to the inside and the surface of the second metal oxide nanotube so that the gas sensing property is remarkably increased because the metal nanoparticles easily diffuse into the sensing material and react with the heterogeneous catalyst The synthesis technology of functionalized metal oxide nanotube sensing material and the application technology of gas sensor using it are presented.
이는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 10 nm 이하 크기의 매우 작은 나노입자 촉매를 포함하는 이종촉매가 서로 응집 없이 금속산화물 나노튜브 표면에 고르게 분산되어 극 미량의 가스를 검출해 낼 수 있는 가스센서용 부재, 이를 이용한 가스센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. This is a method for solving the problems of the prior art, in which a heterogeneous catalyst containing a very small nanoparticle catalyst having a size of 10 nm or less is uniformly dispersed on the surface of the metal oxide nanotube without agglomerating with each other, A sensor member, a gas sensor using the same, and a manufacturing method thereof.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 금속유기구조체를 합성하고, 합성된 금속유기구조체 내부에 나노입자 촉매를 균일하게 분산되도록 내장하여, 나노입자 촉매들이 제1금속산화물 입자에 결착되고, 상기 제1금속산화물 입자들이 제2금속산화물 나노튜브의 내부와 외부에 균일하게 결착되도록 하여, 넓은 표면적을 가짐과 동시에 균일하게 분포된 나노크기의 이종 촉매를 포함하는 감지소재 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 감지소재 및 이를 이용한 가스센서용 부재 제조 방법은 (a) 금속이온과 유기물 리간드를 반응시켜 금속유기구조체를 합성하는 단계; (b) 금속유기구조체의 중공 구조 안에 나노입자 촉매를 내장하는 단계; (c) 전기방사법을 통해 나노입자 촉매 및 금속유기구조체가 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 표면 또는 내부에 함유된 나노입자 촉매/금속유기구조체/고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 제작하는 단계; (d) 열처리 과정을 통하여 고분자 및 금속유기구조체의 유기물을 제거 시키고, 금속산화물 전구체 및 금속유기구조체의 금속을 산화시키며, 이때 발생하는 나노섬유 내부의 제2금속산화물과 금속산화물 전구체의 확산 속도 차이를 통해 나노튜브 구조를 합성하는, 나노입자 촉매가 포함된 제1금속산화물 입자들이 제2금속산화물 나노튜브의 내부 및 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브를 형성하는 단계; (e) 상기 나노 크기의 이종 촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브를 에탄올에 분산 및 분쇄하여, 가스센서 측정용 전극 위에 코팅하는 단계; (f) 복수의 나노 크기의 이종 촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브 를 활용하여 가스센서 어레이를 제조하는 단계를 포함하는 나노 크기의 이종 촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브 제조방법을 제공한다. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method of synthesizing a metal organic structure according to an aspect of the present invention, and a nanoparticle catalyst is uniformly dispersed in the synthesized metal organic structure to bond the nanoparticle catalysts to the first metal oxide particle A sensing material including a nano-sized heterogeneous catalyst uniformly distributed over the first metal oxide particles and uniformly bonded to the inside and the outside of the second metal oxide nanotube, And a method for manufacturing the member for use. A method for manufacturing a sensing material and a gas sensor using the same according to the present invention includes the steps of: (a) synthesizing a metal organic structure by reacting a metal ion with an organic ligand; (b) embedding a nanoparticle catalyst in the hollow structure of the metal organic structure; (c) a step of preparing nanoparticle catalyst / metal organic structure / polymer / metal oxide precursor composite nanofiber in which the nanoparticle catalyst and the metal organic structure are contained on the surface or inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber through electrospinning ; (d) removing the organic matter of the polymer and the metal organic structure through the heat treatment process, oxidizing the metal oxide precursor and the metal of the metal organic structure, and diffusing the diffusion rate of the second metal oxide and the metal oxide precursor inside the nanofiber Forming a functionalized metal oxide nanotube by uniformly binding the first metal oxide particles including the nanoparticle catalyst to the inside and the surface of the second metal oxide nanotube to synthesize the nanotube structure through the first metal oxide nanotube; (e) dispersing and pulverizing the metal oxide nanotubes to which the nanoscale heterogeneous catalyst is bound in ethanol, and coating the nanotube on an electrode for measuring a gas sensor; and (f) fabricating a gas sensor array by utilizing metal oxide nanotubes to which a plurality of nano-sized heterogeneous catalysts are bound. The present invention also provides a method of manufacturing a metal oxide nanotube in which a nano-sized heterogeneous catalyst is bound.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 금속유기구조체는 금속이온과 유기물 리간드가 결합하여 이루어진 다공성 물질로, 금속이온과 유기물 리간드의 종류에 따라 다양한 구조를 가지고 있다. 일반적으로 금속유기구조체는 내부가 비어있는 중공구조의 형태로, 내부 기공의 크기는 금속유기구조체의 종류에 따라 0.5 nm ?? 30 nm 정도의 다양한 크기를 갖게 된다. 이러한 단위 금속유기구조체들이 모여 0 nm 에서 500 nm 크기에 이르는 금속유기구조 분자체를 형성하게 된다. 대표적인 금속유기구조체는, ZIF-1, ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIF-5, ZIF-6, ZIF-7, ZIF-8, ZIF-9, ZIF-10, ZIF-11, ZIF-12, ZIF-22, ZIF-65, ZIF-69, ZIF-71, ZIF-78, ZIF-90, ZIF-95, ZIF-9-67, SIM-1 등이 있으며, 금속유기구조체를 형성할 수 있는 대표적인 금속 염은, Zn4O(CO2)6, Zn3O(CO2)6, Cr3O(CO2)6, In3O(CO2)6, Ga3O(CO2)6, Cu2O(CO2)4, Zn2O(CO2)4, Fe2O(CO2)4, Mo2O(CO2)4, Cr2O(CO2)4, Co2O(CO2)4, Ru2O(CO2)4, Zr6O4(OH4), Zr6O4(CO2)12, Zr6O8(CO2)8, In(C5HO4N2)4, Na(OH)2(SO3)3, Cu2(CNS)4, Zn(C3H3N2)4, Ni4(C3H3N2)8, Zn3O3(CO2)3, Mg3O3(CO2)3, Co3O3(CO2)3, Ni3O3(CO2)3, Mn3O3(CO2)3, Fe3O3(CO2)3, Cu3O3(CO2)3, Al(OH)(CO2)2, VO(CO2)2, Zn(NO3)2, Zn(O2CCH3), Co(NO3)2, Co(O2CCH3) 등이 있다. 또한 금속유기구조체를 형성할 수 있는 대표적인 유기물 리간드들은, oxalic acid, fumaric acid, H2BDC, H2BDC-Br, H2BDC-OH, H2BDC-NO2, H2BDC-NH2, H4DOT, H2BDC-(Me)2, H2BDC-(Cl)2, H2BDC-(COOH)2, H2BDC-(OC3H5)2, H2BDC-(OC7H7)2, H3BTC, H3BTE, H3BBC, H4ATC, H3THBTS, H3ImDC, H3BTP, DTOA, H3BTB, H3TATB, H4ADB, TIPA, ADP, H6BTETCA, DCDPBN, BPP34C10DA, Ir(H2DPBPyDC)(PPy)2
+, H4DH9PhDC, H4DH11PhDC, H6TPBTM, H6BTEI, H6BTPI, H6BHEI, H6BTTI, H6PTEI, H6TTEI, H6BNETPI, H6BHEHPI, HMeIM 등이 있다. 상기에서 언급된 금속이온과 유기물 리간드는 용매열합성, 수열합성, 마이크로파합성, 초음파합성, 기계화학합성, 드라이-젤 합성(dry-gel conversion), 용매최소화합성, 전기화학합성, 미세유체합성 등의 과정을 통해 금속유기구조체를 형성하게 되며, 금속이온과 유기물 리간드의 종류에 따라 금속유기구조체의 구조, 분자체 크기, 기공 크기, 내부 중공 크기 등을 조절할 수 있는 특징을 가지고 있다. In the step (a), the metal organic structure is a porous material formed by binding a metal ion and an organic ligand, and has various structures depending on the kind of the metal ion and the organic ligand. In general, the metal organic structure is in the form of a hollow structure having an internal void, and the size of the internal pore is 0.5 nm depending on the type of the metal organic structure. And have various sizes of about 30 nm. These unit metal organic structures aggregate to form metal organic structure molecular sieves ranging from 0 nm to 500 nm in size. Representative metal organic structures include ZIF-1, ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIF-5, ZIF-6, ZIF-7, ZIF- ZIF-12, ZIF-22, ZIF-65, ZIF-69, ZIF-71, ZIF-78, ZIF-90 and ZIF-95. typical metal salts capable of will, Zn 4 O (CO 2) 6, Zn 3 O (CO 2) 6, Cr 3 O (CO 2) 6, in 3 O (CO 2) 6, Ga 3 O (
또한, 상기 (b) 단계는 금속유기구조체 내부 중공구조에 금속이온들을 확산시키고 주입된 금속이온들을 환원제를 활용하여 환원시킴으로써, 나노입자 촉매가 내장된 금속유기구조체를 형성할 수 있는 특징을 가지고 있다. 금속유기구조체의 특이한 다공성 중공구조로 인하여, 내장되는 나노입자들의 크기는 금속염 전구체의 정량을 조절함으로써 0.1 nm ?? 10 nm 범위에서 조절이 가능하다. 또한, 나노입자들이 서로 다른 단위 금속유기구조체의 내부에 결착되기 때문에, 금속유기구조체 내부에 응집 없이 고르게 잘 분산되어 있다는 특징을 가진다. 금속유기구조체 내부에 치환될 수 있는 금속 염(salt)의 종류와 형태는 매우 다양할 수 있으며, 대표적인 염 형태의 촉매는, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, Iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, Platinum(IV) chloride, Platinum(II) acetate, Gold(I, III) chloride, Gold(III) acetate, Silver chloride, Silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate 등이 있으며, 금속이온을 포함하는 염의 형태라면 특별한 금속염의 종류에 제한을 두지 않는다. In the step (b), metal ions are diffused into the hollow structure inside the metal organic structure, and the metal ions injected are reduced using a reducing agent, thereby forming a metal organic structure with a nanoparticle catalyst embedded therein . Due to the unique porous hollow structure of the metal organic structure, the size of the embedded nanoparticles can be controlled to 0.1 nm by controlling the quantification of the metal salt precursor. Adjustable in the 10 nm range. In addition, since the nanoparticles bind to different unit metal organic structures, they are uniformly dispersed in the metal organic structure without agglomeration. Ruthenium (III) chloride, ruthenium acetate, iridium (III) chloride, iridium acetate, and the like can be used as the typical salt type catalysts. (III) chloride, Palladium (II) chloride, Copper (II) nitrate, Copper (II) chloride, Cobalt (II) nitrate, Cobalt (II) acetate, Lanthanum (III) nitrate, Lanthanum (III) acetate, Silver (III) acetate, Silver chloride, Silver acetate, Iron (III) chloride, Iron (III) acetate, Nickel (II) chloride, Nickel II) acetate, and there is no restriction on the kind of a metal salt if it is in the form of a salt containing a metal ion.
또한, 상기 (c) 단계는 나노입자 촉매가 결착된 금속유기구조체와 금속산화물 전구체, 그리고 고분자를 포함하는 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매/금속유기구조체/고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 합성하는 단계이다. 상기 (b) 단계에서 합성된 나노입자 촉매가 결착된 금속유기구조체의 우수한 분산성 때문에, 상기 복합 나노섬유의 내부 및 표면에 나노입자/금속유기구조체들이 균일하게 분포되는 특징을 가질 수 있다. 전기방사를 진행하기 위해서는, 나노섬유를 용이하게 형성하기 위한 템플릿(template)으로 작용하는 고분자와 금속 전구체를 용매에 녹여 방사용액을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐아세테이트(PVAc), 폴리비닐알콜(PVA), 폴미아크릴로니트릴(PAN), 폴리에틸렌 옥사이드(polypropylene oxide, PEO), 폴리프로필렌옥사이드(polypropylene oxide, PPO), 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리염화비닐(polyvinylchloride, PVC), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리비닐풀루오라이드(polyvinylidene fluoride) 등이 있으며, 대표적인 금속염으로는 금속염들이 포함된 아세테이트, 클로라이드, 아세틸아세토네이트, 나이트레이트, 메톡시드, 에톡시드, 부톡시드, 이소프로폭시드, 설파이드 등의 형태를 포함한다. 또한, 상기 (b) 단계에서 제조된 나노입자 촉매가 내장된 금속유기구조 분자체를 전기방사 용액에 첨가하여 전기방사 용액을 제조할 수 있다. 전기방사 용액을 제조할 경우, 나노입자 촉매가 결착된 금속유기구조체의 농도는 0.01 wt% ?? 2 wt% 의 범위에서 다양하게 조절 될 수 있다. 금속유기구조 분자체의 농도에 따라 금속산화물 나노튜브에 포함된 나노 크기의 이종촉매의 함량이 조절되게 된다. In the step (c), nanofiber catalyst / metal organic structure / polymer / metal oxide precursor composite nanofiber is synthesized by electrospinning a solution containing a metal organic structure, a metal oxide precursor and a polymer bound with a nanoparticle catalyst . The nanoparticle / metal organic structures may be uniformly distributed on the inside and the surface of the composite nanofiber due to the excellent dispersibility of the metal organic structure bound to the nanoparticle catalyst synthesized in the step (b). In order to proceed with electrospinning, a spinning solution can be prepared by dissolving a polymer and a metal precursor serving as a template for easily forming nanofibers in a solvent. Specifically, the polymer may be selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl acetate (PVAc), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile (PAN), polypropylene (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide copolymer, polypropylene oxide copolymer, polycarbonate (PC), polyvinylchloride (PVC), polycaprolactone, And polyvinylidene fluoride. Representative metal salts include metal salts such as acetate, chloride, acetylacetonate, nitrate, methoxide, ethoxide, butoxide, isopropoxide, and sulfide . Also, the electrospun solution may be prepared by adding the metal organic structure molecular sieve having the nanoparticle catalyst prepared in the step (b) to the electrospinning solution. When preparing an electrospinning solution, the concentration of the metal organic structure to which the nanoparticle catalyst is bound is 0.01 wt% ?? 2 wt%. ≪ / RTI > The content of the nano-sized heterogeneous catalyst contained in the metal oxide nanotubes is controlled according to the concentration of the metal organic structure molecular sieve.
또한, 상기 (d) 단계에서는 최종적으로 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브를 합성하기 위해 빠른 승온속도의 고온 열처리를 진행하는 단계이다. 400??800 ㅀC의 고온 열처리 과정을 통하여 나노입자 촉매/금속유기구조체/고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 구성하는 고분자 및 유기물 리간드는 분해되어 제거되고, 금속유기구조체의 금속이온과 금속산화물 전구체는 각기 제1금속산화물과 제2금속산화물로 산화 및 결정화 과정을 거치게 된다. 이 때 빠른 승온속도(10 ㅀC/분)로 열처리를 진행하게 되면, 나노섬유 표면의 금속염은 산화 및 결정화가 이루어져 제 2금속산화물을 형성하게 되고 내부의 금속염은 산화되지 않게 되는데, 이 때 제2금속산화물과 금속 전구체의 확산 속도의 차이로 인해 커켄달 효과(Kirkendall effect)로 내부에 빈 공간을 형성하게 되고, 최종적으로 나노튜브 구조를 형성하게 된다. 따라서 빠른 승온 속도의 열처리 과정을 통해, 최종적으로 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 입자들이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브 구조를 형성할 수 있다. 이때 제 1 금속산화물은 금속유기구조체를 구성하는 금속이온이 산화되면서 형성된 금속산화물을 의미하며, 제 2 금속산화물은 전기방사용액에 포함된 금속산화물 전구체가 산화되면서 형성된 금속산화물을 의미한다. In the step (d), a high-temperature heat treatment at a rapid heating rate is performed to synthesize the metal oxide nanotubes finally bonded with the nano-sized heterogeneous catalyst. Through the high-temperature heat treatment process of 400 ° C to 800 ° C, the polymer and organic ligands constituting the nanoparticle catalyst / metal organic structure / polymer / metal oxide precursor composite nanofiber are decomposed and removed, and the metal ion and the metal oxide The precursor is oxidized and crystallized by the first metal oxide and the second metal oxide, respectively. At this time, if the heat treatment is performed at a rapid heating rate (10 ㅀ C / min), the metal salt on the surface of the nanofiber is oxidized and crystallized to form a second metal oxide, and the inner metal salt is not oxidized. 2 Due to the difference in the diffusion rate between the metal oxide and the metal precursor, a Kirkendall effect forms an empty space in the inside and finally forms a nanotube structure. Accordingly, the first metal oxide particles including the nanoparticle catalyst can be uniformly bound to the surface of the second metal oxide nanotube through a heat treatment process at a rapid heating rate to form a functionalized metal oxide nanotube structure. Here, the first metal oxide means a metal oxide formed by oxidizing the metal ions constituting the metal organic structure, and the second metal oxide means the metal oxide formed by oxidizing the metal oxide precursor included in the electrolytic solution.
또한 여기서, 상기 (e) 단계에서는, 상기 (d) 단계에서 얻어진 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브들을 용매에 분산시킨 후, 분산용액을 미리 준비된 센서 전극(평행한 금 전극이 패턴된 알루미나(Al2O3) 절연체 기판) 위에 드랍 코팅(drop coating), 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯(ink-jet) 프린팅(printing), 디스펜싱(dispensing) 등과 같은 코팅 공정법을 이용하여, 코팅하는 단계일 수 있다. 센서기판 위에 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브를 균일하게 코팅할 수 있는 방법이라면, 특별히 코팅방법에 제약을 두지는 않는다. Also, in the step (e), the metal oxide nanotubes bound to the nano-sized heterogeneous catalyst obtained in the step (d) are dispersed in a solvent, and then the dispersion solution is applied to the sensor electrode A coating process such as drop coating, spin coating, ink-jet printing, dispensing, or the like is performed on an alumina (Al 2 O 3 ) , And coating. If the method of uniformly coating metal oxide nanotubes with nano-scale heterogeneous catalysts on the sensor substrate is not particularly restricted, the coating method is not restricted.
또한 여기서, 상기 (f) 단계는, 상기 (e) 단계에서 합성된 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브 구조를 가지는 센서에서 서로 다른 나노입자 촉매와 서로 다른 제1금속산화물의 이종촉매가 결착된 서로 다른 제2금속산화물 나노튜브의 조합으로 다종의 나노입자 촉매/제1금속산화물/ 제2금속산화물 나노튜브 감지소재를 포함하는 2종류 이상의 복합 감지소재 어레이 센서를 구성할 수 있다. In addition, the step (f) may further include the step of separating the nano-sized particles of the first metal oxide, which is different from the nanoparticle catalyst of the metal oxide nanotube structure, A second metal oxide nanotube, and a second metal oxide nanotube, wherein the second metal oxide nanotube is combined with the first metal oxide nanotube catalyst / first metal oxide / second metal oxide nanotube sensing material.
상기 제작된 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브 구조에서 나노입자 촉매는 0.1??10 nm의 크기 범위에서 정해질 수 있으며, 금속유기구조체 기반 제1금속산화물의 크기는 50??500 nm의 크기 범위에서 정해질 수 있으며, 제2금속산화물 나노튜브의 직경과 길이는 각기 100 nm ?? 5 μm, 500 nm ?? 10 μm 의 길이 범위에서 정해 질 수 있다. In the metal oxide nanotube structure in which the prepared nanoscale heterogeneous catalyst is bound, the nanoparticle catalyst can be defined in a size range of 0.1-10 nm, and the size of the first metal oxide based on the metal organic structure is 50-500 nm, and the diameters and lengths of the second metal oxide nanotubes are each 100 nm. 5 μm, 500 nm ?? It can be defined in the length range of 10 μm.
또한, 상기의 제조법으로 만들어진 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 이종촉매가 결착된 제2금속산화물 나노튜브 감지소재에서 나노입자 촉매의 중량 비율은 제1금속산화물, 제2금속산화물 나노튜브의 중량 대비 각각 0.001 wt% ?? 25 wt%, 0.01 wt% ?? 2 wt%의 범위에서 선택될 수 있다. In addition, the weight ratio of the nanoparticle catalyst in the second metal oxide nanotube sensing material bonded with the first metal oxide heterogeneous catalyst comprising the nanoparticle catalyst made by the above-mentioned manufacturing method may be a ratio of the weight ratio of the first metal oxide, the second metal oxide nanotube 0.001 wt% respectively. 25 wt%, 0.01 wt% ?? 2 wt%.
여기서 상기 제작된 감지소재의 경우 10 nm 이하의 미세한 나노입자 촉매가 결착된 제1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 기능화되어 다중 이종접합(hetero-junction)을 형성하기 때문에, 가스가 쉽게 감지소재 내부 및 외부로 확산되어 반응할 수 있으며, 이종 촉매의 특성이 극대화될 수 있다는 특징을 가지고 있다. 따라서, 대기 환경 및 사람의 날숨 속에 존재하는 극 미량의 특정 가스를 선택적으로 빠르게 감지할 수 있다.In this case, the first metal oxide bound to the fine nanoparticle catalyst having a diameter of 10 nm or less is uniformly functionalized on the surface of the second metal oxide nanotube to form a hetero-junction, The gas can easily diffuse into and out of the sensing material, and the characteristic of the heterogeneous catalyst can be maximized. Therefore, it is possible to selectively and rapidly detect a very small amount of specific gas present in the atmospheric environment and human exhalation.
본 발명에 따르면, 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체를 전기방사 용액에 함께 분산시켜, 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 이종촉매가 기능화된 제2금속산화물 나노튜브 감지소재를 합성하는 경우, 나노입자 촉매가 전자적 혹은 화학적 증감 효과를 제공하고, 나노입자 촉매, 제1금속산화물, 제2금속산화물이 다수의 이종접합을 형성하여 신규한 물질특성을 보일 뿐만 아니라, 1차원 나노튜브 구조를 통해 가스가 쉽게 감지소재 내부로 확산하여 감지소재 내부 및 외부의 이종촉매와 반응할 수 있는, 우수한 감도와 선택성을 갖는 나노튜브 감지소재를 제조할 수 있다. 특히 다양한 조합의 나노입자 촉매/ 제1금속산화물/제2금속산화물 복합 나노튜브를 형성하게 됨으로써, 다종 가스 센서 어레이의 제조에 있어서, 우수한 선택성을 갖는 라이브러리를 제공할 수 있다. 또한, 금속유기구조체 기반의 다공성 제1금속산화물 내부에 나노입자 촉매가 결착되고, 이들 이종촉매가 제2금속산화물 나노튜브 표면에 균일하게 분산되어 있기 때문에, 고온의 구동온도에서도 촉매입자 간의 응집이 없기 때문에 매우 우수한 촉매효과를 기대할 수 있어, 장수명, 고감도, 고선택성의 우수한 감지 특성을 가지는 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조방법을 개시할 수 있는 효과를 갖는다. According to the present invention, when a metal organic structure including a nanoparticle catalyst is dispersed together in an electrospinning solution to synthesize a second metal oxide nanotube sensing material functionalized with a first metal oxide heterogeneous catalyst containing a nanoparticle catalyst , Nanoparticle catalysts provide electronic or chemical sensitization effects, and nanoparticle catalysts, first metal oxides and second metal oxides form a number of heterogeneous junctions, exhibiting novel material properties, and having a one-dimensional nanotube structure It is possible to manufacture a nanotube sensing material having excellent sensitivity and selectivity that can easily react with a heterogeneous catalyst both inside and outside the sensing material by diffusing gas easily into the sensing material. In particular, by forming various combinations of nanoparticle catalyst / first metal oxide / second metal oxide composite nanotubes, it is possible to provide a library having excellent selectivity in the production of multiple gas sensor arrays. In addition, since the nanoparticle catalyst is bound to the porous first metal oxide based on the metal organic structure and the heterogeneous catalyst is uniformly dispersed on the surface of the second metal oxide nanotube, It is possible to expect a very excellent catalytic effect, and it has the effect of being able to disclose a member for a gas sensor, a gas sensor and a manufacturing method thereof, which have excellent sensing characteristics such as long life, high sensitivity and high selectivity.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매가 결착된 제1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 분산되어 기능화된 금속산화물 나노튜브 가스센서용 부재의 모식도.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매가 결착된 제1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 분산되어 기능화된 금속산화물 나노튜브 구조를 이용한 가스 센서 제조 방법의 순서도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법 및 열처리 과정을 통해 나노입자 촉매가 결착된 제1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 분산되어 기능화된 금속산화물 나노튜브 구조의 제조 공정을 보여주는 그림이다.
도 4 는 본 발명의 실시예1에 따른 Pd 나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체(ZIF-8)의 주사전자현미경 사진이다.
도 5 는 본 발명의 실시예1에 따른 Pd 나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체(ZIF-8)의 투과전자현미경 사진들이다.
도 6 은 본 발명의 실시예2에 따른 전기방사 후 얻어진 Pd나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체/폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진이다.
도7은 본 발명의 실시예 2에 따른 열처리 후에 얻어진 PdO 나노입자 촉매를 포함하는 ZnO가 결착된 SnO2 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다.
도8은 본 발명의 실시예 2에 따른 열처리 후에 얻어진 PdO 나노입자 촉매를 포함하는 ZnO가 결착된 SnO2 나노튜브의 투과전자현미경 사진 및 성분분석 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예 1을 통하여 제작된 제조된 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착되지 않은SnO2 나노튜브의 주사전자현미경 사진이다.
도10은 본 발명의 비교예 2을 통하여 제작된 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착되지 않은SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진이다.
도 11 은 본 발명의 실험예 1로서, 실시예 2및 비교예 1, 2에 따른 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브, SnO2 나노튜브, 그리고 SnO2 나노섬유 기반 가스센서의 400 ㅀC에서 아세톤 가스(0.1??5 ppm)에 대한 반응성 그래프이다.
도 12 은 본 발명의 실험예 1로서, 실시예 2및 비교예1, 2에 따른 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브, SnO2 나노튜브, 그리고 SnO2 나노섬유 기반 가스 센서의 400 ㅀC에서 아세톤의 농도가 1, 2, 3, 4, 5 ppm 일 때 가스센서의 반응속도 및 회복속도에 대한 특성 평가 결과이다.
도 13 은 본 발명의 실험예 1로서, 실시예 2 에 따른 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브 기반 가스센서의 400 ㅀC에서의 1 ppm의 감지 물질들(아세톤, 황화수소, 톨루엔, 일산화탄소, 펜탄, 암모니아)에 대한 감도 특성이다.
도 14 은 본 발명의 실험예 1로서, 실시예 2 에 따른 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브 기반 가스센서의 400 ㅀC에서의 아세톤 1 ppm에 대한 반복적인 감도 측정 결과이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is a schematic view of a member for a metal oxide nanotube gas sensor in which a first metal oxide on which a nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention is bound is uniformly dispersed on a surface of a second metal oxide nanotube.
2 is a flow chart of a method of manufacturing a gas sensor using a metal oxide nanotube structure in which a first metal oxide on which a nanoparticle catalyst according to an embodiment of the present invention is bound is uniformly dispersed on a surface of a second metal oxide nanotube to be.
FIG. 3 is a graph showing the results of the electrospinning and heat treatment of the metal oxide nanotube structure of the present invention, in which the first metal oxide on which the nanoparticle catalyst is bound is uniformly dispersed on the surface of the second metal oxide nanotube This figure shows the manufacturing process.
4 is a scanning electron micrograph of a Zn-based metal organic structure (ZIF-8) comprising a Pd nanoparticle catalyst according to Example 1 of the present invention.
5 is a transmission electron micrograph of a Zn-based metal organic structure (ZIF-8) comprising a Pd nanoparticle catalyst according to Example 1 of the present invention.
6 is a scanning electron microscope and transmission electron micrograph of a Zn-based metal organic structure / polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofiber comprising a Pd nanoparticle catalyst obtained after electrospinning according to Example 2 of the present invention .
FIG. 7 is a scanning electron microscope (SEM) image of a ZnO-bound SnO 2 nanotube containing a PdO nanoparticle catalyst obtained after heat treatment according to Example 2 of the present invention.
8 is a transmission electron microscope photograph and a component analysis photograph of SnO 2 nanotubes bonded with ZnO containing a PdO nanoparticle catalyst obtained after heat treatment according to Example 2 of the present invention.
9 is a scanning electron microscope (SEM) image of SnO 2 nanotubes prepared through Comparative Example 1 of the present invention in which the prepared metal organic structure-based heterogeneous catalyst is not bound.
FIG. 10 is a scanning electron microscope (SEM) image of a SnO 2 nanofiber without metal-organic structure-based heterogeneous catalyst prepared according to Comparative Example 2 of the present invention.
11 is a graph showing the results of Experimental Example 1 of the present invention showing SnO 2 nanotubes, SnO 2 nanotubes, and SnO 2 nanotubes bonded with ZnO-based heterogeneous catalysts containing PdO nanoparticle catalysts according to Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 It is a graph of reactivity of the fiber-based gas sensor to acetone gas (0.15 ppm) at 400 ° C.
12 is a graph showing the results of Experimental Example 1 of the present invention showing SnO 2 nanotubes, SnO 2 nanotubes, and SnO 2 nanotubes bonded with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing PdO nanoparticle catalyst according to Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 The results of the characterization of reaction speed and recovery speed of gas sensor when the concentration of acetone is 1, 2, 3, 4, 5 ppm at 400 ㅀ C of fiber based gas sensor.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the concentration of 1 ppm of the sensing materials at 400 ° C of a SnO 2 nanotube-based gas sensor bonded with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing PdO nanoparticle catalyst according to Example 2 Acetone, hydrogen sulfide, toluene, carbon monoxide, pentane, ammonia).
FIG. 14 is a graph showing the results of
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another Is used.
이하, 금속유기구조체를 이용해 합성한 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 이종촉매들이 제2금속산화물 나노튜브의 포면에 균일하게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다. Hereinafter, the first metal oxide heterogeneous catalysts including the nanoparticle catalyst synthesized using the metal organic structure are bonded to the surface of the second metal oxide nanotube uniformly to form a member for a gas sensor using functionalized metal oxide nanotubes, And a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 금속유기구조체를 이용하여 0.1 nm ?? 10 nm 크기범위를 가지는 나노입자 촉매들이 내장된 50 nm 내지500 nm 크기의 금속유기구조체를 합성하고, 상기 나노입자 촉매가 내장된 금속유기구조체를 금속산화물 전구체/고분자 혼합 방사용액과 혼합한 후 전기방사를 수행하여, 나노입자 촉매가 포함된 금속유기구조체를 금속유기구조체를 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유 표면 및 내부에 균일하게 결착되게 하였다. 그리고 빠른 승온 속도의 고온 열처리 과정을 통해 금속유기구조체의 유기물 리간드를 제거함과 동시에 나노섬유를 구성하는 고분자 또한 제거시키면서 나노튜브 구조를 형성함으로써, 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 이종촉매들이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 기능화된 가스센서용 감지소재를 대량으로 합성할 수 있었다.
Embodiments of the present invention use a metal organic structure to provide 0.1 nm ?? A metal organic structure having a size of 50 nm to 500 nm with nanoparticle catalysts having a size range of 10 nm to 10 nm is synthesized and the metal organic structure with the nanoparticle catalyst is mixed with a metal oxide precursor / Spinning was performed so that the metal organic structure containing the nanoparticle catalyst was uniformly bound to the surface and inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber. In addition, by removing the organic ligand of the metal organic structure and removing the polymer constituting the nanofibers, the nanotube structure is formed through the high-temperature heat treatment at a rapid heating rate, so that the first metal oxide heterogeneous catalysts including the
여기서 나노입자 촉매들이 제1금속산화물네 아주 작은 크기로 균일하게 분포되어 있어, 가스들이 감지소재와 반응할 때 나타나는 촉매의 효과를 극대화하며, 고온의 구동 온도에서도 서로 응집하지 않고 안정적으로 감지특성을 증대시켰다. 또한, 금속유기구조체의 금속이온과 금속산화물 전구체가 각각 산화되어 형성되는 제1금속산화물과 제2금속산화물 나노튜브 간의 이종접합은 단일 금속산화물일 때의 물성이 아닌 새로운 특성이 발현되어, 기존에 사용되던 단일종 금속산화물 감지소재의 특성을 뛰어 넘는 감응도를 보였다. 또한, 나노튜브 구조의 표면에 촉매를 결착시킴으로써, 가스가 용이하게 감지소재 내부와 외부로 확산하여 표면반응을 일으키게 되어, 획기적인 감도의 증대를 가져왔다. 상기와 같은 특징을 갖는 가스센서용 부재를 제작하기 위하여 효율적이고 손 쉬운 공정으로 가스 센서용 부재, 가스 센서 및 그 제조 방법을 구현하는 것을 특징으로 한다. Here, the nanoparticle catalysts are uniformly distributed in the very small size of the first metal oxide particles, maximizing the effect of the catalyst when the gases react with the sensing material, . The heterogeneous bonding between the first metal oxide and the second metal oxide nanotube formed by oxidizing the metal ion of the metal organic structure and the metal oxide precursor respectively exhibits new properties rather than physical properties when the metal oxide is a single metal oxide, The sensitivity of the single species metal oxide sensing material was exceeded. Also, by binding the catalyst to the surface of the nanotube structure, the gas easily diffuses into and out of the sensing material to cause a surface reaction, resulting in a dramatic increase in sensitivity. A gas sensor member, a gas sensor, and a manufacturing method thereof are implemented in an efficient and easy process for manufacturing a gas sensor member having the above characteristics.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자 촉매(121)가 포함된 제1금속산화물(122)가 제2금속산화물(123) 표면에 균일하게 기능화된 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브(110)를 이용한 가스센서용 부재(100)의 모식도를 도시하고 있다. 0.1??10 nm 크기의 아주 작은 나노입자 촉매가 포함된 제1금속산화물가 튜브 구조의 제2금속산화물에 결착되어, 다중 이종접합을 형성하게 되어 우수한 가스 감지 특성을 보이는 것을 특징으로 한다.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
상기의 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재(100)를 이용하여 특정 가스에 대해 높은 감도와 선택성을 지닌 센서를 구현함으로써, 인체의 날숨 속의 생체지표 가스를 감지하여 인체의 질병을 조기에 진단할 수 있으며, 대기 속의 유해 가스들을 모니터링할 수 있는 환경센서로도 응용이 가능하다. 또한, 나노튜브에 결착되는 이종촉매의 양을 정량적으로 조절하여 효과적으로 촉매특성을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 종류의 나노입자 촉매/제1금속산화물/제2금속산화물 복합 나노튜브 감지소재 합성을 통해, 다종의 가스 센서용 부재를 쉽고 빠르게 제작할 수 있다는 장점도 가질 수 있다.By implementing the sensor having high sensitivity and selectivity with respect to a specific gas by using the
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재의 제조 방법의 순서도를 보여주고 있다. 도 2 의 순서도에서 보여지다시피, 가스센서용 부재의 제조 방법은, 금속유기구조체를 합성하는 단계(S210), 합성된 금속유기구조체 내부에 나노입자 촉매를 결착하는 단계(S220), 상기에서 제조된 나노입자 촉매가 내장된 금속유기구조체를 금속산화물 전구체/고분자 전기방사 용액에 첨가하여 혼합용액을 제작하는 단계(S230), 상기에서 제조된 혼합용액을 전기방사 장비를 이용하여 나노입자 촉매가 포함된 금속유기구조체가 균일하게 결착되어 있는 고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 제작하는 단계(S240), 그리고 빠른 승온 속도의 고온 열처리 과정을 통해 나노입자 촉매를 포함하는 제 1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 결착하여 기능화된 금속산화물 나노튜브를 제작하는 단계(S250)를 포함하여 구성될 수 있다. 하기에서는 상기의 각 단계에 대한 보다 상세히 설명한다. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a member for a gas sensor using metal oxide nanotubes bonded with a nano-sized heterogeneous catalyst according to an embodiment of the present invention. As shown in the flowchart of FIG. 2, the method for manufacturing the gas sensor member includes synthesizing a metal organic structure (S210), binding the nanoparticle catalyst inside the synthesized metal organic structure (S220) (S230) of preparing a mixed solution by adding a metal organic precursor / nanoparticle catalyst-containing metal organic structure to a metal oxide precursor / polymer electrospinning solution (S230). The nanoparticle catalyst is contained Metal oxide precursor composite nanofiber having uniformly bound metal organic structure (S240), and a step of subjecting the first metal oxide including the nanoparticle catalyst to a second metal And forming the functionalized metal oxide nanotube by uniformly binding to the surface of the oxide nanotube (S250). Each of the above steps will be described in more detail below.
우선적으로, 금속유기구조체를 합성하는 단계(S210)을 살펴본다. 본 단계(S210)에서 사용되는 금속유기구조체는 금속이온들과 유기물 리간드들이 결합하여 이루어진 다공성 물질로 종류에 따라 다양한 구조를 가지고 있다. 대표적인 금속유기구조체로는 ZIF-1, ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIF-5, ZIF-6, ZIF-7, ZIF-8, ZIF-9, ZIF-10, ZIF-11, ZIF-12, ZIF-22, ZIF-65, ZIF-69, ZIF-71, ZIF-78, ZIF-90, ZIF-95, ZIF-9-67, SIM-1 등이 있으며, 내부 중공에 금속 이온을 내장할 수 있는 금속유기구조체면 특정 금속유기구조체에 제한을 두지 않는다. 또한, 금속유기구조체를 형성하기 위해 사용되는 금속 염으로는Zn4O(CO2)6, Zn3O(CO2)6, Cr3O(CO2)6, In3O(CO2)6, Ga3O(CO2)6, Cu2O(CO2)4, Zn2O(CO2)4, Fe2O(CO2)4, Mo2O(CO2)4, Cr2O(CO2)4, Co2O(CO2)4, Ru2O(CO2)4, Zr6O4(OH4), Zr6O4(CO2)12, Zr6O8(CO2)8, In(C5HO4N2)4, Na(OH)2(SO3)3, Cu2(CNS)4, Zn(C3H3N2)4, Ni4(C3H3N2)8, Zn3O3(CO2)3, Mg3O3(CO2)3, Co3O3(CO2)3, Ni3O3(CO2)3, Mn3O3(CO2)3, Fe3O3(CO2)3, Cu3O3(CO2)3, Al(OH)(CO2)2, VO(CO2)2, Zn(NO3)2, Zn(O2CCH3), Co(NO3)2, Co(O2CCH3) 등이 있고, 유기물 리간드들은, oxalic acid, fumaric acid, H2BDC, H2BDC-Br, H2BDC-OH, H2BDC-NO2, H2BDC-NH2, H4DOT, H2BDC-(Me)2, H2BDC-(Cl)2, H2BDC-(COOH)2, H2BDC-(OC3H5)2, H2BDC-(OC7H7)2, H3BTC, H3BTE, H3BBC, H4ATC, H3THBTS, H3ImDC, H3BTP, DTOA, H3BTB, H3TATB, H4ADB, TIPA, ADP, H6BTETCA, DCDPBN, BPP34C10DA, Ir(H2DPBPyDC)(PPy)2 +, H4DH9PhDC, H4DH11PhDC, H6TPBTM, H6BTEI, H6BTPI, H6BHEI, H6BTTI, H6PTEI, H6TTEI, H6BNETPI, H6BHEHPI, HMeIM 등이 사용된다. 이 중 상기에서 언급된 중공 구조의 금속유기구조체를 만들 수 있다면, 특정 금속이온 및 유기물 리간드에 제한을 두지 않는다. 상기에서 언급된 금속이온과 유기물 리간드들은 실온합성법, 수열합성법, 용매열합성법, 이온열합성법, 초음파화학합성법, 용매최소화합성법, 기계화학합성법 중 적어도 하나의 합성 방법을 이용하여 금속유기구조체를 합성하게 된다.First, a step S210 of synthesizing a metal organic structure will be described. The metal organic structure used in this step S210 is a porous material formed by combining metal ions and organic ligands, and has various structures depending on the type. Representative metal organic structures include ZIF-1, ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIF-5, ZIF-6, ZIF-7, ZIF- ZIF-12, ZIF-22, ZIF-65, ZIF-69, ZIF-71, ZIF-78, ZIF- Metallic Organic Structures that Can Embed No limitations are placed on specific metal organic structures. Further, the metal salt used to form the metal organic structure Zn 4 O (CO 2) 6 , Zn 3 O (CO 2) 6, Cr 3 O (CO 2) 6, In 3 O (CO 2) 6 , Ga 3 O (CO 2) 6, Cu 2 O (CO 2) 4, Zn 2 O (CO 2) 4, Fe 2 O (CO 2) 4, Mo 2 O (CO 2) 4, Cr 2 O ( CO 2) 4, Co 2 O (CO 2) 4, Ru 2 O (CO 2) 4, Zr 6 O 4 (OH 4), Zr 6 O 4 (CO 2) 12, Zr 6 O 8 (CO 2) 8, In (C 5 HO 4 N 2) 4, Na (OH) 2 (SO 3) 3, Cu 2 (CNS) 4, Zn (C 3 H 3 N 2) 4, Ni 4 (C 3 H 3 N 2 ) 8, Zn 3 O 3 (CO 2 ) 3 , Mg 3 O 3 (CO 2) 3, Co 3 O 3 (CO 2) 3, Ni 3 O 3 (CO 2) 3, Mn 3 O 3 (CO 2) 3, Fe 3 O 3 (CO 2) 3, Cu 3 O 3 (CO 2) 3, Al (OH) (CO 2) 2, VO (CO 2) 2, Zn (NO 3) 2, Zn (O 2 CCH 3), Co (NO 3) 2, Co (O 2 CCH 3) and the like, and organic ligands are, oxalic acid, fumaric acid, H 2 BDC, H 2 BDC-Br, H 2 BDC-OH, H 2 BDC-NO 2, H 2 BDC-NH 2, H 4 DOT, H 2 BDC- ( Me) 2, H 2 BDC- (Cl) 2, H 2 BDC- (COOH) 2, H 2 BDC- (OC 3 H 5) 2, H 2 BDC- (OC 7 H 7) 2, H 3 BTC , H 3 BTE, H 3 BBC, H 4 ATC, H 3 THBTS, H 3 ImDC, H 3 BTP, DTOA, H 3 BTB, H 3 TATB, H 4 ADB, TIPA, ADP , H 6 BTETCA, DCDPBN, BPP34C10DA , Ir (H 2 DPBPyDC) (PPy) 2 +, H 4 DH 9 PhDC, H 4 DH11PhDC, H 6 TPBTM, H 6 BTEI, H 6 BTPI, H 6 BHEI, H 6 BTTI , H 6 PTEI, H 6 TTEI, H 6 BNETPI, H 6 BHEHPI, and HMeIM. If the metal organic structure of the hollow structure mentioned above can be produced, there is no limitation on the specific metal ion and the organic ligand. The metal ions and the organic ligands mentioned above may be synthesized using at least one of the synthesis methods of room temperature synthesis, hydrothermal synthesis, solvent thermoassay, ion thermal synthesis, ultrasonic synthesis, solvent minimization synthesis, and mechanical chemical synthesis do.
이어서, 상기 합성된 금속유기구조체를 이용하여 나노입자 촉매를 합성하는 단계(S220)를 살펴본다. 상기에서 합성된 금속유기구조체의 내부 중공 구조 속으로 금속 염이 충분히 확산할 수 있도록 1시간에서 24시간 정도 금속 염이 녹아있는 용액 속에 금속유기구조체를 담가둔다. 이 때 용액 속 금속 염의 농도는 0.1 mg/ml ?? 200 mg/ml의 범위를 갖도록 하며, 용액 제조 시 사용되는 용매는 에탄올(ethanol), 탈이온수(DI-water), 클로로포름(chloroform), N,N'-디메틸포름아미드(N,N'-dimethylformamide), N,N'-디메틸아세트아미드(N,N'-dimethylacetamide), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone)과 같은 상용성 용매를 사용할 수 있으며, 금속 염이 용해가 가능한 용매이면 특정 용매에 제한을 두지 않는다. 여기서 단위 금속유기구조체의 중공 구조 내부에 합성될 수 있는 금속들은 이온형태로 존재하는 형태이면 특별한 제약을 두지 않는다. 구체적으로, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Cobalt(II) nitrate, Cobalt(II) acetate, Lanthanum(III) nitrate, Lanthanum(III) acetate, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride, Palladium(II) chloride 등이 있으며 이러한 전구체를 이용하여 Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga, Ge 등의 나노입자 촉매를 합성할 수 있다. 금속유기구조체 중공 구조 내부에 포함된 금속 염을 환원시켜주는 역할을 하는 환원제로는 소듐 보로하이드라이드(sodium borohydride, NaBH4)를 포함하여 포름산(formic acid, HCOOH), 옥살산(oxalic acid, C2H2O4), 리튬 알루미늄 하이드라이드(lithium aluminum hydride, LiAlH4) 등의 일반적으로 사용하는 환원제가 사용될 수 있으며, 금속 염을 환원시켜 금속 나노입자 촉매를 형성할 수 있는 환원제라면 특별한 제약 없이 사용될 수 있다. 환원제를 이용하여 금속유기구조체 내부의 금속 염을 환원시킨 용액은 원심분리를 통하여 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체를 걸러내게 된다. 금속유기구조체에 결착되는 나노입자 촉매의 크기는 전구체의 양을 조절하여 0.1 nm 내지 10 nm의 크기 범위에서 조절될 수 있으며, 각기 나노입자 촉매들이 금속유기구조체의 서로 다른 중공 구조에 결착되어 있기 때문에 서로 뭉치지 않고 잘 분산된다는 매우 큰 장점을 가지고 있다. 그리고 고온 열처리 과정을 통해, 금속유기구조체의 유기물 리간드는 제거되고 금속유기구조체의 금속 이온은 산화되며, 금속유기구조체에 내장된 나노입자 촉매들은 금속 또는 금속산화물로 바뀌는 특성을 가진다. 이때 산화가 잘 이루어지는 금속 입자의 경우 쉽게 금속산화물 입자로 바뀌게 된다. 상기 금속유기구조체의 금속이온이 산화되어 형성되는 금속산화물은 ZnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, CuO, In2O3, Co3O4, NiCo2O4, ZrO2, Cr3O4, MnO2, MgO 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 금속산화물로 구성될 수 있다.
Next, a step S220 of synthesizing a nanoparticle catalyst using the synthesized metal organic structure will be described. The metal organic structure is immersed in a solution containing the metal salt for 1 to 24 hours so that the metal salt can be sufficiently diffused into the hollow structure of the metal organic structure synthesized above. At this time, the concentration of the metal salt in the solution is 0.1 mg / ml ?? 200 mg / ml. The solvent used in the preparation of the solution is ethanol, deionized water (DI-water), chloroform, N, N'-dimethylformamide ), N, N'-dimethylacetamide, and N-methylpyrrolidone. If the metal salt is a soluble solvent, it may be dissolved in a specific solvent . Here, the metal that can be synthesized inside the hollow structure of the unit metal organic structure does not have any particular restriction as long as it exists in ionic form. (II) chloride, cobalt (II) acetate, lanthanum (III) nitrate, lanthanum (III) acetate, platinum (IV) chloride and platinum (II) chloride, nickel (II) acetate, ruthenium (III) chloride, iron (III) acetate, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Pd, and Pd are used as the precursors. Nanoparticle catalysts such as Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge can be synthesized. Metal organic structure The reducing agent that reduces the metal salt contained in the hollow structure includes sodium borohydride (NaBH 4 ), formic acid (HCOOH), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 and lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ) can be used. If the reducing agent is capable of forming a metal nanoparticle catalyst by reducing a metal salt, it can be used without any particular limitation . The solution in which the metal salt inside the metal organic structure is reduced using a reducing agent is filtered through centrifugation to filter the metal organic structure including the nanoparticle catalyst. The size of the nanoparticle catalyst bound to the metal organic structure can be controlled in the range of 0.1 nm to 10 nm by controlling the amount of the precursor and each nanoparticle catalyst is attached to different hollow structures of the metal organic structure It has a very big advantage that it is dispersed well without clumping. Through the high temperature heat treatment process, the organic ligand of the metal organic structure is removed, the metal ion of the metal organic structure is oxidized, and the nanoparticle catalyst embedded in the metal organic structure is converted into metal or metal oxide. In this case, metal particles that are well oxidized are easily converted into metal oxide particles. Metal oxides formed the metal ion of the metal-organic structure is oxidized is ZnO, Fe 2 O 3, Fe 3
이어서, 상기 합성된 금속유기구조체를 이용하여 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체/고분자/금속산화물 전구체 혼합 방사용액을 제작하는 단계(S230)에 대하여 살핀다. 본 단계(S230)에서는 상기 S220에서 제작된 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체를 활용하여, 이들이 균일하게 분산되어 있는 고분자/금속산화물 전구체 혼합 방사용액을 제조한다. 여기서, 용매는 N,N'-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, N,N'-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 탈이온수, 에탄올 등과 같은 상용성 용매를 사용할 수 있지만 금속산화물 전구체와 고분자를 동시에 용해시킬 수 있는 용매를 선택하여야 한다. 또한, 여기서 사용될 수 있는 고분자는 용매와 같이 녹을 수 있으며 고온 열처리를 통해 제거 될 수 있는 고분자라면 특정 고분자에 제한을 두지 않는다. 구체적으로, 사용될 수 있는 고분자로는 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴미아크릴로니트릴 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌 옥사이드 공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드 등과 같은 고분자들이 있다. 그리고, 본 단계에서 사용되는 금속산화물 전구체는 용매에 녹고 고온 열처리를 통하여 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, V2O5, Cr2O3, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0.3La0.57TiO3, LiV3O8, InTaO4, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7, Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 등과 같은 가스센서 특성이 있는 금속산화물을 형성할 수 있는 금속염을 포함하는 전구체라면 특정한 금속 염에 제약을 두지 않는다. 방사용액을 형성하기 위한 고분자와 금속산화물 전구체의 비율은 1:0.5에서 1:2 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다.Next, a step S230 of fabricating a mixed solution of the metal organic structure / polymer / metal oxide precursor including the nanoparticle catalyst synthesized using the synthesized metal organic structure will be described. In this step S230, the polymer / metal oxide precursor mixed spinning solution having the uniformly dispersed metal organic structure using the nanoparticle catalyst prepared in S220 is prepared. Here, the solvent may be a compatible solvent such as N, N'-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N, N'-dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, deionized water, ethanol, A solvent that can dissolve the polymer at the same time should be selected. In addition, the polymer which can be used here is not limited to a specific polymer if it is a polymer which can be dissolved together with a solvent and can be removed through a high-temperature heat treatment. Specifically, examples of the polymer that can be used include polymethyl methacrylate, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyethylene oxide copolymer, polypropylene oxide copolymer , Polycarbonate, polyvinyl chloride, polycaprolactone, polyvinyl fluoride, and the like. The metal oxide precursor used in this step is dissolved in a solvent and heated at a high temperature to form a precursor of ZnO, SnO 2 , WO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, TiO 2 , CuO, In 2 O 3 , Zn 2 Or a combination of two or more of SnO 4 , Co 3 O 4 , PdO, LaCoO 3 , NiCo 2 O 4 , Ca 2 Mn 3 O 8 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 4 O 7 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 O, Li 0.3 La 0.57 TiO 3 , LiV 3 O 8 , InTaO 4 , CaCu 3 Ti 4 O 12 , Ag 3 PO 4 , BaTiO 3 , NiTiO 3 , SrTiO 3 , Sr 2 Nb 2 O 7 , Sr 2 Ta 2 O 7 , Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-7, and the like, the precursor including the metal salt capable of forming the metal oxide having the gas sensor characteristic does not limit the specific metal salt. The ratio of the polymer and the metal oxide precursor for forming the spinning solution preferably has a value between 1: 0.5 and 1: 2.
전기방사 용액을 제조하는 과정은 금속산화물 전구체를 용매에 용해시킨 후, 상기 과정(S220)을 통해 제작된 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체를 금속염 용액에 첨가하고 혼합하여 분산시킨다. 충분히 혼합한 이후에, 고분자를 알맞은 비율로 첨가하여 고분자가 혼합 용액에 모두 용해될 때까지 교반시켜 준다. 20??50 ㅀC 의 온도범위에서 5시간 내지는 48 시간 동안 충분히 교반시켜 나노입자 촉매가 포함된 금속유기구조체, 금속산화물 전구체, 고분자가 용액 속에 균일하게 혼합되도록 한다. The electrospun solution is prepared by dissolving the metal oxide precursor in a solvent, adding the metal organic structure containing the nanoparticle catalyst prepared in the above step (S220) to the metal salt solution, and mixing and dispersing the metal organic structure. After sufficiently mixing, the polymer is added in an appropriate ratio and stirred until the polymer is completely dissolved in the mixed solution. And the mixture is agitated sufficiently for 5 to 48 hours at a temperature of 20 to 50 ° C to uniformly mix the nanoparticle catalyst-containing metal organic structure, the metal oxide precursor and the polymer in the solution.
상기 합성된 용액을 전기방사하여 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체가 결착된 고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 제작하는 단계(S240)를 수행한다. 전기방사 기법을 실시함에 있어, 상기에 준비된 나노입자 촉매/금속유기구조체/고분자/금속산화물 전구체 복합 방사용액을 시린지(syringe)에 채운 후, 시린지 펌프를 이용하여 일정한 속도로 시린지를 밀어줌으로써 일정한 양의 방사용액이 토출되도록 한다. 전기방사 시스템은 고전압기, 접지된 전도성 기판, 시린지, 시린지 노즐을 포함하여 구성될 수 있으며, 시린지에 채워진 용액과 전도성 기판 사이에 고전압(5??30 kV)의 전기장을 걸어주면 시린지 노즐을 통해 토출되는 방사용액이 나노섬유 형태로 전도성 기판 위에 받아지게 된다. 토출되는 속도는 0.01 ml/분 내지는 0.5 ml/분 내외로 조절 될 수 있으며 전압과 토출량의 조절을 통해서 원하는 직경을 갖는 나노입자 촉매/금속유기구조체/고분자/금속산화물 전구체 복합 나노섬유를 제작할 수 있다. The synthesized solution is subjected to electrospinning to produce a polymer / metal oxide precursor composite nanofiber having a metal organic structure-bound nanoparticle catalyst (S240). In the electrospinning, a syringe is filled with the nanoparticle catalyst / metal organic structure / polymer / metal oxide precursor complex solution prepared above, and the syringe is pushed at a constant speed using a syringe pump, To be discharged. The electrospinning system may include a high voltage, grounded conductive substrate, a syringe, and a syringe nozzle. When a high voltage (5 to 30 kV) electric field is applied between the syringe filled solution and the conductive substrate, the syringe nozzle The spinning solution to be discharged is received on the conductive substrate in the form of nanofibers. The rate of discharge can be adjusted from about 0.01 ml / min to about 0.5 ml / min, and nanoparticle catalyst / metal organic structure / polymer / metal oxide precursor composite nanofiber having a desired diameter can be manufactured through control of voltage and discharge amount .
마지막으로 상기 제작된 복합 나노섬유의 고온 열처리를 통하여 나노입자 촉매들이 균일하게 응집 없이 포함된 제 1 금속산화물이 제2 금속산화물 나노튜브의 표면에 고르게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브를 제작하는 단계(S250)에서는 400??800 ㅀC의 온도 범위에서의 열처리를 통하여 고분자와 금속유기구조체의 유기물 리간드는 모두 분해되어 제거되며, 금속유기구조체의 금속이온이 산화되어 제1금속산화물을 형성하고, 금속산화물 전구체가 산화되어 제2금속산화물를 형성하게 된다. 여기서 10 ㅀC/분의 빠른 승온 속도로 고온 열처리(400??800 ㅀC)를 진행하게 되면, 복합 나노섬유의 표면에서부터 제2금속산화물이 산화되게 되는데, 이 때 나노섬유 내부의 산화되지 않은 금속산화물 전구체가 빠르게 나노섬유의 표면으로 확산하게 되어 내부에 빈 기공을 형성하게 되고, 최종적으로 중공 구조의 나노튜브를 형성하게 된다. Finally, a metal oxide nanotube is prepared by uniformly attaching the first metal oxide, which contains nanoparticle catalysts without agglomeration, to the surface of the second metal oxide nanotube through a high-temperature heat treatment of the prepared composite nanofiber, (S250), the organic ligands of the polymer and the metal organic structure are decomposed and removed through the heat treatment in the temperature range of 400 to 800 ㅀ C, the metal ions of the metal organic structure are oxidized to form the first metal oxide, The metal oxide precursor is oxidized to form a second metal oxide. Here, when the high temperature heat treatment (400 ?? 800 ?? C) is carried out at a rapid heating rate of 10? C / min, the second metal oxide is oxidized from the surface of the composite nanofiber, The metal oxide precursor is rapidly diffused to the surface of the nanofiber to form hollow pores therein and finally to form hollow nanotubes.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사법을 이용한 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브를 이용한 가스센서용 부재의 제조방법에 따른 제조 공정 순서를 개략적으로 도시하고 있다. 3 schematically shows a manufacturing process according to a method of manufacturing a member for a gas sensor using metal oxide nanotubes bonded with a nanoscale heterogeneous catalyst using an electrospinning method according to an embodiment of the present invention.
제 1 과정인 단계(S310)는 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체, 금속산화물 전구체, 고분자로 구성된 혼합 용액을 전기방사 기법을 활용하여, 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체가 고르게 분산된 복합 나노섬유를 제작하는 예를 나타내고 있다. In the first step S310, a mixed solution composed of a metal organic structure, a metal oxide precursor, and a polymer including a nanoparticle catalyst is subjected to electrospinning so that a metal organic structure including a nanoparticle catalyst is uniformly dispersed An example of fabricating nanofibers is shown.
제 2 과정인 단계(S320)는 단계(S310)에서 합성된 복합 나노섬유를 고온 열처리하는 과정을 나타내고 있다. 빠른 승온 속도(10 ㅀC/분)의 고온 열처리(400??800 ㅀC)를 통해 고분자와 금속유기구조체의 유기물 리간드를 모두 제거하고 금속산화물 전구체와 금속유기구조체의 금속이온을 산화시켜, 나노입자 촉매가 결착된 제1금속산화물 이종촉매가 제2금속산화물 표면에 고르게 결착된 나노튜브 구조를 형성하게 된다. Step S320 of the second process is a process of high temperature heat treatment of the composite nanofibers synthesized in step S310. Through the high-temperature heat treatment (400 ° C to 800 ° C) at a rapid heating rate (10 ° C / min), the organic ligands of the polymer and the metal organic structure are all removed and the metal ions of the metal oxide precursor and the metal organic structure are oxidized, The first metal oxide heterogeneous catalyst to which the particle catalyst is bound forms a nanotube structure that is uniformly bound to the surface of the second metal oxide.
하기에서는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 실시예 및 비교예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 하기 예에 제한되어있는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples. The examples and comparative examples are merely intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1: Pd 나노입자 촉매가 내장된 아연(Zn) 기반 금속유기구조체 제조(zeolite imidazole framework, ZIF-8)Example 1: Preparation of zinc (Zn) based metal organic structure with Pd nanoparticle catalyst (zeolite imidazole framework, ZIF-8)
우선, Zn 기반의 금속유기구조체(ZIF-8)를 합성하기 위하여, Zn(NO3)2ㅇH2O 2.933 g 과 유기물 리간드(2-methylimidazole) 6.489 g을 각각 200 mL의 메탄올(methanol)에 완전히 녹인 후에, 두 용액을 섞고 상온에서 5시간동안 3 마그네틱 스터러(magnetic stirrer)를 이용하여 300 rpm의 속도로 교반하여 준다. 우유 빛으로 변한 용액을 원심분리기를 이용하여 반응하지 않고 남아있는 Zn 전구체와 유기물 리간드를 제거시켜 준 후, 에탄올(ethanol)을 이용하여 세척하여 준다. 원심분리기는 3,000 rpm 에서 10분 이상 해주는 것이 바람직하다. 상기 에탄올 세척 및 원심분리과정을 3번 이상 더 거쳐준 후, 정제된 ZIF-8 입자들을 50 ㅀC에서 12시간 이상 건조하여 수거한다.First, 2.933 g of Zn (NO 3 ) 2 H 2 O and 6.489 g of an organic ligand (2-methylimidazole) were dissolved in 200 mL of methanol to prepare a Zn-based metal organic structure (ZIF-8) After complete dissolution, the two solutions were mixed and stirred at room temperature for 5 hours using a magnetic stirrer at a speed of 300 rpm. After removing the remaining Zn precursors and organic ligands without reacting by using a centrifuge, the solution changed into milky light and washed with ethanol. The centrifuge should preferably run at 3,000 rpm for at least 10 minutes. After the ethanol washing and centrifugation process is further performed three or more times, the purified ZIF-8 particles are collected by drying at 50 ° C for 12 hours or more.
상기와 같은 과정으로 합성된 금속유기구조체에 Pd 나노입자 촉매를 내장하기 위하여 하기와 같은 제조 과정을 거친다. 10 mg 의 Pd 전구체(K2PdCl4) 와 40 mg의 ZIF-8을 각각 탈이온수 1 g에 용해시켜준 후, 금속 염 수용액을 금속유기구조체가 분산되어 있는 용액 속으로 천천히 떨어뜨리면서 교반하여 주면, Pd 금속 이온들이 금속유기구조체의 내부 중공구조 속으로 확산되게 된다. 여기에서, 혼합용액 제조시의 교반 조건은 100 rpm 회전수로 약 한 시간, 상온에서 진행한다. 금속이온들이 금속유기구조체 내부로 확산된 이후에는, NaBH4 환원제를 이용하여 금속유기구조체 중공 내부의 금속이온들(Pd2+)을 금속(Pd)으로 환원시켜 나노입자 촉매를 형성한다. 이때 사용되는 환원제 NaBH4는 40 mM 농도의 수용액 형태로 만든 뒤 0.5 ml를 첨가하여 준다. 원심분리기를 이용하여 합성된 금속 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체만 추출하는데, 이때 원심분리는 10,000 rpm에서 12,000 rpm 정도의 속도로10분 이상 해주는 것이 바람직하다. 이렇게 추출된 Pd 나노입자 촉매를 포함하는 ZIF-8을 2 mL의 탈이온수에 섞어준 후, 제조된 분산액을 전기방사 용액 제조시 사용한다. In order to incorporate the Pd nanoparticle catalyst in the metal organic structure synthesized by the above process, the following process is performed. After dissolving 10 mg of Pd precursor (K 2 PdCl 4 ) and 40 mg of ZIF-8 in 1 g of deionized water, the metal salt aqueous solution was slowly dropped into a solution in which the metal organic structure was dispersed, , The Pd metal ions are diffused into the internal hollow structure of the metal organic structure. Here, stirring conditions for the preparation of the mixed solution proceed at room temperature for about one hour at 100 rpm. After the metal ions are diffused into the metal organic structure, NaBH 4 reducing agent is used to reduce metal ions (Pd 2+ ) in the metal organic structure hollow body to metal (Pd) to form a nanoparticle catalyst. The reducing agent, NaBH 4, used in this step is formulated into a 40 mM aqueous solution and then added with 0.5 ml of NaBH 4 . The metal organic structure containing the metal nanoparticle catalyst synthesized using a centrifugal separator is preferably extracted at a speed of about 10,000 rpm to about 12,000 rpm for at least 10 minutes. The ZIF-8 containing the Pd nanoparticle catalyst thus extracted is mixed with 2 mL of deionized water, and the dispersion thus prepared is used in the preparation of the electrospinning solution.
도 4는 상기의 과정으로 제조된 Pd 나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체의 주사전자현미경 이미지를 나타낸다. 합성된 ZIF-8은 약 80 nm 정도의 크기를 가짐을 확인할 수 있다.FIG. 4 shows a scanning electron microscope image of a Zn-based metal organic structure including the Pd nanoparticle catalyst prepared by the above process. It can be confirmed that the synthesized ZIF-8 has a size of about 80 nm.
도 5는 상기의 과정으로 제조된 Pd 나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체의 투과전자현미경 분석 사진들을 나타낸다. 2??3 nm 정도 크기의 Pd나노입자 촉매들이 Zn 기반 금속산화물의 내부에 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있으며, 부분 성분분석 결과를 통해 Pd 입자의 존재를 확실하게 보여주고 있다. FIG. 5 shows transmission electron microscope photographs of a Zn-based metal organic structure including Pd nanoparticle catalyst prepared by the above process. It can be seen that the Pd nanoparticle catalysts having a size of about 2 nm to 3 nm are uniformly dispersed in the Zn-based metal oxide, and the presence of the Pd particles is clearly shown through the partial component analysis.
실시예 2: Pd 나노입자 촉매가 포함된 Zn 기반 금속유기구조체를 활용하여, PdO 나노입자 촉매가 포함된 아연산화물(ZnO) 기반 이종촉매가 결착된 주석산화물(SnO 2 ) 나노튜브 구조 제작 Example 2: Fabrication of a tin oxide (SnO 2 ) nanotube structure with a zinc oxide (ZnO) -based heterogeneous catalyst containing a PdO nanoparticle catalyst utilizing a Zn- based metal organic structure containing a Pd nanoparticle catalyst
우선, 디메틸포름아미드 1.35 g과 에탄올 1.35 g을 혼합하여 주고, 혼합용액에 주석산화물 전구체(SnCl2??H2O) 0.25 g을 첨가하여 녹여준다. 다음으로 실시예 1에서 제조된 Pd 나노입자 촉매가 내장된 Zn 기반 금속유기구조체 수용액 200 mg 을 상기 주석산화물 전구체 용액에 첨가하여 혼합하여 준다. 전기방사를 용이하게 수행하기 위하여, 폴리비닐피롤리돈(분자량: 1,300,000 g/mol) 0.35 g을 전기방사 용액에 첨가하여 상온에서 5시간 동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 준다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT??)에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여0.1 ml/분의 토출속도로 밀어내고, 시린즈 노즐(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV고전압을 가해주면, 집전판에 Pd나노입자촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체/폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유가 합성되게 된다. First, 1.35 g of dimethylformamide and 1.35 g of ethanol are mixed, and 0.25 g of a tin oxide precursor (SnCl 2 ? H 2 O) is added to the mixed solution and dissolved. Next, 200 mg of the Zn-based metal organic structure aqueous solution containing the Pd nanoparticle catalyst prepared in Example 1 was added to the tin oxide precursor solution and mixed. To facilitate electrospinning, 0.35 g of polyvinylpyrrolidone (molecular weight: 1,300,000 g / mol) was added to the electrospinning solution and stirred at a rotational speed of 500 rpm for 5 hours at room temperature. The electrospinning solution prepared by giving the syringe packed in (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ??) connected to the syringe pump pushes a 0.1 ml / min of discharge speed, ache's nozzle (needle, 21 gauge) and When a high voltage of 15 kV is applied between the stainless steel use plates of the current collectors, a Zn-based metal organic structure / polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofiber including a Pd nanoparticle catalyst is synthesized on the current collector plate do.
도 6 은 전기방사 후 얻어진 Pd나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체/폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유의 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진이다. Pd나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체가 1차원 나노섬유에 고르게 분산되어 기능화된 것을 확인할 수 있다. 6 is a scanning electron microscope and transmission electron micrograph of a Zn-based metal organic structure / polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofiber comprising a Pd nanoparticle catalyst obtained after electrospinning. It is confirmed that the Zn-based metal organic structure including the Pd nanoparticle catalyst is uniformly dispersed and functionalized in the one-dimensional nanofiber.
상기와 같은 방법으로 제조된 Pd나노입자 촉매를 포함하는 Zn 기반 금속유기구조체/폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유를 승온속도를 10 ㅀC/분으로 하여 600 ㅀC 에서 한 시간 동안 유지를 시켜주었고, 이어서 40 ㅀC /분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켰다. 열처리는 Ney사의 Vulcan 3 - 550 소형 전기로를 이용하여 공기 분위기에서 열처리를 진행하였다. 고온 열처리 과정을 통하여 복합 나노섬유 내부의 고분자와 유기물들은 모두 분해 되어 제거된다. 또한 공기분위기에서 열처리를 하였기 때문에, Pd나노입자 촉매 및 금속유기구조체를 구성하는 Zn, 그리고 나노섬유 내부의 주석산화물 전구체는 모두 산화되어 각각 PdO, ZnO, SnO2를 형성하게 되어, 3??4 nm 크기의 PdO 나노입자 촉매를 포함하는ZnO이종촉매들이 결착되어 있는 SnO2입자들이 나노튜브의 표면에 균일하게 결착되어 있는 PdO@ZnO-SnO2 나노튜브 구조로 변하게 된다. The Zn-based metal organic structure / polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofiber including the Pd nanoparticle catalyst prepared as described above was heated at 600 ° C for one hour at a heating rate of 10 ° C / Followed by cooling to room temperature at a descending rate of 40 ㅀ C / min. The heat treatment was carried out in air atmosphere using Ney 's Vulcan 3 - 550 compact electric furnace. Through the high-temperature heat treatment process, both the polymer and the organic matter in the composite nanofiber are decomposed and removed. In addition, since the Pd nanoparticle catalyst and the Zn constituting the metal organic structure and the tin oxide precursor inside the nanofiber are oxidized to form PdO, ZnO and SnO 2 , respectively, because of the heat treatment in the air atmosphere, ZnO-SnO 2 nanotube structure, in which SnO 2 particles bound to ZnO hetero catalysts containing PdO nanoparticle catalyst of nanometer size are uniformly bound to the surface of nanotube.
도 7은 실시예 2에서 제조된 열처리 후에 얻어진 PdO 나노입자 촉매를 포함하는 ZnO가 결착된 SnO2 나노튜브의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 형성된 SnO2나노튜브의 직경은 약 300 nm 정도이며, 나노튜브의 외부 및 내부에 PdO가 결착된 ZnO 복합 이종촉매가 결착되어 있음을 확인할 수 있다. 7 is a scanning electron micrograph of ZnO-bound SnO 2 nanotubes containing the PdO nanoparticle catalyst obtained after the heat treatment prepared in Example 2. FIG. The diameter of the formed SnO 2 nanotubes is about 300 nm, and it can be confirmed that ZnO complex heterogeneous catalysts in which PdO is bound to the outside and inside of the nanotube are bonded.
도 8은 실시예 2에서 제조된 PdO 나노입자 촉매를 포함하는 ZnO가 결착된 SnO2 나노튜브의 투과전자현미경 사진을 보여주고 있다. 투과전자현미경 격자분석은 PdO 나노입자 촉매를 포함하는 ZnO복합 이종촉매가 SnO2나노튜브에 기능화된 모습을 보여주고 있으며, 전자회절 분석을 통해 PdO, ZnO, SnO2 모두 결정화를 이루고 있다는 것을 보여주고 있다. 또한 투과전자현미경 성분분석(EDS) 을 통해 Pd, Zn 가 SnO2에 고르게 분산되어 있음을 확인할 수 있으며, 라인 성분분석을 통해 SnO2 나노튜브 구조를 명확하게 확인할 수 있다. FIG. 8 is a transmission electron micrograph of SnO 2 nanotubes bonded with ZnO containing the PdO nanoparticle catalyst prepared in Example 2. FIG. Transmission electron microscopy lattice analysis showed that the ZnO complex hetero-catalyst including PdO nanoparticle catalyst was functionalized in SnO 2 nanotubes. The electron diffraction analysis showed that PdO, ZnO and SnO 2 crystallized have. The transmission electron microscopic analysis (EDS) shows that Pd and Zn are uniformly dispersed in SnO 2 , and the structure of SnO 2 nanotubes can be confirmed clearly by line analysis.
비교예 1. 금속유기구조체 기반의 이종촉매가 기능화되지 않은 SnOCOMPARATIVE EXAMPLE 1 A heterogeneous catalyst based on a metal organic structure was used as a non-functionalized SnO 22 나노튜브 구조 제작 Nanotube structure fabrication
상기 실시예2와 비교되는 비교예로는 금속유기구조체 기반의 이종촉매가 기능화되지 않은 SnO2 나노튜브를 형성한 구조가 있다. 상기 실시예2와 동일하게, 디메틸포름아미드 1.35 g과 에탄올 1.35 g을 혼합하여 주고, 혼합용액에 주석산화물 전구체(SnCl2??H2O) 0.25 g을 첨가하여 녹여준다. 다음으로 전기방사를 용이하게 수행하기 위하여, 폴리비닐피롤리돈(분자량: 1,300,000 g/mol) 0.35 g을 전기방사 용액에 첨가하여 상온에서 5시간 동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 준다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT??)에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여0.1 ml/분의 토출속도로 밀어내고, 시린즈 노즐(needle, 21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸(stainless use steel) 사이에 15 kV고전압을 가해주면, 집전판에 폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유가 합성되게 된다. 상기 폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유를 승온속도 10 ㅀC/분으로 하여 600 ㅀC 에서 한 시간 동안 유지를 시켜주었고, 이어서 40 ㅀC /분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켜 SnO2 나노튜브를 제조하였다. As a comparative example compared with the example 2, there is a structure in which a heterogeneous catalyst based on a metal organic structure forms a non-functionalized SnO 2 nanotube. In the same manner as in Example 2, 1.35 g of dimethylformamide and 1.35 g of ethanol were mixed, and 0.25 g of tin oxide precursor (SnCl 2 ? H 2 O) was added to the mixed solution and dissolved. Next, 0.35 g of polyvinylpyrrolidone (molecular weight: 1,300,000 g / mol) was added to the electrospinning solution and stirred at a rotational speed of 500 rpm for 5 hours at room temperature to facilitate electrospinning. The electrospinning solution prepared by giving the syringe packed in (Henke-Sass Wolf, 10 mL NORM-JECT ??) connected to the syringe pump pushes a 0.1 ml / min of discharge speed, ache's nozzle (needle, 21 gauge) and When a high voltage of 15 kV is applied between the stainless steel use plates of the current collectors, polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofibers are synthesized on the current collector plate. The polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofibers were maintained at 600 ° C for one hour at a heating rate of 10 ° C / min. After cooling to room temperature at a descending rate of 40 ° C / min,
도 9은 비교예 1에서 제조된 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착되지 않은SnO2 나노튜브의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 형성된 SnO2나노튜브의 직경은 약 300 nm 정도이며, 실험예2의 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브와 달리, 나노튜브의 내벽 및 외벽에 이종촉매가 결착되지 않은 것을 확인할 수 있다. FIG. 9 is a scanning electron micrograph of SnO 2 nanotubes prepared in Comparative Example 1 in which the metal organic structure-based heterogeneous catalyst is not bound. The diameter of the formed SnO 2 nanotubes was about 300 nm, and unlike the SnO 2 nanotubes bonded with the metal organic structure-based heterogeneous catalyst of Experimental Example 2, it was confirmed that the heterogeneous catalyst did not adhere to the inner wall and the outer wall of the nanotube have.
상기 제작된 금속유기구조체 기반 이종촉매를 포함하지 않은 SnO2 나노튜브는 상기 실시예2에서 제작된 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.Above which it does not include the production of metal organic structure-based heterogeneous catalyst SnO 2 nanotubes are detected for the wide gas with the second embodiment the ZnO-based two kinds of SnO 2 nanotubes, the catalyst is a binder manufactured containing the PdO nanoparticle catalyst in Were used to compare characteristics.
비교예 2. 금속유기구조체 기반의 이종촉매가 기능화되지 않은 SnOCOMPARATIVE EXAMPLE 2 [0042] A heterogeneous catalyst based on a metal organic structure was used as a non-functionalized SnO 22 나노섬유 구조 제작 Fabrication of nanofiber structure
상기 실시예2와 비교되는 비교예로는 금속유기구조체 기반의 이종촉매가 기능화되지 않은 SnO2 나노섬유를 형성한 구조가 있다. 상기 실시예2와 동일하게, 디메틸포름아미드 1.35 g과 에탄올 1.35 g을 혼합하여 주고, 혼합용액에 주석산화물 전구체(SnCl2??H2O) 0.25 g을 첨가하여 녹여준다. 다음으로 전기방사를 용이하게 수행하기 위하여, 폴리비닐피롤리돈(분자량: 1,300,000 g/mol) 0.35 g을 전기방사 용액에 첨가하여 상온에서 5시간 동안 500 rpm의 회전수로 교반하여 준다. 제조된 전기방사 용액을 시린지 (10 mL)에 담아주고 시린지 펌프에 연결하여0.1 ml/분의 토출속도로 밀어내고, 시린즈 노즐(21 gauge)과 집전판인 스테인리스스틸 사이에 15 kV고전압을 가해주면, 집전판에 폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유가 합성되게 된다. 상기 폴리비닐피롤리돈/주석산화물 전구체 복합 나노섬유를 승온속도 5 ㅀC/분으로 하여 600 ㅀC 에서 한 시간 동안 유지를 시켜주었고, 이어서 40 ㅀC /분의 하강 속도로 상온까지 냉각시켜 SnO2 나노섬유를 제조하였다. As a comparative example compared with Example 2, there is a structure in which a heterogeneous catalyst based on a metal organic structure forms SnO 2 nanofibers that are not functionalized. In the same manner as in Example 2, 1.35 g of dimethylformamide and 1.35 g of ethanol were mixed, and 0.25 g of tin oxide precursor (SnCl 2 ? H 2 O) was added to the mixed solution and dissolved. Next, 0.35 g of polyvinylpyrrolidone (molecular weight: 1,300,000 g / mol) was added to the electrospinning solution and stirred at a rotational speed of 500 rpm for 5 hours at room temperature to facilitate electrospinning. The prepared electrospinning solution was poured into a syringe (10 mL), connected to a syringe pump and pushed out at a discharge rate of 0.1 ml / min., And a high voltage of 15 kV was applied between a 21 gauge and a stainless steel plate On the other hand, the polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofiber is synthesized on the collector plate. The polyvinylpyrrolidone / tin oxide precursor composite nanofibers were maintained at 600 ° C for one hour at a heating rate of 5 ° C / min and then cooled to room temperature at a descending rate of 40 ° C / minute to obtain SnO 2 nanofibers were prepared.
도 10은 비교예 1에서 제조된 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착되지 않은SnO2 나노섬유의 주사전자현미경 사진을 보여주고 있다. 형성된 SnO2나노튜브의 직경은 약 350 nm 정도이며, 실험예2의 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브와 달리, 나노섬유구조가 형성되었으며, 금속유기구조체 기반 이종촉매가 결착되지 않은 것을 확인할 수 있다. 10 is a scanning electron micrograph of SnO 2 nanofibers prepared in Comparative Example 1 in which the metal organic structure-based heterogeneous catalyst is not bound. The diameter of the formed SnO 2 nanotubes was about 350 nm. Unlike the SnO 2 nanotubes bonded with the metal organic structure-based heterogeneous catalyst of Experimental Example 2, the nanofiber structure was formed, and the metal organic structure- .
상기 제작된 금속유기구조체 기반 이종촉매를 포함하지 않은 SnO2 나노섬유는 상기 실시예2에서 제작된 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브와 함께 다종 가스에 대한 감지특성을 비교하는데 사용하였다.The cost does not contain a metal organic structure-based heterogeneous catalyst produced SnO 2 nanofibers detection for wide gas with the Example 2 containing the PdO nanoparticle catalyst ZnO based on two kinds of SnO 2 nanotubes, the catalyst is a binder manufactured by Were used to compare characteristics.
실험예 1. PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnOExperimental Example 1. ZnO-based heterogeneous catalyst-bound
상기의 실시예 1, 2와 비교예 1, 2로 제작된 가스센서용 감지소재를 날숨 센서로 제조하기 위하여, PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브, SnO2 나노튜브, 그리고 SnO2 나노섬유를 각각 5 mg을 에탄올 100 μL에 분산시킨 뒤, 1시간 동안 초음파 세척을 통하여 분쇄 과정을 거친다. 마이크로 피펫을 이용하여 상기 제작된 에탄올에 분산되어있는 5 μL의 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브, SnO2 나노튜브, 그리고 SnO2 나노섬유 혼합용액을 평행한 금(Au) 전극이 패턴된 3 mm ㅧ 3 mm 크기의 알루미나(Al2O3) 기판 위에 각각 도포한 후, 60 ㅀC핫플레이트(hot-plate) 상에서 건조시키는 과정을 거쳤다. 이러한 과정을 4~6회 반복하여 충분한 양의 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브, SnO2 나노튜브, 그리고 SnO2 나노섬유가 알루미나 센서기판 상부에 코팅되도록 하였다. In order to fabricate the sensing material for the gas sensor manufactured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 using the exhalation sensor, a ZnO-based heterogeneous catalyst-containing SnO 2 nanotube containing a PdO nanoparticle catalyst, SnO 2 Nanotubes, and SnO 2 nanofibers are dispersed in 100 μL of ethanol, and then pulverized by ultrasonic cleaning for 1 hour. A SnO 2 nanotube, a SnO 2 nanotube, and a SnO 2 nanofiber mixed solution, which were bound with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing 5 μL of a PdO nanoparticle catalyst dispersed in the prepared ethanol, Gold (Au) electrodes were coated on patterned 3 mm ㅧ 3 mm alumina (Al 2 O 3 ) substrates, and then dried on a 60 ㅀ C hot plate. Repeat this procedure 4-6 times, a sufficient amount of PdO the ZnO-based heterogeneous catalyst has a binder of SnO 2 nanotubes, SnO 2 nanotubes containing the nanoparticle catalyst, and SnO 2 nanofibers was allowed to coat the upper alumina sensor substrate .
제작된 가스센서의 특성을 평가하기 위하여, 고습한 환경(90% RH)에서 아세톤(CH3COCH3) 가스의 농도를 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4, 0.2, 0.1 ppm으로 변화시킴과 동시에 센서의 구동 온도는 400 ㅀC에서 유지시키며 아세톤 감지 특성을 평가하였다. 또한, 본 실험예1에서는 휘발성 유기 화합물 가스의 대표적인 예인 아세톤 가스 뿐만 아니라, 황화수소(H2S), 톨루엔(C6H5CH3), 일산화탄소 (CO), 펜탄 (C5H12), 암모니아(NH3) 등에 대해서도 감지특성을 평가하여 선택적 가스감지 특성을 평가하였다. The concentration of acetone (CH 3 COCH 3 ) gas was increased to 5, 4, 3, 2, 1, 0.6, 0.4, 0.2 and 0.1 ppm at high humidity (90% RH) And the sensor operating temperature was maintained at 400 ° C and the acetone sensing characteristics were evaluated. In Experimental Example 1, not only acetone gas, which is a typical example of the volatile organic compound gas but also hydrogen sulfide (H 2 S), toluene (C 6 H 5 CH 3 ), carbon monoxide (CO), pentane (C 5 H 12 ) (NH 3 ) and the like were evaluated to evaluate the selective gas sensing characteristics.
도 11은 400 ㅀC 에서 아세톤 가스의 농도가 5 ppm 에서 0.1 ppm 으로 감소할 때의 반응정도(Rair/Rgas, 여기서 Rair는 공기가 주입될 때의 가스센서의 저항값을 뜻하고, Rgas는 아세톤 가스가 주입될 때의 가스소재의 저항값을 의미한다)를 시간에 따라 나타낸 것이다. 도 11에 나타난 바와 같이, PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브 센서는 아세톤 가스에 대하여 SnO2 나노튜브 및 SnO2 나노섬유보다 2배 이상 향상된 감도 특성을 보임을 알 수 있다. 11 is a graph showing the degree of reaction (R air / R gas, where R air represents the resistance value of the gas sensor when air is injected, when the concentration of acetone gas decreases from 5 ppm to 0.1 ppm at 400 ° C, And R gas represents the resistance value of the gas material when the acetone gas is injected). As shown in Figure 11, the PdO SnO 2 nanotubes sensor with a ZnO-based heterogeneous catalyst binder including nanoparticles catalysts show a SnO 2 nanotubes and
도12는 400 ㅀC 에서 아세톤의 농도가 1, 2, 3, 4, 5 ppm 일 때 가스센서의 반응속도 및 회복속도에 대한 특성 평가 결과이다. 결과에서 나타난 바와 같이, PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브는 반응속도와 회복속도가 각기 20초, 75초 이내로 빠르게 개선됨을 확인할 수 있다. 12 shows the results of the characterization of the reaction speed and the recovery speed of the gas sensor when the concentration of acetone is 1, 2, 3, 4, and 5 ppm at 400 ° C. As shown in the results, the SnO 2 nanotubes bound with the ZnO-based heterogeneous catalyst containing the PdO nanoparticle catalyst showed rapid improvement in the reaction rate and the recovery rate within 20 seconds and 75 seconds, respectively.
도 13은 400 ㅀC 에서 측정된, PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브의 아세톤, 황화수소, 톨루엔, 일산화탄소, 펜탄, 암모니아 1 ppm에 대한 반응도 값을 나타낸 것이다. 도 12에 나타난 바와 같이, PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브로 제작된 센서는 황화수소, 톨루엔, 일산화탄소, 펜탄, 암모니아 가스에 대비하여 특징적으로 아세톤에 대하여 매우 우수한 선택적 감지특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. FIG. 13 shows the reactivity values of acetone, hydrogen sulfide, toluene, carbon monoxide, pentane, and ammonia of a SnO 2 nanotube bonded with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing a PdO nanoparticle catalyst measured at 400 ° C. As shown in FIG. 12, the sensor made of SnO 2 nanotubes bonded with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing a PdO nanoparticle catalyst is characterized in that it is very superior to acetone in comparison with hydrogen sulfide, toluene, carbon monoxide, pentane and ammonia gas And that it exhibits selective sensing characteristics.
도14는 400 ㅀC 에서 PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브를 활용하여 1 ppm 의 아세톤에 대해 반복적인 감지특성 평가 결과를 나타낸 것이다. 결과에서 나타난 바와 같이, 10차례 이상의 반복적인 측정에도 안정적인 감지특성을 보여줌을 확인할 수 있다. FIG. 14 shows the result of repeated detection of acetone at 1 ppm using SnO 2 nanotubes bonded with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing PdO nanoparticle catalyst at 400 ° C. As shown in the results, it can be confirmed that stable detection characteristics are exhibited even when repeated measurement is repeated 10 times or more.
상기의 실험예에서는 아세톤에 대해 높은 감도와 빠른 반응속도 및 회복속도, 그리고 선택성을 지닌PdO 나노입자 촉매가 포함된 ZnO 기반 이종촉매가 결착된 SnO2 나노튜브 소재의 센서특성을 보여주었다. 또한 다양한 종류의 나노입자 촉매, 금속유기구조체, 그리고 금속산화물 소재를 활용함으로써, 가스 선택성 특성의 변화를 기대할 수 있어, 다종의 나노입자 촉매입자들을 포함하는 제1금속산화물 기반 이종촉매가 결착된 다종의 제2금속산화물 나노튜브를 합성하고, 여러 종류의 가스에 대해 높은 감도와 선택성을 갖는 가스센서 어레이를 제조할 수 있다. 상기 금속유기구조체 템플레이트로부터 얻어진 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 기반 이종촉매가 결착된 제2금속산화물 나노튜브 감지소재는 탁월한 유해환경 가스 센서 및 날숨 속 휘발성 유기화합물 가스 분석 및 진단을 위한 헬스케어용 가스 센서에 사용될 수 있다. In the above example, the sensor characteristics of SnO 2 nanotubes bonded with a ZnO-based heterogeneous catalyst containing PdO nanoparticle catalyst with high sensitivity, fast reaction rate, recovery rate and selectivity for acetone were shown. In addition, by utilizing various kinds of nanoparticle catalysts, metal organic structures, and metal oxide materials, it is possible to expect a change in gas selectivity characteristics, and it is possible to obtain a variety of nanoparticle catalysts containing a plurality of nanoparticle catalyst particles, Of the second metal oxide nanotubes can be synthesized and a gas sensor array having high sensitivity and selectivity for various kinds of gases can be manufactured. The second metal oxide nanotube sensing material bonded with the first metal oxide based heterogeneous catalyst comprising the nanoparticle catalyst obtained from the metal organic structure template is excellent in the harmful environmental gas sensor and the health for analysis and diagnosis of the exhalation volatile organic compound gas It can be used for gas sensors for care.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브 가스센서용 부재
110: 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물이 제2금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 결착하여 기능화된 금속산화물 나노튜브
121: 고온 열처리 이후 금속유기구조체 기반 제1금속산화물에 결착되어 있는 나노입자 촉매
122: 고온 열처리 이후 금속유기구조체의 유기물 리간드가 제거되고, 금속이온이 산화되어 형성된 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 기반 이종촉매
123: 고온 열처리 이후 금속산화물 전구체가 산화되어 형성된 제2금속산화물 나노튜브100: Metal oxide nanotube with nano-sized heterogeneous catalyst attached Member for gas sensor
110: a metal oxide nanotube in which a first metal oxide including a nanoparticle catalyst is uniformly bound to a surface of a second metal oxide nanotube,
121: Nanoparticle catalyst attached to first metal oxide based on metal organic structure after high temperature heat treatment
122: a first metal oxide based heterogeneous catalyst comprising a nanoparticle catalyst formed by oxidation of metal ions and removing organic ligands of the metal organic structure after the high temperature heat treatment;
123: a second metal oxide nanotube formed by oxidation of a metal oxide precursor after high temperature heat treatment;
Claims (21)
상기 제2 금속산화물 나노튜브는, 상기 나노입자를 포함하는 금속유기구조체, 금속산화물 전구체 및 고분자를 포함하는 복합 나노섬유에 대한 고온 열처리 과정을 통해, 상기 금속유기구조체가 포함하는 유기물 리간드와 상기 고분자가 열분해되어 제거되고, 상기 금속유기구조체가 포함하는 금속이온들이 산화되어 형성된 나노입자 촉매를 포함하는 제1금속산화물 기반 이종촉매들을 포함하며, 금속산화물 전구체가 나노섬유 외부에서부터 산화 및 결정화되면서 외부 금속산화물과 내부 금속산화물 전구체의 확산 속도 차이에 의해서 제2금속산화물 나노튜브 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The second metal oxide nanotube may be formed by a high-temperature heat treatment process on a composite nanofiber including a metal organic structure including the nanoparticles, a metal oxide precursor, and a polymer, wherein the organic ligand and the polymer Wherein the metal oxide precursor is oxidized and crystallized from the outside of the nanofiber, and the metal oxide precursor is oxidized and crystallized to form an outer metal Wherein the second metal oxide nanotube structure is formed by the diffusion rate difference between the oxide and the inner metal oxide precursor.
상기 금속유기구조체 내부 중공 구조 속에 포함된 나노입자 촉매의 중량 비율은 상기 제1 금속산화물 대비 0.001 내지 25 wt%의 농도 범위를 갖고, 상기 제2 금속산화물 나노튜브 대비 0.01 내지 2 wt%의 농도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the nanoparticle catalyst contained in the hollow structure inside the metal organic structure is in the range of 0.001 to 25 wt% with respect to the first metal oxide and in the concentration range of 0.01 to 2 wt% with respect to the second metal oxide nanotube Wherein the metal oxide nanotube is bound to a nano-sized heterogeneous catalyst.
상기 금속유기구조체는 ZIF-1, ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIF-5, ZIF-6, ZIF-7, ZIF-8, ZIF-9, ZIF-10, ZIF-11, ZIF-12, ZIF-22, ZIF-65, ZIF-69, ZIF-71, ZIF-78, ZIF-90, ZIF-95, ZIF-9-67 및 SIM-1중에서 선택된 적어도 하나의 금속유기구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
Wherein the metal organic structure is selected from the group consisting of ZIF-1, ZIF-2, ZIF-3, ZIF-4, ZIF-5, ZIF-6, ZIF-7, ZIF- At least one metal organic structure selected from the group consisting of ZIF-12, ZIF-22, ZIF-65, ZIF-69, ZIF-71, ZIF-78, ZIF-90, ZIF-95, ZIF-9-67 and SIM- Wherein the metal oxide nanotube is bound to a nano-sized heterogeneous catalyst.
상기 금속유기구조체는, 금속이온들과 유기물 리간드들이 자기결합(self-assembly)을 통해 연결하고 있는 다공성 분자체 물질로, 하나 또는 둘 이상의 촉매금속이온을 중공 속에 캡슐화 가능하고, 환원 과정을 거쳐 0.1 nm ?? 10 nm의 직경 범위를 갖는 나노입자 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The metal organic structure is a porous molecular sieve material in which metal ions and organic ligands are connected to each other through self-assembly. One or two or more catalyst metal ions can be encapsulated in the hollow, nm ?? Wherein the nanoparticle catalyst comprises a nanoparticle catalyst having a diameter in the range of 10 nm to 10 nm.
상기 금속유기구조체는, platinum(IV) chloride, platinum(II) acetate, gold(I, III) chloride, gold(III) acetate, silver chloride, silver acetate, Iron(III) chloride, Iron(III) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Ruthenium(III) chloride, Ruthenium Acetate, Iridium(III) chloride, iridium acetate, Tantalum(V) chloride 및 Palladium(II) chloride 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 금속염을 포함하여 합성되는 이온이 내부에 치환되는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The metal organic structure may be selected from the group consisting of platinum (IV) chloride, platinum (II) acetate, gold (III) chloride, At least one metal salt selected from nickel (II) chloride, nickel (II) acetate, ruthenium (III) chloride, ruthenium acetate, iridium (III) chloride, iridium acetate, tantalum (V) chloride and palladium (II) Wherein the nano-sized heterogeneous catalyst is attached to the inner surface of the metal oxide nanotube.
상기 금속유기구조체의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는, Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Fe, Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga 및 Ge 중에서 선택된 적어도 하나의 나노입자 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The nanoparticle catalyst contained in the hollow structure of the metal organic structure may be at least one selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, Co, Cr, Ir, Au, Ag, Zn, W, Sn, Sr, In, Pb, Wherein the nanoparticle catalyst comprises at least one nanoparticle catalyst selected from the group consisting of Cu, V, Ta, Sb, Sc, Ti, Mn, Ga and Ge.
상기 금속유기구조체의 중공 구조 내부에 포함된 나노입자 촉매는 열처리 후 Pt, PdO, PdO2, Rh2O3, RuO2, NiO, Co3O4, Cr2O3, IrO2, Au, Ag, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, Fe2O3, CuO, V2O5, VO2, VO, Ta2O5, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2중 적어도 하나의 나노입자 촉매로 치환되는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The nanoparticle catalyst contained within the hollow structure of the metal-organic structure is then heat-treated Pt, PdO, PdO 2, Rh 2 O 3, RuO 2, NiO, Co 3 O 4, Cr 2 O 3, IrO 2, Au, Ag , ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, Fe 2 O 3 , CuO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Ta 2 O 5 , Sb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3, and GeO 2. The metal oxide nanotube is bonded to a nano-sized heterogeneous catalyst.
상기 금속유기구조체는 내부 기공의 크기가 0.5 nm ?? 30 nm범위의 값을 가지며, 50 nm 내지 500 nm 의 외경 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The metal organic structure has an inner pore size of 0.5 nm ?? Wherein the metal oxide nanotube has a value in the range of 30 nm to 30 nm and an outer diameter range of 50 nm to 500 nm.
상기 금속유기구조체를 구성하는 금속이온은 열처리 후 ZnO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, CuO, In2O3, Co3O4, NiCo2O4, ZrO2, Cr3O4, MnO2 및 MgO 중에서 선택된 하나의 금속산화물로 치환되는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
Metal ion constituting the metal organic structure is then heat-treated ZnO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, NiO, CuO, In 2 O 3, Co 3 O 4, NiCo 2 O 4, ZrO 2, Cr 3 O 4 , MnO 2 and MgO Wherein the metal oxide nanotube is substituted with one metal oxide selected from the group consisting of a metal oxide nanotube and a metal oxide nanotube.
상기 금속유기구조체는 열처리 후 금속 내지는 금속산화물 나노입자 촉매를 포함하며, 상기 제1 금속산화물 입자들은 다공성 입자, 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정십이면체, 정이십면체, 중공 구(sphere) 및 중공 큐브(cube) 중 적어도 하나의 구조로 상기 제2 금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 결착되어 기능화되는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The metal organic structure may include a metal or metal oxide nanoparticle catalyst after heat treatment, and the first metal oxide particles may be porous particles, tetrahedron, cube, octahedron, dodecahedron, dodecahedron, hollow sphere, wherein the metal oxide nanotube is uniformly bound to the surface of the second metal oxide nanotube with at least one of a cube and a cube.
상기 제2금속산화물 나노튜브는 ZnO, SnO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, TiO2, CuO, In2O3, Zn2SnO4, Co3O4, PdO, LaCoO3, NiCo2O4, Ca2Mn3O8, ZrO2, Al2O3, B2O3, V2O5, Cr3O4, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3, Eu2O3, Gd2O3, Tb4O7, Dy2O3, Ho2O3, Er2O3, Yb2O3, Lu2O3, Ag2V4O11, Ag2O, Li0.3La0.57TiO3, LiV3O8, RuO2, IrO2, MnO2, InTaO4, ITO, IZO, InTaO4, MgO, Ga2O3, CaCu3Ti4O12, Ag3PO4, BaTiO3, NiTiO3, SrTiO3, Sr2Nb2O7, Sr2Ta2O7 및 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-7 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 복합 소재로 구성된 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The second metal oxide nanotube may be at least one selected from the group consisting of ZnO, SnO 2 , WO 3 , 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, ZrO 2, Al 2 O 3, B 2 O 3, V 2 O 5, Cr 3 O 4, CeO 2, Pr 6 O 11, Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3, Eu 2 O 3, Gd 2 O 3, Tb 4 O 7, Dy 2 O 3, Ho 2 O 3, Er 2 O 3, Yb 2 O 3, Lu 2 O 3, Ag 2 V 4 O 11, Ag 2 O, Li 0.3 La 0.57 TiO 3, LiV 3 O 8, RuO 2, IrO 2, MnO 2, InTaO 4, ITO, IZO, InTaO 4, MgO, Ga 2 O 3, CaCu 3 Ti 4 O 12, Ag 3 PO 4, BaTiO 3, NiTiO 3, SrTiO 3, Sr 2 Nb 2 O 7, Sr 2 Ta 2 O 7 and Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O one or more composites selected from 3-7 Wherein the nanotube comprises a nanotube composed of a metal oxide nanotube.
상기 금속유기구조체의 금속 이온과 상기 복합 나노섬유의 금속산화물 전구체가 산화되면서 형성되는, 제1금속산화물과 제2금속산화물이 이종접합을 형성하며, n-type 금속산화물인 TiO2, ZnO, WO3, SnO2, IrO2, In2O3, V2O3, MoO3 및 p-type 금속산화물인 Ag2O, PdO, RuO2, Rh2O3, NiO, Co3O4, CuO, Fe2O3, Fe3O4, V2O5, Cr2O3, 중에서 선택된 하나의 금속산화물로 n-type/n-type, n-type/p-type, 내지는 p-type/p-type의 금속산화물 조합으로 각각 서로 다른 종의 금속산화물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브.The method according to claim 1,
The first metal oxide and the second metal oxide, which are formed by oxidizing the metal ion of the metal organic structure and the metal oxide precursor of the composite nanofibers, form a heterojunction, and n-type metal oxides such as TiO 2 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , IrO 2 , In 2 O 3 , V 2 O 3 , MoO 3 and p-type metal oxides such as Ag 2 O, PdO, RuO 2 , Rh 2 O 3 , NiO, Co 3 O 4 , CuO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , a metal oxide selected from the group consisting of n-type / n-type, n-type / p-type and p-type / p-type metal oxides. Wherein the metal oxide nanotubes are bound to a nano-sized heterogeneous catalyst.
(a) 금속이온과 유기물 리간드로 구성된 금속유기구조체를 합성하는 단계;
(b) 상기 금속유기구조체의 중공 구조 내부에 나노입자 촉매를 합성하는 단계;
(c) 상기 합성된 나노입자 촉매를 포함하는 금속유기구조체를 금속산화물 전구체 및 고분자가 함께 용해된 전기방사 용액에 혼합하여 나노입자 촉매가 포함된 금속유기구조체/금속산화물 전구체/고분자 복합 방사용액을 제조하는 단계;
(d) 상기 복합 방사용액을 전기방사하여 나노입자 촉매가 포함된 금속유기구조체를 금속산화물 전구체/고분자 복합 나노섬유의 표면 또는 내부에 결착시킨 복합 나노섬유를 제조하는 단계;
(e) 상기 복합 나노섬유를 고온 열처리하여 나노입자 촉매를 포함하는 제 1 금속산화물이 제 2 금속산화물 나노튜브의 표면에 균일하게 결착되어 기능화된 금속산화물 나노튜브를 제조하는 단계;
(f) 상기 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브를 분산시키거나 분쇄하여, 산화물 반도체식 가스센서 측정용 센서 전극 위에 드랍 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅 및 디스펜싱 중 적어도 하나의 코팅공정을 이용하여 코팅하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브의 제조방법.A method for producing a metal oxide natto tube having a nano-sized heterogeneous catalyst,
(a) synthesizing a metal organic structure composed of a metal ion and an organic ligand;
(b) synthesizing a nanoparticle catalyst inside the hollow structure of the metal organic structure;
(c) mixing the metal organic structure comprising the synthesized nanoparticle catalyst with an electrospinning solution in which a metal oxide precursor and a polymer are dissolved together to form a metal organic structure / metal oxide precursor / polymer composite spinning solution containing a nanoparticle catalyst Producing;
(d) electrospinning the composite spinning solution to prepare a composite nanofiber in which a metal organic structure containing a nanoparticle catalyst is bound to the surface or inside of the metal oxide precursor / polymer composite nanofiber;
(e) subjecting the composite nanofibers to high-temperature heat treatment to uniformly bind the first metal oxide including the nanoparticle catalyst to the surface of the second metal oxide nanotube to produce functionalized metal oxide nanotubes;
(f) dispersing or pulverizing the metal oxide nanotubes to which the nano-sized heterogeneous catalyst is bound, and performing at least one coating process such as drop coating, spin coating, inkjet printing, and dispensing on the sensor electrode for measuring the oxide semiconductor type gas sensor ;
Wherein the nano-sized heterogeneous catalyst is bonded to the metal oxide nanotube.
상기 (a) 단계는,
실온합성법, 수열합성법, 용매열합성법, 이온열합성법, 초음파화학합성법, 용매최소화합성법 및 기계화학합성법 중 적어도 하나의 합성 방법을 이용하여 상기 금속유기구조체를 합성하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브의 제조방법.The method of claim 15, wherein
The step (a)
Characterized in that the metal organic structure is synthesized by using at least one synthesis method of a room temperature synthesis method, a hydrothermal synthesis method, a solvent thermo synthetic method, an ion thermal synthesis method, an ultrasonic chemical synthesis method, a solvent minimization synthesis method and a mechanical chemical synthesis method Wherein the metal oxide nanotube is bonded to the metal oxide nanotube.
상기 (b) 단계는,
상기 금속유기구조체의 내부에 촉매 금속염을 주입시켜 상기 나노입자 촉매를 상기 금속유기구조체의 내부에 내장시키기 위해 상기 촉매 금속염이 녹아있는 용액속에 상기 금속유기구조체를 담가두고,
상기 금속유기구조체를 포함하는 용액은 0.1 내지 200 mg/ml 범위의 염분 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브의 제조방법.The method of claim 15, wherein
The step (b)
Wherein the metal organic structure is immersed in a solution in which the catalytic metal salt is dissolved to inject the catalyst metal salt into the metal organic structure to embed the nanoparticle catalyst inside the metal organic structure,
Wherein the solution containing the metal organic structure has a salt ratio ranging from 0.1 to 200 mg / ml.
상기 (b) 단계는,
상기 금속유기구조체의 내부에 특정 금속이온을 치환하는 경우, 상기 특정 금속이온이 상기 금속유기구조체의 내부에 확산되도록 1시간 이상 24시간 이하의 시간범위 동안 대기하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브의 제조방법.16. The method of claim 15,
The step (b)
Wherein when the specific metal ion is substituted in the metal organic structure, the specific metal ion is allowed to diffuse in the interior of the metal organic structure for at least 1 hour and no more than 24 hours. Wherein the metal oxide nanotube is bonded to the metal oxide nanotube.
상기 (b) 단계에서,
상기 금속유기구조체 내에 내장된 금속염을 환원시키기 위한 환원제는, sodium borohydride (NaBH4), lithium aluminum hydride (LiAlH4), nascent (atomic) hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn(Hg)), oxalic acid (C2H2O4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C6H8O6), sodium amalgam, diborane 및 iron(II) sulfate 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브의 제조방법.16. The method of claim 15,
In the step (b)
The reducing agent for reducing the metal salt contained in the metal organic structure may be sodium borohydride (NaBH 4 ), lithium aluminum hydride (LiAlH 4 ), nascent hydrogen, zinc-mercury amalgam (Zn (Hg)), oxalic acid C 2 H 2 O 4), formic acid (HCOOH), ascorbic acid (C 6 H 8 O 6), sodium amalgam, diborane and iron (II) heterogeneous catalyst nano-size, comprising at least one of a sulfate Wherein the metal oxide nanotube is bonded to the metal oxide nanotube.
상기 (e) 단계에서,
10 ㅀC/분의 빠른 승온 속도로 400??800 ㅀC의 고온에서 산화 열처리를 진행함으로써, 복합 나노섬유를 구성하는 금속산화물 전구체가 외부에서부터 산화되도록 하여, 외부 금속산화물과 내부 금속이온의 확산 속도 차이에 의해서 커켄달 효과(Kirkendall effect)로 제2금속산화물 나노튜브 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나토튜브의 제조방법.16. The method of claim 15,
In the step (e)
The oxidation heat treatment is carried out at a high temperature of 400 ° C to 800 ° C at a rapid heating rate of 10 ° C / min to allow the metal oxide precursor constituting the composite nanofiber to be oxidized from the outside, whereby the diffusion of the external metal oxide and internal metal ions Wherein the second metal oxide nanotube structure is formed by a Kirkendall effect due to the difference in speed between the first metal oxide nanotube structure and the second metal oxide nanotube structure.
상기 (e) 단계에서,
상기 열처리를 통해 상기 복합 나노섬유를 구성하는 고분자와 상기 금속유기구조체의 유기물 리간드가 열분해되어 제거되고, 상기 금속유기구조체의 금속이온과 상기 금속산화물 전구체가 산화와 결정화 과정을 거쳐 다결정의 제1금속산화물 및 제2금속산화물 나노튜브를 각각 형성하여, 제1금속산화물-제2금속산화물 간의 이종접합을 형성하며, n-type 금속산화물인 TiO2, ZnO, WO3, SnO2, IrO2, In2O3, V2O3, MoO3 및 p-type 금속산화물인 Ag2O, PdO, RuO2, Rh2O3, NiO, Co3O4, CuO, Fe2O3, Fe3O4, V2O5, Cr2O3, 중에서 선택된 하나의 금속산화물로 n-type/n-type, n-type/p-type, 내지는 p-type/p-type의 금속산화물 조합으로 각각 서로 다른 종의 금속산화물을 포함하여 구성될 수 있으며, 제1금속산화물에 포함되어 있는 나노입자 촉매는 나노입자 촉매는 Pt, PdO, PdO2, Rh2O3, RuO2, NiO, Co3O4, Cr2O3, IrO2, Au, Ag, ZnO, WO3, SnO2, SrO, In2O3, PbO, Fe2O3, CuO, V2O5, VO2, VO, Ta2O5, Sb2O3, Sc2O3, TiO2, MnO2, Ga2O3 및 GeO2 중에서 선택되어 구성된 것을 특징으로 하는 나노 크기의 이종촉매가 결착된 금속산화물 나노튜브의 제조방법.
16. The method of claim 15,
In the step (e)
The polymer composing the composite nanofiber and the organic ligand of the metal organic structure are thermally decomposed and removed through the heat treatment, and the metal ion and the metal oxide precursor of the metal organic structure are oxidized and crystallized, Oxide, and a second metal oxide nanotube, respectively, to form a heterojunction between the first metal oxide and the second metal oxide, and the n-type metal oxide such as TiO 2 , ZnO, WO 3 , SnO 2 , IrO 2 , In 2 O 3 , V 2 O 3 , MoO 3 and p-type metal oxides such as Ag 2 O, PdO, RuO 2 , Rh 2 O 3 , NiO, Co 3 O 4 , CuO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , a metal oxide selected from the group consisting of n-type / n-type, n-type / p-type and p-type / p-type metal oxides number, and the first nanoparticle catalyst nanoparticle catalyst that is included in the metal oxide is Pt, PdO, PdO 2, Rh 2 O 3, RuO 2, NiO, Co 3 O 4, Cr 2 O 3, IrO 2, Au , Ag, ZnO, WO 3 , SnO 2 , SrO, In 2 O 3 , PbO, Fe 2 O 3 , CuO, V 2 O 5 , VO 2 , VO, Ta 2 O 5 , Sb 2 O 3 , Sc 2 O 3 , TiO 2 , MnO 2 , Ga 2 O 3, and GeO 2. The method of manufacturing the metal oxide nanotube according to claim 1,
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