KR20210003733A - 탄소질의 물질 및 금속 산화물로 구성된 나노 물질의 획득 방법 - Google Patents
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Abstract
탄소질 물질과 금속 산화물로 구성된 나노 물질을 획득하는 방법. 본 발명은 2개 이상의 구성성분으로 구성된 나노 물질을 획득하는 방법에 관한 것으로, 이들 구성성분 중 적어도 하나는 탄소질 물질이고 적어도 다른 구성성분은 금속 산화물이다. 본 발명의 방법은 적당한 압력 및 온도에서 산업적 양으로 액체 배지에서 이들 나노 물질을 제조하고 합성 매개변수의 제어 수단에 의해 상기 나노 물질의 물리화학적 특성을 제어할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 나노 물질의 기술 분야에 속하고, 특히 그래핀 또는 활성 탄소와 같은 탄소질의 물질과 금속 산화물의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 합성에 속한다.
지난 10년 동안, 과학계는 그래핀과 금속 산화물을 결합한 나노 물질이 에너지 저장 시스템 (ESS)의 전극으로 이용될 때 월등한 에너지 저장 특성을 나타내는 광범위한 수의 사례를 보고하였다.
또한, 탄소질 염기 및 금속 산화물의 나노 입자로 형성된 나노 물질의 월등한 특성이 입증되었다. 그럼에도 불구하고, 이들 나노 물질이 ESS 시장에 진출하기 위해서는 하기의 일련의 과제를 극복하는 것이 필요하다:
- 구체적인 적용에 적합하고 이들의 사용에 대해 안전한 제품의 형태로 이들 나노 물질의 제작. 이는 최종 장치, 전해질, 장치의 제조 방식 등을 고려하여 이들을 설계하는 것을 포함한다.
- 시장에서 수용할 수 있는 비용을 갖는 산업적 규모로의 생산, 즉 나노 물질의 특성이, 존재하는 경우 기존의 물질에 비한 가격에서의 상승을 보상하는 것이다.
더욱이, 나노 물질의 획득을 위한 현재 존재하는 방법과 관련하여, 전구체의 기능 또는 형태학의 기능으로 공정의 유형에 따라 두 가지 큰 그룹으로 분류할 수 있다.
전구체의 기능으로서 획득하는 방법에서, 제품이 더 작은 크기의 전구체로부터 획득되는 경우 이것은 상향식으로 알려져 있고, 제품이 더 큰 크기의 전구체로부터, 또는 대량으로 획득되는 경우 이것은 하향식으로 알려져 있다. 두 방법론은 모두 특정 장점과 단점을 나타내고 원하는 제품의 기능으로 이용되는 각 경우에서 획득된다.
상향식 접근법은 나노 입자의 합성에서 훨씬 더 광범위하게 퍼져 있으며, 여기서 상기 나노 입자는 분리된 방식으로 합성되거나 다른 물질의 일부를 형성할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 이것은 화학 반응을 의미하며 방법론적으로 더 복잡한 공정이고, 여기서의 투자 비용은 매우 높다.
하향식의 경우, 제품은 더 큰 크기의 구조로부터 얻어지고 제조 기술은 잘 알려져 있지만, 그럼에도 불구하고 더 높은 농도의 결함을 갖는 제품이 획득되고 본 공정은 제품에 대한 보다 낮은 제어를 제공한다.
또한, 형태학의 기능으로서 획득의 방법과 관련하여, 최근 수십 년 동안 그래핀/나노 입자의 하이브리드의 생산을 위한 새로운 합성 방법이 등장하고 있다. 이들 새로운 방법은 새로운 공정으로부터 이미 알려진 절차로의 약간의 변경으로 실행되어 원하는 제품의 생산을 생성한다 (Yu, G.; Xie, X.; Pan, L.; Bao, Z.; Cui, E. Hybrid nanostructured materials for high-performance electrochemical capacitors. Nano Energy 2013, 2 (2), 213-234).
보다 구체적으로, 그래핀/금속 산화물로 구성된 나노 물질을 획득하기 위한 합성의 방법은 다음과 같은 방식으로 분류될 수 있다:
(1) 나노 입자로 장식된 그래핀 및/또는 유도체 (r-GO인 환원 그래핀 산화물 및 GO인 그래핀 산화물).
(2) 그래핀 또는 이의 유도체로 캡슐화된 나노 입자.
이들 두 분류 간의 주요 차이는 나노 입자 사이의 상대적 크기와 탄소질 물질의 측면 치수의 비율이다: 나노 입자의 크기가 수 나노미터 범위에 있을 때, 나노 입자는 작아서 그래핀의 시트를 쉽게 장식할 수 있다. 한편, 입자 크기가 그래핀과 비슷해지면, 이 2차원 탄소질 시트를 이용하여 입자를 캡슐화할 수 있어 제2 유형의 하이브리드를 초래할 수 있다.
비록 나노 물질의 제조를 위한 기술의 다양성은 매우 광범위하지만, 나노 입자에 의해 장식된 그래핀 및/또는 유도체의 기술이 큰 관심이 있다. 이들 기술은 원위치 내 및 원위치 외로 나눌 수 있다.
원위치 내 기술에서, 그래핀의 불활성 표면에 의한 나노 입자의 증착은 열처리 (열적 증발 또는 분해), 펄스된 레이저 증착 또는 스퍼터링과 같은 기술의 도움을 통해 실현된다. 이 기술은 그래핀에 결함이 없는 상태로 유지하여 양호한 전자 이동성을 허용한다. 그럼에도 불구하고, 고압 (104 Pa) 및 고온 (> 1000℃)은 낮은 수율을 제공하고 추가적으로 높은 비용을 수반하여 산업 규모에서 이들의 생존 가능성을 배제한다.
원위치 내 기술의 주요 유형 중에는 용매열/열수 합성 (Sadhana, K.; Shinde, R.S.; and Murthy, S.R. Synthesis of nanocrystalline YIG using microwave-hydrothermal method. Int. J. Mod. Phys. B 2012, 23), 졸-겔 합성 (Thota, S.; Prasad, B.; Kumar, J. Formation and magnetic behaviour of manganese oxide nanoparticles. Mater. Sci. Eng. B 2010. 167 (3), 153-160), 금속 전구체/공침전의 감소 및 깊은 공융 용매로부터의 침전이 있다. 이 후자의 기술은 전통적으로 이용되는 반응 매질의 한계를 극복하기 위해 통상적인 용매를 대체하는 용매를 모색하는 작업 덕분에 낮은 융점을 갖는 깊은 공융 용매 (DES)의 큰 잠재력이 다른 화학 분야에서 저렴하고 대체 용매의 관점에서 분명해졌다는 사실 때문에 강조된다.
비록 대부분의 DES는 이온성 종인 ChCl에서 획득되지만, 이들이 비이온성 종으로부터 획득될 수 있다는 사실 때문에 전통적인 이온성 액체로 간주되어서는 안된다. 또한, 이온성 액체와 비교할 때, DES는 그 중에서도 이들의 저렴한 가격, 그 제조에서의 단순성, 이들의 생분해성 및 무독성이 강조될 수 있다는 일련의 장점을 제시한다. 비록 이온성 액체가 나노 기술의 많은 분야에서 이용되지만 여전히 이들의 유사체 (DES)의 사용은 거의 없다.
예를 들어, DES는 이들의 월등한 특성과 환경 친화성으로 인해 금속 및 금속 산화물, 예컨대 ZnO (Dong, J.-E.; Hsu, E.-J.; Wong, D. S.-H.; Lu, S.-E. Growth of ZnO nanostructures with controllable morphology using a facile green antisolvent method. J. Phys. Chem. C 2010. 114 (19), 8867-8872) 또는 V2O5 (Billik, P.; Antal, P.; Gyepes, R. Product of dissolution of V2O5 in the choline chloride-urea deep eutectic solvent. lnorg. Chem. Commun. 2015, 60, 37-40)의 나노 입자의 합성에 사용되었다. 다른 한편으로, 발생하는 반응 과정에 대한 정보가 많이 존재하지 않다는 사실로 인해 최종 제품의 형태에 대한 제어가 거의 없다는 것이 강조되어야 한다. 여기에 이들 용매가 저온 (<100℃)에서 분해한다는 것이 추가되어야 한다.
탄소질 물질/MOx (금속 산화물)의 복합체의 제조를 위한 또 다른 중요한 경로는 용매 내 다른 물질의 존재하에서 사전제조된 나노 입자의 분산이다. 이 방법은 나노 복합체의 원위치 외 합성으로 정의된다. 이 합성은 제품의 크기, 모양 및 기능성에 대해 양호한 제어를 제공하는 대안적인 방법이다. 그럼에도 불구하고, 본 원위치 외 공정은 2차원 물질의 후면과 표면 사이에 비-공유 상호작용을 생성할 목적으로 나노 입자의 표면을 변형하는 후처리에 부가하여 간단한 용어로 설명된 방법 중 하나의 수단에 의한 물질의 준비를 요한다.
요약하면, 그래핀과 금속 산화물로 구성된 나노 물질의 합성 방법 중 주요한 문제는 상기 물질을 대량으로 생산하기 위해 공정을 스케일링할 때 일어난다. 이는 합성 조건의 스케일링 및 제품 특성의 제어에서의 어려움에 기인한다.
본 발명은 2개 이상의 구성성분으로 구성된 나노 물질을 획득하는 방법의 수단에 의해 본 기술 상태에서의 현재 문제를 해결하며, 여기서 이들 구성성분 중 적어도 하나는 탄소질 물질이고 적어도 다른 구성성분은 금속 산화물이다.
본 발명의 방법은 적당한 압력 및 온도에서 산업적 양으로 액체 매질에서 이들 나노 물질을 제조하고, 합성의 파라미터의 제어 수단에 의해 상기 나노 물질의 물리화학적 특성을 제어할 수 있게 한다.
본 발명의 제일 양태에서, 탄소질 물질 및 금속 산화물로 구성된 나노 물질의 획득 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 1 내지 5시간 동안 용매에 금속 산화물의 용해;
b) 1 내지 5시간 동안 30℃ 내지 60℃의 온도에서 초음파 수단에 의한 단계 a)로부터의 용액의 촉매작용;
c) 단계 a)로부터의 용액에 탄소질 물질의 첨가 및 초음파 수단에 의한 분산; 및
d) 나노 입자의 형태로 금속 종의 형성을 위해 단계 c)에서 생성된 용액에 알칼리 용액의 첨가.
초음파의 사용에 의한 상의 균질화는 수득한 제품의 에너지 저장 특성에 대해 유익한 효과를 생성한다.
금속의 용액과 알칼리 용액 사이의 혼합 속도 (단계 d))는 수득된 제품의 특성에 영향을 미친다는 점이 강조되어야 한다. 더 빠른 혼합 속도는 더 큰 크기의 나노 입자와 더 큰 전기용량의 보유를 생성한다는 것이 관찰되었다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 이용된 금속 산화물은 ZnO, Mn3O4, Fe3O4, CeO2, MnO2, FeO, Fe2O3, WO3, SnO2, RuO2 및/또는 Co3O4일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 탄소질 물질은 그래핀, 그래핀의 나노 판, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그라파이트, 그라파이트 산화물, 탄소의 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 또는 활성탄이다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 본 방법의 단계 a)의 용매는 물과 유기산의 혼합물이다. 또 다른 바람직한 양태에서, 본 유기산은 말론산, 시트르산 또는 옥살산이다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 물과 유기산의 혼합물은 1:6의 비율로 제조된다.
본 발명의 또 다른 측면은 단계 a)의 용매가 깊은 공융 용매일 수 있다는 것이다. 또 다른 바람직한 양태에서, 본 깊은 공융 용매는 적어도 수소 결합의 공여체와 4차 암모늄의 혼합물에 의해 형성된다. 보다 바람직하게는, 수소 결합의 공여체는 말론산이고 4차 암모늄은 염화 콜린이다.
선택적으로, 단계 a) 및 b)는 제2 금속 산화물로 반복될 수 있다. 다른 바람직한 양태에서, 제2 금속 산화물은 ZnO, Mn3O4, Fe3O4, CeO2, MnO2, FeO, Fe2O3, WO3, SnO2, RuO2 및/또는 Co3O4일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 제1 및 제2 금속 산화물의 용액은 본 발명의 방법 목적에 따라 단계 c) 및 d)를 후속적으로 수행할 목적을 가지고 혼합되고 균질화된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 탄소질 물질 및 금속 산화물로 구성된 나노 물질은 전술한 방법 및 이들의 변형에 따라 수득되어 제공된다.
본 발명의 주요한 이점은 다음의 점에 있다:
■ 높은 압력뿐 아니라 온도의 이용도 필요로 하지 않는 공정에서 나노 물질의 제조를 스케일링하는 것을 허용한다.
■ 이들 공정에서 합성 파라미터의 제어 수단에 의해, 제품의 특성을 제어하는 것이 가능하다.
■ 이용된 용매는 이들의 구성성분의 독성이나 휘발성과 관련하여 어떠한 위험도 나타내지 않는다.
■ 이들 공정에서 얻은 나노 물질은 재현 가능한 방식으로 우수한 에너지 저장 특성을 나타낸다.
본 발명의 이해를 용이하게 하는 목적을 가지고, 제한하는 방식이 아닌 예시적인 방식으로, 본 발명의 실시형태의 방식이 일련의 도면을 참조로 하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 그래핀과 Mn3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 2는 활성탄과 Mn3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 3은 그래핀과 Mn3O4 및 Fe3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 4는 그래핀과 ZnO의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 6은 그래핀과 Mn3O4 및 Ag의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 7은 활성탄과 Mn3O4 및 Fe3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 8은 그래핀/탄소/Mn3O4/Fe3O4의 나노 튜브로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 1은 그래핀과 Mn3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 2는 활성탄과 Mn3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 3은 그래핀과 Mn3O4 및 Fe3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 4는 그래핀과 ZnO의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 6은 그래핀과 Mn3O4 및 Ag의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 7은 활성탄과 Mn3O4 및 Fe3O4의 나노 입자로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
도 8은 그래핀/탄소/Mn3O4/Fe3O4의 나노 튜브로 구성된 나노 물질의 전자 현미경 이미지이다.
실시예
1.
그래핀
/
Mn
3
O
4
복합체의 제조
Mn3O4 (Sigma-Aldrich 제품 번호 377473) 60mg을 1:6 몰비로 말론산과 물의 혼합물로 구성된 용매 40ml에 첨가했다. 혼합물을 용해될 때까지 초음파처리 조에서 1시간 동안 초음파 처리하였다.
그래핀의 나노 판 (GrapheneTech 제품 번호 GP500 801282-5) 60mg을 그 다음 첨가하고 수득한 혼합물을 다시 추가로 1시간 동안 초음파 조에서 균질화시켰다.
500ml의 NaOH (VWR 제품 번호 28240.361) 1M을 그 다음 6.4ml/분의 속도로 현탁액을 교반기 플레이트 상에서 교반하면서 첨가하였다. 혼합물을 추가로 30분 동안 교반하고 나일론 막 (0.45 마이크로미터)을 통해 진공하에 여과하였다. 잔류물을 100ml의 증류수로 세정한 다음 100ml의 무수 에탄올로 세정하고 100℃에서의 오븐에서 12시간 동안 건조하여, 120mg의 짙은 회색 분말을 얻었다. 샘플의 분석을 위해, 상기 분말 중 1 밀리그램을 취하고 5ml의 무수 에탄올에 15분 동안의 초음파처리에 분산시켰다. 상기 분산액 중 일부 방울을 취하여 탄소로 코팅된 구리 그리드 상에 첨가하고 투과 전자 현미경 (TEM)으로 관찰하였다. 이미지는 도 1에 도시되어 있다.
실시예
2.
그래핀
/
Mn
3
O
4
/
Fe
3
O
4
복합체의 제조
Fe3O4 (Sigma-Aldrich 637106) 20mg을 1:6 몰비로 염화 콜린과 말론산으로 구성된 사전에 준비한 혼합물에 첨가했다. 전체를 용해될 때까지 초음파처리 조에서 20시간 동안 초음파 처리되도록 했다.
부가하여, 1:6 몰비로 말론산과 물로 구성된 혼합물을 준비하고, 여기에 Mn3O4 (Sigma-Aldrich 377473) 30mg을 첨가하고 초음파처리 조에서 1시간 동안 초음파 처리하여 용해시켰다.
양 용액을 초음파 조에서 추가로 1시간 동안 초음파처리함에 의해 혼합시키고 이 기간에 이어서 그래핀 나노 판 (Graphene-Tech 제품 번호 GP500 801282-5) 50mg을 첨가하고 수득한 혼합물을 다시 초음파 조에서 추가로 1시간 동안 균질화시켰다.
40ml의 수용액 NaOH (VWR 제품 번호 28240.361) 1M을 그 다음 첨가하고, 그 후 추가의 400ml의 수용액 NaOH 5M을 첨가하였다. 혼합물을 교반한 후, 수득한 고체를 진공하에서 여과하고 증류수로 세정한 다음 100ml의 무수 에탄올로 세정하고 이를 100℃에서의 오븐에서 12시간 동안 건조하여, 100mg의 짙은 회색 분말을 얻었다. 따라서 수정 없이 5mg의 물질을 이용한, 샘플을 스캐닝 전자 현미경 (scanning electron microscopy; SEM)에 의해 분석하였다. 이미지는 도 3에 도시되어 있다.
실시예
3:
그래핀
/
ZnO
복합체의 제조.
먼저, 용액을 1:6 몰 비율로 말론산과 물의 혼합물로 구성되게 준비했다. 이어서 ZnO (Aldrich 14439) 60mg을 30ml의 상기 용액에 첨가하고 혼합물을 초음파 조에서 90분 동안 초음파에 제공하였다. 그래핀 나노 판 (Graphene-Tech 제품 번호 GP500 801282-5) 60mg을 그 다음 첨가하고 수득한 혼합물을 다시 추가로 90분 동안 초음파 조에서 균질화시켰다.
400ml의 NaOH 1M 용액을 pH 12가 될 때까지 계속 교반하면서 첨가한 다음, 초음파 조에서 1시간의 초음파처리를 하였다. 마지막으로, 혼합물을 여과하고 증류수 및 에탄올로 세정하고 12시간 동안 100℃에서의 오븐에서 건조하여, 99.5mg의 흑색 물질을 얻었다.
샘플의 분석을 위해, 상기 분말 중 1 밀리그램을 취하고 15분 초음파처리의 수단에 의해 5ml의 무수 에탄올에 분산시켰다. 상기 분산액 중 몇 방울을 취하여 탄소로 코팅된 구리 그리드 상에 첨가하고 투과 전자 현미경 (TEM)으로 관찰하였다. 이미지는 도 4에 도시되어 있다.
실시예
4.
그래핀
/
Mn
3
O
4
/
ZnO
복합체의 제조
ZnO 50mg을 1:6 몰 비율로 말론산과 물의 혼합물에 의해 형성된 용매 20ml에 첨가하였다. 유사하고 독립적인 방식으로, 30mg의 Mn3O4를 전술한 것과 동일한 용매 20ml에 첨가하였다. 양 혼합물을 금속 산화물의 용해가 완료될 때까지 초음파 조에서 1시간 동안 독립적인 방식으로 초음파처리했다.
그런 다음 양 용액을 혼합하고 그래핀 나노 판 80mg을 첨가했다. 새로운 혼합물을 추가로 1시간 동안 초음파처리하고 100ml의 NaOH 5M 용액을 그 다음 자석 막대로 기계적 교반하에서 첨가하였다.
혼합물의 pH가 12의 값에 도달되었을 때, 배지에 존재하는 고체를 진공 하에서 여과하여 분리하고 증류수, 에탄올로 세정하였다. 마지막으로 12시간 동안 100℃에서의 오븐에서 건조하여 157mg의 어두운 물질을 얻었다.
샘플의 분석을 위해, 상기 분말 중 1 밀리그램을 취하고 15분 초음파처리의 수단에 의해 5ml의 무수 에탄올에 분산시켰다. 상기 분산액 중 몇 방울을 취하여 탄소로 코팅된 구리 그리드 상에 첨가하고 투과 전자 현미경 (TEM)으로 관찰하였다. 이미지는 도 5에 도시되어 있다.
실시예
5.
그래핀
/
Mn
3
O
4
/
Ag
복합체의 제조
30mg의 Mn3O4를 1:6 몰 비율로 말론산과 물의 혼합물로 구성된 용액 30ml에 첨가하고 본 혼합물을 초음파 조에서 2시간 동안 초음파처리했다. 15.75mg의 AgNO3을 그 다음 본 혼합물에 첨가하고 추가로 30분 동안 초음파를 적용하면서 용해시켰다.
50mg의 그래핀 나노 판 (Graphene-Tech 제품 번호 GP500 801282-5)을 이전의 혼합물에 첨가하고 전체 시스템을 추가의 시간 동안 초음파처리하였다.
자석 막대를 혼합물에 포함시키고 25mg의 NaBH4를 천천히 첨가하면서 교반하였다. 30분 후, 알칼리성 pH가 될 때까지 300ml의 NaOH 용액 1M을 첨가하였다. 마지막으로 혼합물에 존재하는 고체를 진공 여과하고 증류수와 에탄올로 세정하고 100℃에서의 오븐에서 12시간 동안 건조시켰다.
수득한 혼합물을 진공하에 여과하고 수득된 고체를 증류수와 에탄올로 세정하고 최종적으로 100℃에서 12시간 동안 건조시켰다. 샘플의 분석을 위해, 1 밀리그램의 상기 분말을 취하고 15분 초음파처리에 의해 5ml의 무수 에탄올에 분산시켰다. 상기 분산액 중 몇 방울을 취하여 탄소로 코팅된 구리 그리드 상에 첨가하고 투과 전자 현미경 (TEM)으로 관찰하였다. 이미지는 도 6에 도시되어 있다.
실시예
6: 활성탄/
Mn
3
O
4
/
Fe
3
O
4
복합체의 제조
30mg의 Mn3O4 및 20mg의 Fe3O4를 옥살산 0.1M의 수용액에 첨가하고 혼합물을 모든 고체 물질이 완전히 용해될 때까지 대략 1시간 동안 초음파 조에서 초음파 처리되도록 하였다. 50mg의 활성탄 (Haycarb HCE 202)을 그 다음 전기한 혼합물에 첨가하고 전체를 추가로 30분 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 10ml의 NaOH 5M 수용액을 혼합물에, 전체를 자기 막대로 격렬하게 교반하면서 천천히 첨가하였다.
마지막으로, 혼합물을 진공 하에서 여과하여 어두운 물질을 얻었으며 이를 증류수, 에탄올로 세정하고 오븐에서 100℃에서 건조시켰다.
샘플은 변형 없이 목표 5mg의 물질을 이용하여 주사 전자 현미경 (SEM)으로 분석하였다. 이미지는 도 7에 도시되어 있다.
실시예
7:
그래핀
/탄소/
Mn
3
O
4
/
Fe
3
O
4
의
나노 튜브 복합체의 제조
30mg의 Mn3O4 및 20mg의 Fe3O4를 옥살산 0.1M의 수용액에 첨가하고 혼합물을 모든 고체 물질이 완전히 용해될 때까지 대략 1시간 동안 초음파 조에서 초음파 처리되도록 하였다. 30mg의 그래핀의 나노 판 (GrapheneTech 제품 번호 GP500 801282-5) 및 20mg의 탄소의 나노 튜브 (Carbon Solutions, Inc. AP-SWNT)를 그 다음 전기한 혼합물에 첨가하고 전체를 추가로 30분 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 10ml의 NaOH 5M 수용액을 그 다음 혼합물에, 전체를 자기 막대로 격렬하게 교반하면서 천천히 첨가하였다.
마지막으로, 혼합물을 진공 하에서 여과하여 어두운 물질을 얻었으며 이를 증류수, 에탄올로 세정하고 오븐에서 100℃에서 건조시켰다.
샘플은 변형 없이 목표 5mg의 물질을 이용하여 주사 전자 현미경 (SEM)으로 분석하였다. 이미지는 도 8에 도시되어 있다.
실시예
8:
그래핀
산화물/
Mn
3
O
4
복합체의 제조
40mg의 Mn3O4를 1:6 몰 비율로 말론산과 물의 혼합물로 구성된 용액에 첨가하고 본 혼합물을 고체가 완전히 용해될 때까지 대략 1시간 동안 초음파 조에서 초음파 처리에 제공했다. 4g/l의 농도를 갖는 그래핀 산화물 (Graphenea Graphene Oxide GO)의 현탁액 10ml를 상기 혼합물에 첨가하고 전체를 초음파 조에서 추가의 시간 동안 초음파 처리되도록 하였다. 다음 단계에서 150ml의 NaOH 5M 수용액을 첨가하고 혼합물을 다시 추가로 1시간 동안 초음파 처리하였다. 마지막으로, 배지에 존재하는 고체를 진공 하에서 여과에 의해 분리하고 증류수와 에탄올로 세정한 후 이것을 오븐에서 100℃에서 건조하여, 79mg의 고체 흑색 물질을 얻었다.
실시예
9: 환원된
그래핀
산화물/
Mn
3
O
4
복합체의 제조
75mg의 Mn3O4를 1:6 몰 비율로 말론산과 물의 혼합물로 구성된 용액에 첨가하고 본 혼합물을 산화물이 완전히 용해될 때까지 대략 1시간 동안 초음파 조에서 초음파 처리에 제공했다. 70mg의 환원된 그래핀 산화물 (Graphenea Reduced Graphene Oxide rGO)을 그 다음 첨가하고 혼합물을 추가의 시간 동안 초음파 처리하였다. 150ml의 NaOH 5M 수용액을 그 다음 첨가하고 전체 혼합물을 추가의 시간 동안 자석 막대로 교반하였다. 수득한 고체를 진공 하에서 여과에 의해 분리하고 증류수와 에탄올로 세정한 후 이것을 오븐에서 100℃에서 건조하여, 149.5mg의 어두운 고체 물질을 얻었다.
Claims (13)
- 탄소질 물질 및 금속 산화물로 구성된 나노 물질의 획득 방법으로서,
a) 1 내지 5시간 동안 용매에 금속 산화물의 용해 단계;
b) 1 내지 5시간 동안 30℃ 내지 60℃의 온도에서 초음파 수단에 의한 단계 a)로부터의 용액의 촉매작용 단계;
c) 단계 a)로부터의 용액에 탄소질 물질의 첨가 및 초음파 수단에 의한 분산 단계; 및
d) 나노 입자의 형태로 금속 종의 형성을 위해 단계 c)로부터의 용액에 알칼리 용액의 첨가 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 ZnO, Mn3O4, Fe3O4, CeO2, MnO2, FeO, Fe2O3, WO3, SnO2, RuO2 및/또는 Co3O4로 구성된 군으부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소질 물질은 그래핀, 그래핀의 나노 판, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그라파이트, 그라파이트 산화물, 탄소의 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 또는 활성탄인 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 a)의 용매는 물과 유기산의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 물과 유기산의 혼합물은 1:6의 몰 비율로 되는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유기산은 말론산, 시트르산 또는 옥살산인 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 a)의 용매는 깊은 공융 용매인 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 깊은 공융 용매는 적어도 수소 결합 공여체와 하나의 4차 암모늄의 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 수소 결합 공여체는 말론산이고 4차 암모늄은 염화 콜린인 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
부가적으로 단계 a) 및 b)는 제2 금속 산화물로 반복될 수 있는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제2 금속 산화물은 ZnO, Mn3O4, Fe3O4, CeO2, MnO2, FeO, Fe2O3, WO3, SnO2, RuO2 및/또는 Co3O4로 구성된 군으부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 금속 산화물의 용액은 제1항에 기술된 방법에 따라 단계 c) 및 d)를 후속적으로 수행할 목적으로 혼합되고 균질화되는 것을 특징으로 하는 나노 물질의 획득 방법.
- 탄소질 물질 및 금속 산화물로 구성된 제1항 또는 제10항의 방법에 따라 수득된 나노 물질.
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