KR20210008189A - 금속산화물 나노복합체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액에 레이저를 조사하여 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물을 형성하여 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계; 를 포함하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법에 대한 것이다.

Description

금속산화물 나노복합체의 제조방법{Method for producing metal oxide nanocomposite}
본 발명은 금속산화물 나노복합체의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 탄소나노구조체의 표면에 금속산화물의 선택적인 구형 핵 성장을 구현하여, 비표면적이 극대화된 금속산화물 나노복합체를 합성하는 방법에 관한 것이다.
최근 탄소나노튜브에 나노 입자를 결합한 탄소나노튜브-나노입자 복합체에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 의하면 탄소나노튜브의 자체 특성뿐만 아니라 나노입자의 특성을 응용할 수 있어, 촉매, 센서 또는 나노크기의 전자기적 기기에 적용 가능하다. 이러한 적용을 위해서, 탄소나노튜브 및 나노입자의 고유한 특성을 유지시키면서도 탄소나노튜브에 나노입자를 고정하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있는 실정이다.
특히, 탄소나노튜브-금속나노입자 복합체의 경우, 다양한 형태의 전자재료로서 활용 가능하기 때문에, 탄소나노튜브에 금속나노입자를 고정하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 구체적인 예로, 탄소나노튜브와 금속들을 물리적으로 혼합하여 복합체를 제조하는 방법이 제안되었으나, 이러한 복합체에서는 금속이 탄소나노튜브에 제대로 결합되어 있지 않거나, 균일하게 분산되지 않고 뭉쳐져 있어서, 전자 재료로서 적용하기 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브에 금속을 화학적으로 결합하는 방법이 제안되었으나, 이러한 방법에 의하여도 금속나노입자가 탄소나노튜브에 균일하게 고정되지 않을 뿐만 아니라 고정된 금속 입자의 크기도 균일하게 되지 않는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제 10-1598544 호는 분산성 탄소나노튜브, 분산성 탄소나노튜브-고분자 복합체 및 이의 제조방법이 개시되어 있다.
종래의 탄소나노튜브 복합체의 제조방법은 탄소나노튜브 백본(backbone) 및 하나 이상의 히드록실기를 갖는 C6-C14 방향족 작용기를 포함한 유기 모이어티를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브 복합체의 제조방법은 화학적 개질이 필요한 문제가 있다.
종래의 탄소나노튜브 복합체의 제조방법은 탄소나노튜브 상호간의 강한 인력으로 인하여, 고분자 재료 내에서 낮은 분산도를 가져 그 응용성 및 생산성 면에서 한계를 나타내고 있고, 탄소나노튜브의 이러한 분산성 문제를 해결하기 위하여 질산, 황산 또는 이들의 혼합 용액과 같은 산 수용액에 탄소나노튜브를 함침시켜 표면을 산화시킴으로써 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키는 방법이 제안되었다.
탄소나노튜브를 산처리 하면, 탄소나노튜브의 표면에 카르복시기의 작용기가 형성되어 탄소나노튜브 상호간의 정전기적 인력을 극복할 수 있어 분산성이 향상된다. 그러나, 이러한 산처리는 탄소 나노튜브의 표면을 손상시켜 탄소나노튜브의 물성을 저하시키는 문제점을 갖고 있다. 또한 산 처리 공정은 작업의 안정성 문제와 오염물의 처리 문제와 같은 환경문제를 수반하고, 실제 응용성의 관점에서 시간적/경제적 한계 요인으로 작용하고, 탄소나노튜브 성장 상태의 구조에 손상을 야기시키는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 금속산화물 나노복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 상기 제조방법을 통하여 제조된 금속산화물 나노복합체를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액에 레이저를 조사하여 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물을 형성하여 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계; 를 포함하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 금속산화물 전구체는 Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sn, Ga, Tl 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 탄소나노구조체는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 탄소 나노로드, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계는 0.01 J 내지 100 J의 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계에서, 상기 레이저는 5 분 내지 100 분 동안 조사하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계는 상기 탄소나노구조체 표면에서 금속산화물이 구형 핵 성장하여 증착되고, 상기 금속산화물은 이격되어 핵 성장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계 이후에, 상기 합성된 금속산화물 나노복합체를 세정 및 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 상기 제조방법을 이용하여 제조된 금속산화물 나노복합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속산화물 나노복합체의 금속산화물은 구형 또는 반구형일 수 있다.
본 발명의 일 양태는 상기 금속산화물 나노복합체를 포함하는 전극촉매를 제공한다.
본 발명은 레이저를 조사하는 단일한 공정을 수행하는 것만으로 탄소나노튜브의 표면에 선택적인 구형 핵 성장이 구현된 금속산화물 나노복합체를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제조방법에 의해 합성된 비표면적이 높은 금속산화물 나노복합체를 제공한다.
본 발명의 금속산화물 나노복합체는 높은 비표면적 및 광학적, 전기적 특성을 이용한 나노소재의 전분야에 이용될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 금속산화물 나노복합체의 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 순수한 탄소나노튜브의 표면(a) 및 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 표면이 개질된 탄소나노튜브(b), 금속산화물이 핵 성장한 탄소나노튜브의 표면(c)의 TEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물 나노복합체의 TEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물 나노복합체의 성분 분석을 위한 TEM 이미지 및 EDX 분석의 결과 이미지다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물 나노복합체의 XRD 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물 나노복합체의 XPS 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물의 압전성능의 실험 결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물의 촉매특성의 실험 결과 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 금속산화물 나노복합체의 제조방법의 흐름도이다.
본 발명은 일 실시예에서, 비표면적이 향상된 금속산화물 나노복합체의 제조방법을 제공한다.
구체적으로 본 발명은 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계(S100); 및 상기 혼합용액에 레이저를 조사하여 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물을 형성하여 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200); 를 포함하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법을 제공할 수 있다.
먼저, 본 발명은 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계(S100)를 포함할 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계(S100)는 합성하고자 하는 금속산화물의 전구체 및 탄소나노구조체를 선택하고, 용매에 녹여 수행될 수 있다.
예를 들면, 상기 금속산화물 전구체는 전이금속 또는 전이후금속, 예를 들면, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sn, Ga, Tl 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 금속산화물 전구체는 상기 합성하고자 하는 금속산화물을 이루는 금속일 수 있으나, 금속에 한정하지 않고, 상기 합성하고자 하는 금속산화물의 합성에 요구되는 비금속을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 탄소나노구조체는, 탄소원자로 구성되는 나노 사이즈의 물질을 의미하며, 예를 들면, 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 탄소 나노로드, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 용매는 상기 탄소나노구조체 및 금속산화물 전구체를 분산시키는 역할을 하며, 하기의 레이저조사 공정을 수행하는 경우, 금속산화물 전구체와 반응하여 금속산화물을 합성할 수 있는 물질, 예를 들면, 증류수, 에탄올, 아세톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 유기용매 중 어느 하나일 수 있고, 예를 들면, 상기 혼합용액을 준비하는 단계(S100)는 상기 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 증류수에 녹여서 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계(S100)는 예를 들면, Zn, Sn 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 증류수에 녹인 후, 교반(stirring)하여 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 혼합용액을 준비하는 단계(S100)는 예를 들면, Co, P 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 증류수에 녹인 후, 교반하여 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제조방법은 상기 혼합용액에 레이저를 조사하여 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물을 형성하여 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200)를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200)는 상기 혼합용액을 준비하는 단계에서 준비한 금속산화물 전구체, 탄소나노구조체 및 용매가 혼합된 혼합용액 및 교반기가 포함된 반응챔버의 합성장소에 레이저를 조사하여 수행된다.
상기 레이저는 반응챔버의 국소적인 합성장소에 조사될 수 있고, 반응챔버 내에서 합성장소 외에 존재하는 혼합용액은 반응하기에 충분한 에너지를 공급받지 않을 수 있다. 따라서, 합성장소 외에 존재하는 혼합용액에 포함된 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체는 반응하지 않고, 혼합용액 상태로 존재할 수 있다.
본 명세서에서 레이저란 광자를 결 맞은 빛으로 방출하는 광원을 의미한다. 대부분의 광원은 결이 맞지 않은 수많은 빛을 넓은 파장 범위에서 넓은 면적으로 방출하지만, 상기 레이저 빔은 얇고 퍼지지 않고, 빛 본래의 성질에 더하여 강력한 에너지를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 조사되는 레이저는 펄스 레이저(pulse laser)일 수 있다. 상기 펄스 레이저는 전체 에너지는 연속파 레이저(continuous laser)와 비슷하지만 하나의 펄스 지속시간이 짧아 높은 빛의 강도를 지니는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 조사되는 펄스 레이저는 본 발명의 금속산화물 나노복합체를 제조하기 위하여 충분한 에너지를 조사할 수 있어야 하고, 상기 펄스 레이저의 펄스폭은 1 ns 내지 50 ns일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 조사되는 레이저는 0.01 J 내지 100 J, 예를 들면, 0.01 J 내지 50 J 의 에너지를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저는 5분 내지 100분, 예를 들면, 10분 내지 60분 동안 조사하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 반응챔버에 레이저가 조사되면, 물리적인 레이저 박리(laser exfoliation)에 의해 탄소나노튜브의 표면이 개질 될 수 있다.
표면처리가 되지 않은 탄소나노튜브의 탄소구조는 입자간 반데르발스 힘에 의해 엉킴이 발생하게 되고 분산성이 문제된다. 입자간 엉킴이 없어야 탄소나노튜브의 표면과 금속산화물간에 강한 계면 접착력이 발생된다.
종래의 기술은 탄소나노튜브의 이러한 분산성 문제를 해결하기 위하여 질산, 황산 또는 이들의 혼합 용액과 같은 산 수용액에 탄소나노튜브를 함침시켜 표면을 산화시킴으로써 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키는 방법이 제안 되었으나, 상기 산 수용액을 사용한 탄소나노튜브의 표면 개질 방법은 복잡한 공정으로 인한 공정시간상승 및 강한 산을 사용하여 인체에 유해한 문제점이 있었다.
본 발명의 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200)는 레이저를 조사하는 단일하고, 간단한 공정으로 상기 탄소나노튜브의 표면을 개질 시킬 수 있고, 상기 탄소나노튜브 표면의 개질에 의하여, 금속산화물이 탄소나노튜브의 표면에 수월하게 핵 성장할 수 있고, 탄소나노튜브간의 반데르발스 힘에 의한 엉킴도 방지 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 레이저를 조사하는 공정에 의하여, 에너지가 주입되고, 에너지가 주입된 합성장소에 존재하는 금속산화물 전구체로부터 금속산화물이 합성될 수 있고, 상기 합성된 금속산화물은 상기 개질된 탄소나노튜브의 표면에 구형으로 핵 성장할 수 있다.
구체적으로, 상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계는 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물이 이격되어 구형으로 핵 성장하여 증착될 수 있고, 이로 인하여, 표면적이 증가된 금속산화물 나노복합체를 수득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 탄소구조체 표면에 구형으로 형성되는 금속산화물은 ZnSnO3, CoO 및 CoOP 중 어느 하나일 수 있다.
예를 들면, 상기 혼합액을 준비하는 단계(S100)에서, 상기 혼합액에 포함된 금속산화물 전구체가 Zn 및 Sn이라면, 상기 탄소구조체 표면에 구형으로 형성되는 금속산화물은 ZnSnO3일 수 있고, 또 다른 예에서, 상기 혼합액에 포함된 금속산화물 전구체가 Co 및 P이라면, 상기 탄소 구조체 표면에 구형으로 형성되는 금속산화물은 CoOP일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200) 이후에, 상기 합성된 금속산화물 나노복합체를 세정 및 건조하는 단계(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 금속산화물 나노복합체만을 수득하기 위하여, 상기 합성된 금속산화물 나노복합체 및 반응하지 않은 혼합용액을 분리하는 과정이 필요하고, 부가적인 화합물이 생성될 수 있으므로, 이를 제거하기 위하여 세정하는 과정을 수행할 수 있다.
이러한 세정과정에서, 세정용액으로는 에탄올, 아세톤, 탈 이온수(DI), 메탄올, 프로판올 중 어느 하나를 이용하여 수행할 수 있고, 상기 세정 과정은 상기 합성된 금속산화물 나노복합체 외의 불순물이 모두 제거될 때까지 반복하여 수행하는 것이 바람직하다. 한편, 건조는 일반건조, 예를 들면, 상온에서 건조를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계(S100); 및 상기 혼합용액에 레이저를 조사하여 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물을 형성하여 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계(S200); 를 포함하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법을 통하여 제조한 금속산화물 나노복합체를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 나노복합체의 제조방법은 상기 양태에서 설명하는 것으로 갈음한다.
예를 들면, 상기 금속산화물 나노복합체의 금속산화물은 구형 또는 반구형일 수 있고, 각각의 금속산화물은 탄소나노튜브의 표면에서 이격되어 존재할 수 있다.
종래의 합성방법(Guimin An. nanotechnology (19) 2008)으로 제조된 금속산화물 나노복합체의 경우, 탄소나노튜의 표면이 금속산화물로 코팅된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물 나노복합체는 상기 종래의 합성방법으로부터 제조된 금속산화물 나노복합체와 비교하여, 높은 비표면적을 가질 수 있다.
상기 표면적이 증가함으로 인하여, 우수한 전기적, 광학적 특성을 가지게 되므로, 나노소자가 필요한 에너지 하베스팅, 나노 센서, 축전기, 전극촉매등의 분야에서 활용이 가능하다.
본 발명의 일 양태는 상기 금속산화물 나노복합체가 포함된 전극촉매를 제공한다.
본 명세서에서 전극촉매란, 예를 들면, 연료전지의 효율을 높이기 위하여 첨가하여 사용하는 촉매일 수 있고, 나노입자를 사용한 촉매는 표면적을 증가시켜 적은 양의 촉매로 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 금속산화물 나노복합체가 포함된 전극 촉매는 노출된 탄소나노튜브로 인한 높은 전도도 및 구형의 금속산화물로 인한 넓은 표면적을 가지고 있는 것을 특징으로 하여 기존의 나노입자를 포함하여 제조된 전극촉매에 비하여 효율이 높고, 전극촉매로 가장 많이 사용하는 기존의 백금촉매에 비하여, 백금을 포함하지 않고도 우수한 전극촉매 활성을 가지고, 산업적으로 대량 생산이 용이하며 생산 단가를 절감할 수 있는 특징이 있다.
본 발명은 레이저를 조사하는 단일한 공정을 수행하는 것만으로 탄소나노튜브의 표면에 선택적인 구형 핵 성장이 구현된 금속산화물 나노복합체를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 제조방법에 의해 합성된 비표면적이 높은 금속산화물 나노복합체를 제공한다.
본 발명의 금속산화물 나노복합체는 높은 비표면적 및 광학적, 전기적 특성을 이용한 나노소재의 전분야에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 실시예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
실시예
실시예 1. 금속산화물 나노복합체의 제조
먼저, Sn, Zn, 및 탄소나노로드를 증류수에 녹여 혼합용액을 제조하였다.
상기 준비한 혼합용액을 반응챔버에 넣고, 약 0.01 J 내지 50 J의 에너지를 약 10분 내지 60분간 조사하여, 탄소나노로드의 표면에 ZnSnO3가 부착된 금속산화물 나노복합체를 제조 하였다.
실시예 2. 금속산화물 나노복합체의 제조
상기 실시예 1에서, 금속산화물 전구체로 Sn, Zn을 사용한 대신, Co, P를사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법을 수행하여 금속산화물 나노복합체를 제조 하였다.
실시예 3. 금속산화물 나노복합체의 제조
상기 실시예 1에서, 금속산화물 전구체로 Sn, Zn을 사용한 대신, Co를사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 같은 방법을 수행하여 금속산화물 나노복합체를 제조 하였다.
실시예 4. 전극 촉매의 제조
상기 실시예 2에서 제조한 금속산화물 나노복합체 4 mg을 에탄올, 아세톤, 탈이온수 및 나피온(nafion)과 혼합하여 30 분간 초음파처리 하여 잉크로 제작하였다. 상기 제작된 잉크를 글래시 카본(GC) 전극에 적하하여 상온에서 6시간 동안 건조하였다.
실험예 1. 금속산화물 나노복합체의 구조확인
상기 실시예 1에서 제조한 금속산화물 나노복합체의 구조를 확인하기 위하여, TEM, EDX, XRD 및 XPS를 사용하여 분석하였다.
도 3 내지 도 4는 상기 실시예 1에서 제조한 금속산화물 나노복합체의 구조를 확인하기 위한 TEM 이미지 및 EDX 분석 결과이다.
도 3을 참조하면, 반응하지 않은 탄소나노튜브(a)와 비교하여, 레이저를 조사한 후, 탄소나노로드의 표면이 개질되어 표면이 거칠어진 것을 확인할 수 있었고(b), 금속산화물이 구형 또는 반구형의 형태로 이격되어 탄소나노로드의 표면에 형성된 것을 확인할 수 있었다(c).
도 4를 참조하면, 금속산화물이 반구형의 형태로 탄소나노로드의 표면에 형성된 것을 확인 할 수 있었다.
도 5는 상기 실시예 1에서 제조한 금속산화물 나노복합체의 성분을 확인하기 위하여 DEX 분석을 실시한 결과이다.
도 5를 참조하면, 탄소나노로드의 표면에 Zn 및 Sn을 포함한 금속산화물이 구형 또는 반구형의 형태를 이루어 형성되어 있는 것을 알 수 있었다.
도 6 및 도 7은 상기 실시예 1에서 제조한 금속산화물 나노복합체의 XRD 및 XPS의 실험그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 금속산화물 나노복합체는 탄소나노튜브로드, Zn 및 Sn이 복합체를 이루고 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 압전소재로의 활용
DMF, NMP등의 유기용매에 PVDF 와 상기 실시예 1에서 제조한 금속산화물 나노복합체를 각각 5 %, 10 %, 탄소나노튜브 5 %를 첨가하여 혼합용액을 제조하였다.
상기 제조한 혼합용액을 전기방사 방법을 통하여 PVDF표면에 분산하여, 압전 복합막을 제작하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물의 압전실험 결과 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 10 % 첨가한 경우(a) 압전성이 가장 뛰어났으며, 단순히 탄소나노튜브를 5 % 첨가한 경우(c) 압전성이 가장 떨어지는 것을 알 수 있었다.
실험예 3. 전극촉매로의 활용
상기 실시예 4에서 제조한 전극촉매를 LSV(Linear sweep voltammetry)을 사용하여 물 분해 촉매 특성(oxygen evolution reaction)을 분석하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 금속산화물의 촉매특성의 실험 결과 그래프이다.
도 9를 참조하면, 상기 금속산화물 나노복합체를 전극촉매로 사용할경우, 물 분해 촉매특성이 비교군인 RuO2 보다 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 금속산화물 전구체 및 탄소나노구조체를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 및
    상기 혼합용액에 레이저를 조사하여 상기 탄소나노구조체 표면에 금속산화물을 형성하여 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계;
    를 포함하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 금속산화물 전구체는 Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sn, Ga, Tl 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합용액을 준비하는 단계에서, 상기 탄소나노구조체는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 탄소 나노로드, 탄소 나노섬유, 탄소 섬유 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계는 0.01 J 내지 100 J의 에너지를 갖는 레이저를 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계에서, 상기 레이저는 5분 내지 100분 동안 조사하여 수행하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계는 상기 탄소나노구조체 표면에서 금속산화물이 구형 핵 성장하여 증착되고, 상기 금속산화물은 이격되어 핵 성장하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노복합체를 합성하는 단계 이후에, 상기 합성된 금속산화물 나노복합체를 세정 및 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체의 제조방법.
  8. 제 1 항의 제조방법을 이용하여 제조된 금속산화물 나노복합체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노복합체의 금속산화물은 구형 또는 반구형인 것을 특징으로 하는 금속산화물 나노복합체.
  10. 제 8 항의 금속산화물 나노복합체를 포함하는 전극촉매.
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