WO2016052890A2 - 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법 - Google Patents

나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법 Download PDF

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carbon nanomaterial
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이건웅
백강준
장정인
정승열
정희진
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    • C07D239/02—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazine or hydrogenated 1,3-diazine rings not condensed with other rings
    • C07D239/24—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazine or hydrogenated 1,3-diazine rings not condensed with other rings having three or more double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C265/00—Derivatives of isocyanic acid
    • C07C265/02—Derivatives of isocyanic acid having isocyanate groups bound to acyclic carbon atoms

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a composite of a nano metal and a carbon nano material, and more particularly to a carbon nano material that is reactive with metal ions by reacting a carbon nano material with an isocyanate compound and a pyrimidine compound.
  • the present invention relates to a method for producing a composite of nano metals and carbon nanomaterials capable of producing metal particles having excellent dispersibility, which exhibits a low dimensional shape of less than three dimensions.
  • conductive carbon nanomaterials such as carbon nanotube (CNT), graphene, carbon fiber, etc. are used for transparent electrodes, antistatic, electromagnetic shielding, energy generation and storage electrode materials, heat dissipating materials, It is applicable to various fields such as polymer composites, metal composites, ceramic composites, conductive fibers, and the like.
  • a dilute solution or a coating solution in the form of a high viscosity paste (paste) or spinning dope is required.
  • dispersants such as surfactants, copolymer polymers, ionic liquids are essentially used to prepare coating liquids or pastes.
  • the functional group is excessively introduced on the surface of the material, it is easy to disperse, but in this case, there is a problem of lack of conductivity. Therefore, when manufacturing a conductive coating liquid or paste using a conductive carbon nano material while maintaining the conductivity without using a dispersant, it is possible to simplify the process as well as cost reduction.
  • the dispersant since the dispersant is not required, the combination with various binder materials, metals, and metal oxides is possible.
  • This prior art comprises the first step of producing a carbon nanotube dispersion in which carbon nanotubes are dispersed in an organic solvent; Mixing the carbon nanotube dispersion with a solution containing silver ions to attach the silver nanoparticles to the surface of the carbon nanotubes; And a third step of applying a centrifugation and washing process to the resultant of the second step.
  • an object of the present invention is to use a carbon nano material reactive with metal ions as an additive by mixing an isocyanate compound and a pyrimidine compound with a carbon nano material, and exhibiting a low dimensional shape of less than three dimensions. It is to provide a method for producing a composite of nano metal and carbon nano material capable of producing metal particles having excellent acidity.
  • the above object is to modify the surface of the carbon nanomaterial to introduce a functional group to the conductive carbon nanomaterial; Forming a carbon nanomaterial dispersion liquid that is reactive with metal ions by reacting the surface-modified carbon nanomaterial with an isocyanate compound and a pyrimidine compound; Preparing nanometal particles by adding a metal salt precursor, a reducing agent and a solvent to the carbon nanomaterial dispersion; It is achieved by a method for producing a composite of a nano metal and a carbon nano material, characterized in that it comprises the step of separating the nano-metal particles containing the carbon nano material.
  • the carbon nano material is preferably selected from the group consisting of carbon nanotubes (carbon nanotubes, CNTs), carbon fibers, carbonene, graphene, carbon black, and mixtures thereof.
  • the carbon nanomaterial is mixed with an isocyanate compound and a pyrimidine compound to react with the carbon nano material which is reactive with metal ions as an additive, thereby exhibiting a low dimensional shape of less than three dimensions. Nanometals can be obtained.
  • the complexing with the carbon nano material is made at the same time as forming the nano metal, and the solvent dispersibility is secured by the functional group formed by mixing and reacting the isocyanate compound and the pyrimidine compound to facilitate the manufacture of the conductive ink or paste. There is one effect.
  • FIG. 1 is a flow chart of a method for producing a composite of nano metal and carbon nano material according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a composite of nano metal and carbon nano material
  • FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing a phenomenon in which silver particles are complexed with carbon nanomaterials according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
  • FIG. 4 is a scanning electron micrograph showing a phenomenon in which a platinum is complexed to a carbon nano material according to an embodiment.
  • the carbon nano material is selected from the group consisting of graphene, carbon nanotubes (CNTs), carbon fibers, carbon blacks, and mixtures thereof.
  • a carbon nanomaterial dispersion is formed that is reactive with metal ions (S2).
  • the isocyanate compound and the pyrimidine compound are reacted with the surface-modified carbon nano material to form a carbon nano material dispersion which is reactive with metal ions.
  • a method for forming a carbon nanomaterial dispersion the carbon nanomaterial is dispersed in a solvent, mixed with an isocyanate compound, heated and stirred to introduce an isocyanate group into the carbon nanomaterial.
  • the pyrimidine-based compound is added thereto, followed by heating and stirring to form a carbon nanomaterial dispersion that is reactive with metal ions in a manner of conducting a conjugation reaction.
  • the isocyanate compound is ethylene diisocyanate, 1,4-tetramethylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI), 1,12-dodecane diisocyanate, cyclobutane-1,3-diisocyanate, Cyclohexane-1,3-diisocyanate, cyclohexane-1,4-diisocyanate, 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5-isocyanatomethyl-cyclohexane, 2,4 Hexahydrotoluene diisocyanate, 2,6-hexahydrotoluene diisocyanate, hexahydro-1,3-phenylene diisocyanate, hexahydro-1,4-phenylene diisocyanate, perhydro-2,4'- Diphenylmethane diisocyanate, perhydro-4,4'-diphenylmethane diiso
  • a pyrimidine type compound is 2-amino-6-methyl- 1H-pyrido [2,3-d] pyrimidin-4-one, 2-amino-6-bromopyrido [2,3-d] pyridine -4 (3H) -one, 2-amino-4-hydroxy-5-pyrimidinecarbocarboxylic acid ethyl ester, 2-amino-6-ethyl-4-hydroxypyrimidine, 2-amino-4-hydroxy Preference is given to those selected from the group consisting of -6-methyl pyrimidine, 2-amino-5,6-dimethyl-4-hydroxypyrimidine and mixtures thereof.
  • the carbon nanomaterial is preferably contained in an amount of 0.001 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the dispersion.
  • the carbon nanomaterial is less than 0.001 parts by weight, the content of the carbon nanomaterial is small so that a uniform diameter nanometal particles cannot be obtained.
  • the amount is exceeded, the amount of carbon nanomaterial is high compared to the ratio of forming nano metal particles, so that the composite is difficult to be applied to various applications.
  • Nanometal particles are prepared in the carbon nanomaterial dispersion (S3).
  • Nano metal particles are prepared by adding a metal salt precursor, a reducing agent and a solvent to the carbon nanomaterial dispersion.
  • the nanometal particles are nanometals that may be prepared using precursors such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), aluminum (Al), palladium (Pd), nickel (Ni), and the like. Applicable without particle surface limitation.
  • the platinum precursors for producing the platinum nanometal particles include chlorotetraamine platinum (Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 ), dichlorotetraamine platinum hydrate (Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 .xH 2 O), tetraamine platinum hydroxide hydrate (Pt (NH 3) 4 ( OH) 2 ⁇ xH 2 O), tetraamine platinum (II) nitrate (Pt (NH 3) 4 ( NO 3) 2), bis-ethylenediamine-platinum ( II) chloride ((H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 ) 2 PtCl 2 ), chloroplatinic acid ([H 3 O] 2 [PtCl 6 ] (H 2 O) x or H 2 PtCl 6 ) and mixtures thereof It is preferred to be selected.
  • the reducing agent is sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), sodium borohydride (NaBH 4 ), hydrazine (N 2 H 4 ), hydriodine (HI), ascorbic acid (Ascorbic acid), a reducing organic solvent and a mixture thereof.
  • Nanometal particles containing carbon nanomaterials are separated and obtained purely from a reducing agent, a solvent, and the like involved in the reaction.
  • Such a method for producing a composite of nano metal particles and carbon nano materials includes introducing functional groups capable of interacting with metal ions or nano metal particles to carbon nano materials, and adding carbon nano materials with functional groups when synthesized with nano metal particles.
  • the present invention relates to a method of controlling the shape of nanometal particles in three dimensions or less, in particular one or two dimensions.
  • carbon nanomaterials carbon nanotubes are used, functional groups capable of interacting with silver ions or silver particles are introduced to the carbon nanotubes, and carbon nanotubes incorporating functional groups are added during synthesis of silver particles to change the shape of the silver particles. To control.
  • 10g multi-walled carbon nanotubes are prepared. 10 g of the multi-walled carbon nanotubes were mixed in a 200 ml sulfuric acid: nitric acid mixture (7: 3 by volume), heated to 80 ° C., stirred for 24 hours, and cooled to room temperature. Then dilute with 800 ml distilled water. The diluted solution is removed from the acid solution remaining in the carbon nanotubes by filtration paper four times or more using a filter paper and dried to prepare a multi-walled carbon nanotubes introduced with a carboxyl group (-COOH).
  • a carboxyl group -COOH
  • the carbon nanotubes to which the carboxyl group was introduced were dispersed at 100 mg / L in a dimethylformamide solvent, and then mixed with toluene diisocyanate and stirred at 100 ° C. for 12 hours to react the isocyanate group. Introduce. Then, 2-amino-4-hydroxy-6-methyl pyrimidine was mixed with the carbon nanotube to which the isocyanate group was introduced, followed by stirring at 100 ° C. for 20 hours. In the manner in which the reaction proceeds, 2-ureido-4 [1H] pyrimidinone (2-ureido-4 [1H] pyrimidinone) having a quadruple hydrogen bond is introduced as shown in FIG. 2.
  • the carbon nanotubes into which the functional groups prepared above were introduced were dispersed at 2 g / L in a dimethylformamide solvent, and silver nitrate (AgNO 3 ) was added at 0.05 mol / L to prepare a silver salt mixture.
  • the prepared mixture was evenly dispersed using an ultrasonic wave for 5 minutes, and then hydrazine was added as a reducing agent to prepare silver particles through stirring at 100 ° C. for 1 hour.
  • the silver particles dispersed in the solvent four complexed with the prepared carbon nanomaterial are removed by the centrifugation or filtering to obtain the silver particles complexed with the carbon nanotubes.
  • Example 2 of the present invention is completely the same as the process of Example 1 of the present invention, the difference is that in Example 2 only the process of dispersing the functionally introduced carbon nanotubes in dimethylformamide solvent 3g / L Example 1 And other processes were carried out entirely the same process to obtain silver particles complexed with carbon nanotubes.
  • the one-dimensional form or silver particles are coated with silver particles on the surface of the carbon nanotubes It can be seen that it has a plate-like two-dimensional structure that connects the nanotubes, it can be seen that the silver particles are well bonded to the carbon nanotubes as a straight or plate-like structure rather than a three-dimensional shape.
  • silver nitrate (AgNO 3 ) is 0.5 in controlling the shape of silver particles by adding carbon nanotubes having functional groups capable of interacting with silver ions or silver particles to silver salts as in Example 1.
  • the silver salt precursor mixture was prepared by adding ml / L.
  • the mixed solution was evenly dispersed using an ultrasonic wave for 5 minutes, and then hydrazine was added as a reducing agent and stirred at 100 ° C. for 1 hour to prepare silver particles.
  • the silver particles dispersed in the solvent complexed with the carbon nanomaterial prepared above are removed by the centrifugation or filtering to obtain the silver particles complexed with the carbon nanotubes.
  • Example 3 is completely the same process as in Example 1 except for the addition of silver nitrate (AgNO 3 ) in 0.3 mol / L, the form of the silver particles complexed with the carbon nanotubes obtained It was confirmed that silver particles were formed in a form similar to Example 1 only by increasing the concentration.
  • AgNO 3 silver nitrate
  • Example 4 is 0.3 mol of silver nitrate (AgNO 3 ) in controlling silver particle formation by adding carbon nanotubes having functional groups capable of interacting with silver ions or silver particles to silver salts as in Example 2
  • a silver salt mixture was prepared by adding / L.
  • the mixed solution was evenly dispersed using an ultrasonic wave for 5 minutes, and then hydrazine was added as a reducing agent and stirred at 100 ° C. for 1 hour to prepare silver particles.
  • the silver particles dispersed in the solvent complexed with the carbon nanomaterial prepared above are removed by the centrifugation or filtering to obtain the silver particles complexed with the carbon nanotubes.
  • Example 4 is completely the same as Example 2 except for the addition of silver nitrate (AgNO 3 ) at 0.3 mol / L, the form of the silver particles complexed with the carbon nanotubes obtained It was confirmed that silver particles were formed in a form similar to Example 1 only by increasing the concentration.
  • AgNO 3 silver nitrate
  • Example 5 of the present invention the graphene particles having a functional group capable of interacting with platinum ions or platinum particles, as in Example 1, are dispersed in a dimethylformamide solvent and a platinum precursor is added to the platinum nanoparticles and graphene.
  • the reaction of the isocyanate compound and the pyrimidine compound in the same manner as in Example 1 was carried out by adding 0.5 mol / L of H 2 PtCl 6 to the functionalized graphene 1 g / L solution. A liquid was prepared. The mixture was evenly dispersed using an ultrasonic wave for 5 minutes, hydrazine was added as a reducing agent, and stirred at 70 ° C. for 5 hours to prepare a composite of platinum and graphene as shown in FIG. 4.
  • Comparative Example 1 is an example in which a carbon nanotube which is an additive is not used in a method of preparing silver particles using a reduction process of a silver salt solution.
  • Silver salt reaction solution was prepared in dimethylformamide at 0.05 mol / L of silver nitrate, hydrazine was added as a reducing agent, and stirred at 100 ° C. for 1 hour to prepare silver particles.
  • hydrazine was added as a reducing agent, and stirred at 100 ° C. for 1 hour to prepare silver particles.
  • Comparative Example 2 only a carboxyl group was introduced into the carbon nanotube using sulfuric acid / nitric acid mixed acid, 2 g / L was added to a 0.05 mol / L silver salt mixture, hydrazine was added as a reducing agent, and stirred at 100 ° C. for 1 hour. Silver particles were prepared. As shown in FIG. 3b, silver particles having a shape in which spherical silver nanoparticles are attached to only carbon nanotube surfaces are prepared, and it can be seen that a composite of a desired shape is not produced.
  • the present invention relates to a method for producing a composite of a nano metal and a carbon nano material, and more particularly to a carbon nano material that is reactive with metal ions by reacting a carbon nano material with an isocyanate compound and a pyrimidine compound. It can be used in the field of manufacturing composites of nano metals and carbon nano materials capable of producing metal particles having excellent dispersibility, which exhibits a low dimensional shape of less than 3 dimensions by using as an additive.

Abstract

본 발명은, 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법에 있어서, 전도성 탄소나노소재에 관능기를 도입하기 위해 탄소나노소재의 표면을 개질시키는 단계와; 표면 개질된 상기 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재 분산액을 형성하는 단계와; 상기 탄소나노소재 분산액에 금속염 전구체, 환원제 및 용매를 첨가하여 나노금속 입자를 제조하는 단계와; 상기 탄소나노소재가 포함된 상기 나노금속 입자를 분리하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물 및 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재를 첨가제로 사용하여 3차원 미만의 저차원 형상을 보이는 나노금속을 얻을 수 있다. 또한, 탄소나노소재와의 복합화가 나노금속을 형성과 동시에 이루어지고, 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시켜 형성된 관능기에 의해 용매 분산성이 확보되어 전도성 잉크 또는 페이스트의 제조가 매우 용이한 효과가 있다.

Description

나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법
본 발명은 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물 및 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재를 첨가제로 사용하여 3차원 미만의 저차원 형상을 보이는 분산성이 우수한 금속입자를 제조가능한 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소섬유(carbon fiber) 등 전도성 탄소나노소재는 투명전극, 대전방지, 전자파 차폐, 에너지 발생 및 저장소자용 전극소재, 방열소재, 고분자 복합체, 금속 복합체, 세라믹 복합체, 전도성 섬유 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다. 이러한 탄소나노소재를 코팅하거나 섬유형태로 제조하기 위해서는 묽은 용액이나 고점도 페이스트(paste) 형태의 코팅액 또는 방사도프가 필요하게 된다.
통상적으로 코팅액 또는 페이스트를 제조하기 위해 계면활성제, 공중합체 고분자, 이온성 액체(ionic liquid)와 같은 분산제가 필수적으로 사용된다. 물론 소재 표면에 관능기를 과도하게 도입할 경우 분산이 용이하지만 이 경우 전도성이 결여되는 문제가 발생하게 된다. 따라서 분산제를 사용하지 않고 전도성을 유지하면서 전도성 탄소나노소재를 이용한 전도성 코팅액 또는 페이스트를 제조할 경우 원가 절감뿐만 아니라 공정을 간소화할 수 있다. 또한, 분산제가 필요하지 않기 때문에 다양한 바인더 소재, 금속 및 금속 산화물과의 조합이 가능하다는 장점을 지니게 된다.
탄소나노소재의 전기전도성을 향상시키기 위해 금속입자를 도입하는 기술들이 보고되고 있는데, 종래기술에 따른 탄소나노소재에 금속나노소재를 하이브리드한 기술은 '대한민국특허청 등록특허 제10-1410854호 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재와 금속나노소재를 하이브리드하여 형성된 고전도성 소재 및 그 제조방법'이 소개되어 있다. 이러한 종래기술은 전도성 탄소나노소재에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입함에 의해 탄소나노소재간의 다중수소결합에 의해 고차구조를 지니는 탄소나노소재를 형성하고, 고차구조를 지니는 탄소나노소재와 금속나노소재를 단순 혼합하여 복합소재가 형성됨을 특징으로 하는 소재이다. 그러나 이와 같은 종래기술은 분산성은 우수하나 재료로 사용된 탄소나노소재와 금속나노소재가 결합력에 의해 개별적으로 분포됨에 의해 우수한 금속특성의 발현은 다소 미비하다는 단점이 있다.
다른 종래기술로는 '대한민국특허청 등록번호 제10-0961914호 은나노입자로 장식된 탄소나노튜브 나노복합체의 제조방법'이 소개되어 있다. 이러한 종래기술은 탄소나노튜브를 유기용매에 분산시킨 탄소나노튜브 분산액을 만드는 제1단계와; 상기 탄소나노튜브 분산액을 은이온을 포함한 용액과 혼합하여 은나노입자를 상기 탄소나노튜브의 표면에 부착시키는 제2단계와; 상기 제2단계의 결과물에 원심분리 및 세척공정을 적용하는 제3단계;를 구비하는 것이 특징이다. 그러나 이러한 종래기술은 탄소나노튜브의 존재 하에 은이온을 은입자로 환원시켜 은나노입자와 탄소나노튜브의 복합체는 형성되나, 은입자의 모양이 구형의 나노입자로 연속적인 형태를 이루고 있지 못하기 때문에 이를 이용해 고전도성 전극에 응용이 용이하지 못하다. 또한 탄소나노튜브의 관능기에 은입자가 도입되기 때문에 은입자 도입 후 복합체가 용매 내에서 분산성이 현저히 저하되어 별도의 분산제를 사용해야 하는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은, 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물 및 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재를 첨가제로 사용하여 3차원 미만의 저차원 형상을 보이는 분산성이 우수한 금속입자를 제조가능한 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 전도성 탄소나노소재에 관능기를 도입하기 위해 탄소나노소재의 표면을 개질시키는 단계와; 표면 개질된 상기 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재 분산액을 형성하는 단계와; 상기 탄소나노소재 분산액에 금속염 전구체, 환원제 및 용매를 첨가하여 나노금속 입자를 제조하는 단계와; 상기 탄소나노소재가 포함된 상기 나노금속 입자를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 탄소나노소재는, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소섬유(carbon fiber), 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기 금속염 전구체는, 금(Au)염 전구체, 은(Ag)염 전구체, 백금(Pt)염 전구체, 구리(Cu)염 전구체, 알루미늄(Al)염 전구체, 팔라듐(Pd)염 전구체, 니켈(Ni)염 전구체 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 은염 전구체는, 실버나이트레이드(AgNO3), 실버퍼클로레이트(AgClO4), 실버테트라플루오로보레이트(AgBF4), 실버헥사플루오로포스페이트(AgPF6), 실버아세테이트(CH3COOAg), 실버트리플루오로메탄설포네이트(AgCF3SO3), 실버설페이트(Ag2SO4), 실버2,4-펜탄디오네이트(CH3COCH=COCH3Ag) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 백금염 전구체는, 클로로테트라아민플래티넘(Pt(NH3)4Cl2), 디클로로테트라아민플래티넘하이드레이트(Pt(NH3)4Cl2·xH2O), 테트라아민플래티넘하이드록사이드하이드레이트(Pt(NH3)4(OH)2·xH2O), 테트라아민플래티넘(II)나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2), 비스-에틸렌디아민플래티넘(II)클로라이드((H2NCH2CH2NH2)2PtCl2), 클로로플래티닉산([H3O]2[PtCl6](H2O)x 또는 H2PtCl6) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물 및 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재를 첨가제로 사용하여 3차원 미만의 저차원 형상을 보이는 나노금속을 얻을 수 있다.
또한, 탄소나노소재와의 복합화가 나노금속을 형성과 동시에 이루어지고, 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시켜 형성된 관능기에 의해 용매 분산성이 확보되어 전도성 잉크 또는 페이스트의 제조가 매우 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법의 순서도이고,
도 2는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체가 형성된 모식도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 탄소나노소재에 은입자가 복합화된 현상을 나타내는 주사전자현미경 사진이고,
도 4는 실시예에 따른 탄소나노소재에 플래티늄이 복합화된 현상을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
재를 표면개질시키는 단계는 탄소나노소재의 종류에 따라서 상이한 방법을 사용한다. 여기서 탄소나노소재는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소섬유(carbon fiber), 카본블랙(carbon black) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이다.
금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재 분산액을 형성한다(S2).
표면개질된 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재 분산액을 형성한다. 여기서 탄소나노소재 분산액을 형성하는 방법으로는 탄소나노소재를 용매에 분산시킨 후 이소시아네이트계 화합물과 혼합하고, 가열 및 교반하여 탄소나노소재에 이소시아네이트기를 도입한다. 여기에 피리미딘계 화합물을 추가한 후 가열 및 교반하여 접합반응을 진행하는 방식으로 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재 분산액을 형성한다.
여기서 이소시아네이트계 화합물은, 에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메 틸-시클로헥산, 2,4- 헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 헥사히드 로-1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 헥사히드로-1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 퍼히드로-2,4'- 디페닐메탄 디이소시아네이트, 퍼히드로-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-두롤 디이소시아네이트(DDI), 4,4'-스틸벤 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트(TODI), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'- 디이소시아네이트(MDI), 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI) 및 나프틸렌-1,5-이소시아네이트(NDI), 2,2-메틸렌디페닐디이소시아네이트, 5,7-디이소시아나토나프탈렌-1,4-디온, 이소포론 디이소시아네이트, m-크실렌 디이소시아네이트, 3,3-디메톡시-4,4-바이페닐렌 디이소시아네이트, 3,3-디메톡시벤지딘-4,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(프로필렌 글리콜), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(에틸렌 글리콜), 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 디페닐메탄 트리이소시아네이트, 부탄-1,2,2-트리이소시아네이트, 트리메틸올프로판토일렌 디디소시아네이트 트리머, 2,4,4-디페닐 에테르 트리이소시아네이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이소시아누레이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이미노옥사디아진, 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로 부터 선택된 것이 바람직하다.
또한 피리미딘계 화합물은, 2-아미노-6-메틸-1H-피리도[2,3-d]피리미딘-4-온, 2-아미노-6-브로모피리도[2,3-d]피리딘-4(3H)-온, 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉산 에틸 에스테르, 2-아미노-6-에틸-4-히드록시피리미딘, 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘, 2-아미노-5,6-디메틸-4-이드록시피리미딘 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
분산액 100중량부에 대해 탄소나노소재는 0.001 내지 10중량부 포함되는 것이 바람직한데 탄소나노소재가 0.001중량부 미만일 경우 탄소나노소재의 함유량이 적어 균일한 직경의 나노금속 입자를 얻을 수 없으며, 10중량부를 초과할 경우 나노금속 입자가 형성되는 비율에 비해 탄소나노소재의 양이 많아 복합체를 다양한 용도에 적용하기 어렵다.
탄소나노소재 분산액에 나노금속 입자를 제조한다(S3).
탄소나노소재 분산액에 금속염 전구체, 환원제 및 용매를 첨가하여 나노금속 입자를 제조한다. 여기서 나노금속 입자는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등 전구체를 이용하여 제조될 수 있는 나노금속 입자면 제한 없이 적용 가능하다.
여기서 은 나노금속 입자를 제조하기 위한 은 전구체는, 실버나이트레이드(AgNO3), 실버퍼클로레이트(AgClO4), 실버테트라플루오로보레이트(AgBF4), 실버헥사플루오로포스페이트(AgPF6), 실버아세테이트(CH3COOAg), 실버트리플루오로메탄설포네이트(AgCF3SO3), 실버설페이트(Ag2SO4), 실버2,4-펜탄디오네이트(CH3COCH=COCH3Ag) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
또한 백금 나노금속 입자를 제조하기 위한 백금 전구체는, 클로로테트라아민플래티넘(Pt(NH3)4Cl2), 디클로로테트라아민플래티넘하이드레이트(Pt(NH3)4Cl2·xH2O), 테트라아민플래티넘하이드록사이드하이드레이트(Pt(NH3)4(OH)2·xH2O), 테트라아민플래티넘(II)나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2), 비스-에틸렌디아민플래티넘(II)클로라이드((H2NCH2CH2NH2)2PtCl2), 클로로플래티닉산([H3O]2[PtCl6](H2O)x 또는 H2PtCl6) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
환원제는, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화 암모늄(NH4OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 히드리오딘 (HI), 아스코빅산(Ascorbic acid), 환원성 유기용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
탄소나노소재가 포함된 나노금속 입자를 분리한다(S4).
반응에 관여한 환원제, 용매 등으로부터 탄소나노소재가 포함된 나노금속 입자를 분리하여 순수하게 얻는다.
이와 같은 나노금속 입자와 탄소나노소재의 복합체 제조방법은 탄소나노소재에 금속이온 또는 나노금속 입자와 상호작용이 가능한 관능기를 도입하고, 관능기가 도입된 탄소나노소재를 나노금속 입자와 합성시 첨가하여 나노금속 입자의 형상을 3차원 이하의 저차원 특히, 1차원 또는 2차원으로 제어하는 방법에 관한 것이다.
<실시예 1>
탄소나노소재로는 탄소나노튜브를 사용하고, 탄소나노튜브에 은이온 또는 은입자와 상호작용이 가능한 관능기를 도입하고, 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 은입자 합성시 첨가하여 은입자의 형상을 제어하는 것이다.
먼저, 10g 다중벽 탄소나노튜브를 준비한다. 상기 다중벽 탄소나노튜브 10g을 200ml 황산 : 질산 혼합액(7 : 3 부피비)에 혼합하여 80℃로 가열하고, 24시간 동안 교반한 후 상온으로 냉각시킨다. 그 후, 800ml 증류수로 희석시킨다. 희석된 용액을 여과종이를 이용하여 탄소나노튜브에 남아있는 산 용액을 4회 이상의 여과를 통해 제거한 후 건조시켜 카르복실기(-COOH)가 도입된 다중벽 탄소나노튜브가 제조된다.
카르복실기가 도입된 탄소나노튜브를 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 용매에 100mg/L로 분산시킨 후 톨루엔 디이소시아네이트(toluene diisocyanate)를 혼합하여 100℃에서 12시간 동안 교반하는 방식으로 반응시켜 이소시아네이트(isocyanate)기를 도입시킨다. 그런 다음, 이소시아네이트기가 도입된 탄소나노튜브에 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘(amino-4-hydroxy-6-methyl-pyrimidine)을 혼합하고 100℃에서 20시간 동안 교반하여 접합 반응을 진행하는 방식으로 도 2에 도시된 바와 같이 4중 수소결합을 지니는 2-우레이도-4[1H]피리미디논(2-ureido-4[1H]pyrimidinone)을 도입한다.
상기에서 제조된 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 디메틸포름아미드 용매에 2g/L로 분산시키고, 이에 실버나이트레이트(AgNO3)를 0.05mol/L로 첨가하여 은염 혼합액을 제조한다. 제조된 혼합액을 5분간 초음파기를 이용해 고르게 분산시킨 후 히드라진(hydrazine)을 환원제로 첨가하여 100℃에서 1시간 동안 교반을 통해 은입자를 제조하였다.
제조된 탄소나노소재와 복합화된 용매 네에 분산된 은입자는 원심분리 또는 필터링을 이용하여 용매를 제거시킴에 의해 탄소나노튜브와 복합화된 은입자가 수득된다.
<실시예 2>
본발명의 실시예 2는 본 발명의 실시예 1의 과정과 전적으로 동일하며, 차이점은 실시예 2에서는 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 디메틸포름아미드 용매에 3g/L로 분산시키는 과정만 실시예 1과 차이가 나고, 다른 과정들은 전적으로 동일한 과정을 거쳐 탄소나노튜브와 복합화된 은입자를 수득하였다.
본 발명의 실시예 1 및 2에 의해 수득된 탄소나노튜브와 복합화된 은입자는 도 3c 및 도 3d에 나타난 바와 같이, 은입자가 탄소나노튜브의 표면에 도포된 1차원 형태 또는 은입자가 탄소나노튜브를 연결시키는 판상의 2차원 구조를 가짐을 알 수 있으며, 3차원 형상이 아닌 직선 또는 판상 구조로서 은입자가 탄소나노튜브와 양호하게 결합되어 있음을 알 수 있다.
<실시예 3>
실시예 3은 실시예 1과 동일하게 은이온 또는 은입자와 상호작용이 가능한 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 은염에 첨가하여 은입자의 형상을 제어함에 있어, 실버나이트레이트(AgNO3)를 0.5ml/L로 첨가하여 은염 전구체 혼합액을 제조하였다. 이 혼합액을 5분간 초음파기를 이용해 고르게 분산시킨 후 히드라진을 환원제로 첨가하여 100℃에서 1시간 동안 교반하여 은입자를 제조하였다. 상기에서 제조된 탄소나노소재와 복합화된 용매 내에 분산된 은입자는 원심분리 또는 필터링을 이용하여 용매를 제거시킴에 의해 탄소나노튜브와 복합화된 은입자가 수득된다.
실시예 3은 실버나이트레이트(AgNO3)를 0.3mol/L로 첨가하는 과정을 제외하고는 실시예 1과 전적으로 동일한 과정을 거치며, 수득된 탄소나노튜브와 복합화된 은입자의 형태는 은입자의 농도만 증가할 뿐 실시예 1과 유사한 형태로 은입자가 형성됨을 확인하였다.
<실시예 4>
실시예 4는 실시예 2와 동일하게 은이온 또는 은입자와 상호작용이 가능한 관능기가 도입된 탄소나노튜브를 은염에 첨가하여 은입자 형성을 제어함에 있어, 실버나이트레이트(AgNO3)를 0.3mol/L로 첨가하여 은염 혼합액을 제조하였다. 이 혼합액을 5분간 초음파기를 이용해 고르게 분산시킨 후 히드라진을 환원제로 첨가하여 100℃에서 1시간 동안 교반하여 은입자를 제조하였다. 상기에서 제조된 탄소나노소재와 복합화된 용매 내에 분산된 은입자는 원심분리 또는 필터링을 이용하여 용매를 제거시킴에 의해 탄소나노튜브와 복합화된 은입자가 수득된다.
실시예 4는 실버나이트레이트(AgNO3)를 0.3mol/L로 첨가하는 과정을 제외하고는 실시예 2와 전적으로 동일한 과정을 거치며, 수득된 탄소나노튜브와 복합화된 은입자의 형태는 은입자의 농도만 증가할 뿐 실시예 1과 유사한 형태로 은입자가 형성됨을 확인하였다.
<실시예 5>
본 발명의 실시예 5로써, 실시예 1과 동일하게 플래티늄이온 또는 플래티늄입자와 상호작용이 가능한 관능기가 도입된 그래핀 입자를 디메틸포름아마이드 용매에 분산하고 플래티늄 전구체를 첨가하여 플래티늄 나노입자와 그래핀이 혼합된 복합체를 형성함에 있어, 실시예 1과 동일하게 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 순차적으로 반응시켜 기능화된 그래핀 1g/L 용액에 H2PtCl6을 0.5mol/L로 첨가하여 반응액을 제조하였다. 이 혼합액을 5분간 초음파기를 이용해 고르게 분산시킨 후 히드라진을 환원제로 첨가하여 70℃에서 5시간 동안 교반하여 도 4와 같이 플래티늄과 그래핀이 혼합된 복합체를 제조하였다.
다음은 본 발명의 비교예에 대해 설명한다.
<비교예 1>
비교예 1은 은염 용액의 환원공정을 이용해 은입자를 제조하는 방법에 있어 첨가제인 탄소나노튜브를 사용하지 않는 예이다.
디메틸포름아미드에 실버나이트레이트 0.05mol/L로 은염 반응액을 제조하고 이에 히드라진을 환원제로 첨가하여 100℃에서 1시간 동안 교반하여 은입자를 제조하였다. 도 3a에서와 같이 다른 첨가제를 사용하지 않는 경우 일반적인 구형태의 은입자가 제조되었으며, 원하는 형태의 복합체가 제조되지 않음을 알 수 있다.
<비교예 2>
비교예 2는 황산/질산 혼합산을 이용해 탄소나노튜브에 카르복실기만 도입하고, 2g/L를 0.05mol/L의 은염 혼합액에 첨가하고, 히드라진을 환원제로 첨가하여 100℃에서 1시간 동안 교반을 통해 은입자를 제조하였다. 도 3b에서와 같이 은 나노입자가 탄소나노튜브 표면에만 일부 구형상으로 부착된 형태의 은입자가 제조되었으며, 원하는 형태의 복합체가 제조되지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물 및 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재를 첨가제로 사용하여 3차원 미만의 저차원 형상을 보이는 분산성이 우수한 금속입자를 제조가능한 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법 분야에 이용가능하다.

Claims (9)

  1. 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법에 있어서,
    전도성 탄소나노소재에 관능기를 도입하기 위해 탄소나노소재의 표면을 개질시키는 단계와;
    표면 개질된 상기 탄소나노소재에 이소시아네이트계 화합물과 피리미딘계 화합물을 혼합하여 반응시킴에 의해 금속 이온과 반응성이 있는 탄소나노소재 분산액을 형성하는 단계와;
    상기 탄소나노소재 분산액에 금속염 전구체, 환원제 및 용매를 첨가하여 나노금속 입자를 제조하는 단계와;
    상기 탄소나노소재가 포함된 상기 나노금속 입자를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노소재는,
    탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소섬유(carbon fiber), 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이소시아네이트계 화합물은,
    에틸렌 디이소시아네이트, 1,4-테트라메틸렌 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 1,12-도데칸 디이소시아네이트, 시클로부탄-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,3-디이소시아네이트, 시클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 1-이소시아네이토-3,3,5-트리메틸-5-이소시아네이토메 틸-시클로헥산, 2,4- 헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 2,6-헥사히드로톨루엔 디이소시아네이트, 헥사히드 로-1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 헥사히드로-1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 퍼히드로-2,4'- 디페닐메탄 디이소시아네이트, 퍼히드로-4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3- 페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-두롤 디이소시아네이트(DDI), 4,4'-스틸벤 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트(TODI), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,6-디이소시아네이트(TDI), 디페닐메탄-2,4'- 디이소시아네이트(MDI), 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트(MDI), 디페닐메탄-4,4'-디이소시아네이트(MDI) 및 나프틸렌-1,5-이소시아네이트(NDI), 2,2-메틸렌디페닐디이소시아네이트, 5,7-디이소시아나토나프탈렌-1,4-디온, 이소포론 디이소시아네이트, m-크실렌디이소시아네이트, 3,3-디메톡시-4,4-바이페닐렌 디이소시아네이트, 3,3-디메톡시벤지딘-4,4-디이소시아네이트, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(프로필렌 글리콜), 톨루엔 2,4-디이소시아네이트 말단기 지니는 폴리(에틸렌 글리콜), 트리페닐메탄 트리이소시아네이트, 디페닐메탄 트리이소시아네이트, 부탄-1,2,2-트리이소시아네이트, 트리메틸올프로판토일렌 디디소시아네이트 트리머, 2,4,4-디페닐 에테르 트리이소시아네이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이소시아누레이트, 다수의 헥사메틸렌디이소시아네이트를 지니는 이미노옥사디아진, 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함함을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 피리미딘계 화합물은,
    2-아미노-6-메틸-1H-피리도[2,3-d]피리미딘-4-온, 2-아미노-6-브로모피리도[2,3-d]피리딘-4(3H)-온, 2-아미노-4-히드록시-5-피리미딘카로보닉산 에틸 에스테르, 2-아미노-6-에틸-4-히드록시피리미딘, 2-아미노-4-히드록시-6-메틸 피리미딘, 2-아미노-5,6-디메틸-4-이드록시피리미딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함함을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속염 전구체는,
    금(Au)염 전구체, 은(Ag)염 전구체, 백금(Pt)염 전구체, 구리(Cu)염 전구체, 알루미늄(Al)염 전구체, 팔라듐(Pd)염 전구체, 니켈(Ni)염 전구체 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 은염 전구체는,
    실버나이트레이드(AgNO3), 실버퍼클로레이트(AgClO4), 실버테트라플루오로보레이트(AgBF4), 실버헥사플루오로포스페이트(AgPF6), 실버아세테이트(CH3COOAg), 실버트리플루오로메탄설포네이트(AgCF3SO3), 실버설페이트(Ag2SO4), 실버2,4-펜탄디오네이트(CH3COCH=COCH3Ag) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 백금염 전구체는,
    클로로테트라아민플래티넘(Pt(NH3)4Cl2), 디클로로테트라아민플래티넘하이드레이트(Pt(NH3)4Cl2·xH2O), 테트라아민플래티넘하이드록사이드하이드레이트(Pt(NH3)4(OH)2·xH2O), 테트라아민플래티넘(II)나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2), 비스-에틸렌디아민플래티넘(II)클로라이드((H2NCH2CH2NH2)2PtCl2), 클로로플래티닉산([H3O]2[PtCl6](H2O)x 또는 H2PtCl6) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 환원제는,
    수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화 암모늄(NH4OH), 수소화붕소나트륨(NaBH4), 히드라진(N2H4), 히드리오딘 (HI), 아스코빅산, 환원성 유기용매 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노소재는 상기 분산액 100중량부에 대해 0.001 내지 10중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 나노금속과 탄소나노소재의 복합체 제조방법.
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