특·별·기·획 (Ⅲ)
150 … NICE, 제23권 제2호, 2005
백금족 금속나노입자의 중요성
금, 팔라듐, 백금 등 백금족 원소(Platium Group Metal)들은 제약, 유기합성, 오염물질 제 거 등의 반응에서 효율을 높일 수 있는 중요한 촉 매로서 공업 전반에 걸쳐서 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 백금족 금속 촉매의 경우 그 가격이 상당히 비싸서 이들 촉매의 소모도나 사용량이 제 품 가격에 무시할 수 없는 범위를 차지하고 있다.
촉매의 종류를 크게 두 가지로 구분하자면 균등질 (Homogeneous) 촉매와 비균질(Heterogeneous) 촉매로 나눌 수 있다. 균등질 촉매는 반응효율이 비균질 촉매보다 우수하고 여러 가지 반응조건 (Chemoselectivity, Regioselectivity, Enantiosel- ectivity)들을 조절하기가 쉬워서 많이 이용되고 있지만 반응 후에 생산물에서 촉매를 회수하는 작 업이 어렵고 많은 비용이 소요되는 단점이 있다.
이와는 반대로 비균질 촉매는 반응 후 분리가 쉬 운 장점이 있지만 반응 효율이 떨어지고 조절이 어려운 단점이 있다. 이상적인 촉매는 비균질 촉 매처럼 분리가 쉬우면서도 균등질 촉매처럼 반응 성이 우수한 것이겠지만 현실적으로 불가능하기
때문에 비균질 촉매의 반응성을 최대한 끌어올려 만족할만한 반응성을 얻어내는 것이 하나의 해결 책으로 제시되고 있다. 그런 관점에서 나노입자 촉매는 요구조건을 훌륭히 만족시킬 수 있는 후보 물질 중 하나라고 할 수 있다. 나노입자는 부피대 표면적 비율이 크고 각 표면을 형성하는 원자들이 높은 활성을 띄고 있어서 상당히 적은 양의 물질 로도 원하는 반응을 진행할 수 있어서 가격대비 성능비가 뛰어나다[표 1].
또한 반응 후에 침전 등의 방법으로 균등질 촉 매에 비해 훨씬 쉽게 분리가 가능하다. 금 등의 일 부 백금족 금속은 보통상태에서는 화학적으로 대 을 전자의 이동층으로 사용하여, CdSe/ZnS 나노
입자의 터널링에 의한 전하이동 역할을 줄여주고, 발광효율을 극대화할 수 있도록 정교하게 설계하 였다.
나노입자의 태양전지로의 응용은 CdSe 나노입 자의 형태조절이 성공함에 따라 가능하게 되었다.
Alivisatos 교수 연구팀은 CdSe 나노막대를 P3HT(poly-3-hexylthiophene)과 블렌딩함으로 써, 태양빛에 의해 여기된 전자가 CdSe 나노막대 를 통해 흐르고, 이 때 남게 되는 홀은 P3HT로 옮겨져서 이동하는 방식으로 태양전지가 작동하 는 것을 보여주었다.
유태경·현택환
서울대학교 화학생물공학부, [email protected], [email protected]
0.5 0.65 1 –
1 5.2 8 100
2 4.2 64 90
5 650 1,000 50
10 5,200 8,000 25
20 42,000 64,000 12
표 1. 나노입자의 크기에 따른 표면적 비율
Number of Fraction of Size(nm) Mass(10
-25kg) molecules at
molecules
surface(%)
특·별·기·획(Ⅲ)
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 2, 2005 … 151
단히 안정해서 촉매로서의 활성도가 무척 떨어지는 물질이지만 나노입자로 만들면 전자친화도나 산화에너지 수치가 상당히 바뀌게 되어 촉매로서 훌륭한 물질이 된다. 이런 식으로 나노기술은 새 로운 촉매의 개발 및 촉매 활성도 증가 등에 상당 한 기여를 하고 있다.
팔라듐 나노입자의 제조 및 촉매로서의 응용 팔라듐은 백금족 금속 중에서도 여러 가지 촉매 반응에 많이 쓰이는 물질이다. 팔라듐 나노입자를 만드는 방법은 여러 가지가 있지만 가장 잘 알려진 방법은 Tetraalkylammonium halides와 Palladium metal 혹은 Palladium salt를 이용, 유기용매에서 화학적, 전기적 환원방법을 통해 합성하는 방법이 다[그림 1].
이렇게 얻어진 팔라듐 나노입자는 소노가시라 (Sonogashira), 스즈키(Suzuki), 핵(Heck) 반응 등 여러 다양한 팔라듐 촉매 반응에 사용되어 반응 효율과 회수율 등에서 만족할만한 성과를 얻었다.
금 나노입자의 제조 및 응용
벌크상태의 금은 화학적으로 상당히 안정한 물 질이지만 나노크기의 금은 변화된 특성에 의해 촉 매로서의 활성을 가진다. 또한 금은 인체에 무해 한 물질이기 때문에 생물분야의 이용에 있어 중요 하다. 나노입자들의 여러 물리적 화학적 특성은 그 크기에 의해 좌우되기 때문에 금 나노입자에 대한 연구 역시 균일한 크기를 가지는 것과 그들 의 응용을 위해 일정하게 배열하는 데에 집중되었
다. 일반적으로 많이 사용되는 금 나노입자의 합 성법은 여러 가지가 있지만 대표적으로 계면활성 제 하에서 Gold chloride 같은 Gold salt를 수소화 붕소나트륨(NaBH4)으로 환원하는 방법으로 계 면활성제로는 황화합물의 일종인 싸이올(Thiol) 이 많이 사용된다. 또한 균일하게 만들어진 금 나 노입자를 일정하게 배열하는 연구도 상당히 진행 되었다[그림 2].
일정한 크기 이하의 금 나노입자는 촉매로서의 특성을 가지게 될 뿐만 아니라 그 효율 면에 있어 서도 상당히 뛰어나다. 이를 이용하여 산화티타늄 등의 광촉매와 연계하여 빛에너지를 이용, 일산화 탄소와 같은 유해가스를 처리할 수 있는 방법에
그림 1. 팔라듐 나노입자의 대표적 합성방법.
그림 2. 금 나노입자가 일정하게 배열된 TEM 이미지.
nm
nm
0 10 20 30 40 50 50
40
30
20
10
0
그림 3. 산화티타늄위에 올려져 있는 금 나노입자의 STM 이미지.
50nm
250nm
특·별·기·획 (Ⅳ)
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대한 연구가 상당히 진행되었으며 일부의 연구에 서는 상당한 진전을 보이고 있다[그림 3].
생명공학 분야에서도 백금족 금속 나노입자의 중요성은 무시할 수 없다. 금의 경우 한약의 성분 에 사용될 정도로 인체에 무해하기 때문에 이를 이용한 다양한 연구가 진행되고 있다. 금 나노입 자를 이용하여 DNA 등 유전물질을 분리하거나
약을 선도물질로 사용하는 연구가 꾸준히 진행되 고 있다[그림 4].
결론
은이나 구리, 백금, 루테늄 등 다른 백금족 금속 나노입자의 중요성도 위에서 언급한 금이나 팔라 듐 못지않다. 이들 역시 촉매나 생물공학분야 혹 은 광학분야에 대한 응용에 상당한 가능성을 가지 고 있으며 보다 나은 성과를 얻기 위한 연구가 지 금 세계도처에서 진행되고 있다. 백금족 금속은 촉매, 생명공학에의 응용 등 많은 쓰임새로 예전 부터 많은 관심을 받아왔던 물질이다. 하지만 그 희귀성으로 인해 많은 양을 사용하려면 경제적인 문제 등 제약을 많이 받아왔던 것 또한 사실이다.
나노기술의 발달은 이런 백금족 금속의 제약을 크 게 완화, 산업에의 응용분야를 넓혀줄 수 있는 기 술이다. 촉매로서 그 효율성과 회수율을 높여 경 제성을 살릴 수 있게 해주고 생명공학분야로의 응 용 가능성 역시 열 수 있다. 하지만 이런 백금족 금속 나노입자가 당장 우리생활에 들어올 수 있는 것은 아니다. 좀 더 꾸준한 연구와 관심만이 이를 실현할 수 있을 것이다.
그림 4. 금 나노입자를 이용한 DNA검출 방법의 도식도.
(B) (A)
백성현·김길표
인하대학교 화학공학과, [email protected], [email protected]
STM, AFM, TEM, SEM 등 특수현미경의 발 달, 다양한 기능의 레이저 기술의 발달, 생명과학 에 대한 이해의 축적, 나노크기의 물질의 특성에
대한 이해 및 조절력의 증대 등으로 인하여 급속 도로 새로운 지식이 창출되고 있으며, 어제의 지 식이 오늘의 오개념으로 바뀌어 가고 있다. 특히,