2006 대한지질학회 추계학술발표회 초록집 • • 87
4. 광물학/광상학
구두발표 / 제4발표장 / 좌장 : 최헌수, 신동복 10월 27일(금)규산염 나노입자의 입자크기와 온도 변화에 따르는 원자/나노 구조 변화에 관한 고상 핵자기공명분광분석/양자계산 연구
김현나
*․이성근
서울대학교 지구환경과학부 지구물질물리화학연구실, [email protected]
규산염 나노 입자는 지각에 많이 존재하는 다양한 규산염 광물의 미시적/거시적 특성을 보 이며, 지질학적으로 중요한 의미를 지닌다. 특히 규산염 나노 입자의 온도에 따른 원자 구조의 변화는 오팔-A, 규조토와 같은 비정질 실리카와 규산염 퇴적물의 속성작용에 대한 이해를 고 양시키고 (Kastner,1979), 실리카 표면의 수산기 탈수반응에 의한 물성 변화는 지구 내부에서 일어나는 광물의 탈수반응을 통해 tectonics와 같은 거시적인 지구의 활동에 영향을 준다. 또한 규산염 나노 입자는 반도체 및 광학디스플레이 부품, 석유화학의 촉매, 플라스틱, 혹은 화장품 원료 등 산업적으로 다양하게 응용된다. 이러한 중요성에도 불구하고 비정질 규산염 나노입자 의 원자/나노 구조와 물리화학적 성질이 잘 알려있지 않으며 특히 온도 변화에 따르는 규산염 나노 입자는 아직 연구된 바 없다.
본 연구에서는 7 nm와 14 nm 규산염 나노 입자의 규소 원자 환경을 9.4 테슬라 (Tesla, 400MHz)
29Si MAS 핵자기공명분광분석(NMR)을 통해 측정하여 규산염 나노입자의 온도 변 화와 입자 크기에 따른 원자구조와 물리화학적 성질의 차이를 규명하였다. 또한 NMR 분광 분 석에서 화학적 차폐의 이론적 배경을 이해하기 위해 양자 계산을 통해 Si
3O
6H
6, Si
4O
5H
10,Si
5O
4H
12분자계산모델의 화학적 차폐를 계산하였다. 그 결과 최초로 규산염 나노 입자 표면의 수산기의 구조적 특성에 따른 탈수반응의 활성화 에너지를 실험적으로 측정하였다.
29
Si MAS NMR 분광분석의 결과, 2개의 수산기가 붙어있는 Si 원자( (Si-O)
2Si(OH)
2, Q
2), 1개의 수산기가 붙어있는 Si 원자 ((Si-O)
1Si(OH)
3,Q
3), 그리고 수산기가 붙어 있지 않고 모두 연결 산소로 연결된 Si 원자 ((O-Si)
4,Q
4)의 스펙트럼이 -80 ~ -120 ppm 범위에서 다소 겹쳐서 나타났으며, 양자 계산을 통하여 구한 Q
2, Q
3, Q
4의 화학적 차폐값과 유사한 경향을 보인다. 상 온의 7 nm와 14 nm 규산염 나노 입자의 Q
2:Q
3:Q
4의 비는 각각 7:31:62와 5:30:65로 큰 차이가 없는 것으로 보아 규산염 나노 입자의 표면 뿐 아니라 내부에도 수산기가 존재함을 알 수 있다.
또한 14 nm 규산염 나노 입자에 비해 7 nm 규산염 나노 입자의 peak 폭이 약 2 ppm 정도 좁게 나타나 좀 더 정렬된 구조를 하고 있음을 알 수 있다. 1173 K ~ 1473 K 고온에서 열처리한 규 산염 나노 입자의 경우 Q
2, Q
3는 꾸준히 감소하고 Q
4는 증가하여 1473 K 온도에서는 Q
4구조 만 나타났다. 또한 7 nm 규산염 나노 입자는 온도 증가에 따라 점차적으로 Q
4peak의 모양이 변화하여, 1373 K에서는 peak의 폭이 약 1.5 ppm 증가하고 화학적 차폐가 -1.5 ppm 정도 이 동하여 Q
4규소 원자 구조가 랜덤하게 변화하고 있음을 알 수 있다. 온도 증가에 따른 Q
n비율 의 결과는 규산염 표면의 탈수반응(dehydration) 때문이며, Q
n의 종류에 따른 3가지 기작의
4-1 구두
10월 27일(금)․광물학/광상학
88 • • 2006 대한지질학회 추계학술발표회 초록집
