KIC News, Volume 13, No. 2, 2010 31
Figure 1. 700 ℃ 2 h 소성된 PtRh-BHA (Barium Hexa-aluminate)의 TEM 사진. 짙은 색 입자(약 20 nm) 는 순수한 Pt. 작은 입자(약 5 nm)는 PtRh 나노입자로 고온안정성이 있음.
850 ℃ 이상 고온에서 입자간 융착되지 않는 금속 나노입자 제조 성공
미국 피츠버그 대학 화공/석유공학과의 Gotz Vesser 부교수와 포스트닥 Anmin Cao 연구진은 금속 나 노입자의 고온 안정성 확보 방법을 개발하여 수소제조나 자동차 배기가스 정화에 더 효과적인 촉매개발의 가능성을 열었다. 850 ℃ 이상 고온에 견딜 수 있는 5 nm (최소 4 nm) 금속합금 나노입자를 제조하는데 성공했는데, 이는 기존 금속 나노입자가 견딜 수 있었던 온도보다 최소 250 ℃ 높은 온도다. 연구진은 Pt 함량을 늘리면 PtRh 나노입자의 고온안정성을 증가시키고 작은 입자로 안정화 유지를 가능케 한다고 보고 하고 있다.
나노입자는 고온에서 불안정된 특성을 보임에 따라 고온 적용이 필요한 경우에 실용화가 어려웠다. 5 nm 이하 금속 나노입자는 표면적이 커서 입자의 전체 내용물 사용이 가능토록 하는 장점이 있지만, 600
℃ 정도가 되면 나노입자가 서로 엉겨서 크기가 커지는 경향이 있다. 이전에도 금속 나노입자를 산화물을 기반으로 나노구조를 만드는 방법과 같이 고온에 견디는 나노구조로 싸는 시도가 있었지만, 10∼15 nm 크 기에서 성과가 있었을 뿐이다.
위험에 처했을 때 도마뱀이 꼬리를 잘라버리듯이 고 온이 되면 금속나노입자에서 열에 민감한 부분이 떨어 지는 원리가 핵심이라고 한다. 고온이 되면 플라티늄 성 분이 희생되면서 로디움 농도가 높아진 촉매로 자체 재 구성되어 반응을 마치게 된다. 플라티늄과 로디움 합금 은 700 ℃ 정도에서 녹기 시작한다. 플라티늄이 녹아 빠 져나오고 주위에 이미 빠져나온 플라티늄 입자들과 큰 입자를 생성시키는 과정을 통해 나노입자는 고온에 견 디는 성분을 지닌 입자로 남아 반응을 완료시키게 된다.
즉, 성분이 빠져나가면서 남은 성분만으로 구조를 자체 재조립하는 과정이 핵심이다.
높은 용융점을 지닌 플라티늄과 로디움 합금을 섞어 서 메탄 연소반응 촉매로 사용한 실험 결과, 우수한 반 응성을 가지면서 장시간 최대 850 ℃까지 노출시켰는데 도 입자 평균크기 4.3 nm를 유지했다.
출처 : Chemical Engineering Progress, 2010년 1월호 작성 : 윤용승(고등기술연구원)
KIC News, Volume 13, No. 2, 2010
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