계층형 다공성 실리칼라이트-1(HPS-1) 내에 은 나노입자(Ag NPs)를 캡슐화하는 간소화된 원팟 접근법을 보고합니다. 이 촉매는 243 m²·g⁻¹의 예외적으로 높은 비표면적과 이중 기공 크기(1.75 nm, 3.96 nm)를 지닙니다. TEM, XRD, FTIR, N₂ 흡착-탈착 종합 특성 분석으로 Ag NPs(약 25 nm)의 균일한 분산과 MFI 골격 보존을 확인했습니다. 상온에서 4-니트로페놀(4-NP)의 수용액 환원을 4-아미노페놀(4-AP)로 전환하는 반응에 적용 시, 유사 1차 반응 속도 상수 4.75×10⁻³ s⁻¹을 기록하며 20분 내 98% 이상 전환율을 달성했습니다. 특히 계층형 담지체의 안정성 덕분에 10회 연속 주기 후에도 활성을 유지했습니다.
금속 나노입자(MNP) 안정성은 이종 촉매에서 핵심적입니다. 응집이나 용출은 활성과 선택성을 저하시킵니다. 기존 전략인 계면활성제 안정화 MNP 후 다공성 코팅, 또는 담지체 위 사전 증착 MNP 후 캡슐화 등은 복잡한 다단계 공정을 수반하며 활성 부위를 가릴 수 있습니다. Pd, Au, Pt 같은 귀금속은 우수한 성능을 보이지만 희소성과 비용 때문에 Co, Ni, Cu 같은 풍부한 금속 대안에 관심이 모입니다. 그러나 비귀금속 촉매는 일반적으로 응집으로 인한 비활성화 문제를 겪습니다. 다공성 매트릭스 내 캡슐화는 분산 보존과 소결 방지의 유망한 경로지만, 많은 기존 방법이 여전히 노동 집약적이고 비효율적입니다. 따라서 MNP를 견고한 고비표면적 담지체 내에 내재화하는 간단하고 확장 가능한 합성법이 절실합니다.
본 연구에서는 계층형 다공성 실리칼라이트-1 마이크로스피어 내 Ag NPs를 캡슐화하는 원팟 합성법(Ag@HPS-1)을 도입합니다. 담지체의 메조-마이크로 기공성과 큰 비표면적은 물질 전달을 향상시키고 촉매 주기 중 내재된 Ag NPs를 안정화합니다. 이 설계는 4-NP 환원에서 우수한 촉매 성능을 달성할 뿐 아니라 향후 이금속 또는 다기능 시스템 플랫폼을 제공합니다.
Ag@HPS-1 촉매는 40 wt% Ludox HS-40 콜로이드 실리카 5.0 g을 20 mL 탈이온수와 혼합해 30분 교반하고, 25 wt% NH₃·H₂O로 pH 12로 조절한 후 제조했습니다. AgNO₃를 방울방울 첨가하고 80°C에서 하룻밤 교반해 수분을 제거했습니다. 이어 25 wt% 테트라프로필암모늄 하이드록사이드(TPAOH) 2.0 g을 혼합하고 25 mL 테플론 라이닝 오토클레이브로 옮겨 120°C에서 48시간 수열 결정화했습니다. 고체를 550°C 공기 분위기에서 8시간 소성해 유기물을 제거한 후, 5 vol% H₂/Ar 분위기에서 400°C 6시간 환원했습니다. HPS-1 담지체는 AgNO₃ 첨가만 생략하고 동일하게 제조했습니다.
일반적 실행에서 Ag@HPS-1 현탁액(0.8 g L⁻¹) 20 mL에 3 mM 4-NP 5 mL와 0.3 M NaBH₄ 5 mL를 혼합하고 상온에서 교반했습니다. 주기적으로 시료를 채취해 석영 큐벳에 담아 UV-Vis 분광법으로 측정했습니다. 각 주기 후 원심분리로 촉매를 회수하고 탈이온수와 에탄올로 3회 세척한 후 동일 조건에서 재사용했습니다.
투과전자현미경(TEM)은 Tecnai G2F30(200 kV)으로 수행했습니다. X선 회절(XRD)은 Rigaku D/max-2400(Cu-Kα 방사선, 10°-90° 2θ)으로 실시했습니다. N₂ 흡착-탈착은 393 K에서 8시간 탈기 후 ASAP2020으로 측정했으며, 비표면적, 기공 부피, 기공 크기는 BET와 BJH 법으로 계산했습니다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)은 NEXUS 670 분광광도계(4000-400 cm⁻¹)로 기록했습니다. UV-Vis 스펙트럼은 UV2800PC UV-Vis 분광광도계로 얻었습니다.
수정된 원팟 프로토콜로 Ag@HPS-1 촉매를 제조해 계층형 실리칼라이트-1 마이크로스피어 내 약 25 nm Ag NPs의 균일한 분포를 얻었습니다. ICP-OES로 측정된 Ag 담지량은 2.96 wt%였습니다.
SEM 이미지(그림 1)에서 HPS-1과 Ag@HPS-1 모두 명확한 구형 형태를 보이며, 후자는 약간 큰 평균 직경(약 1.25 µm)을 나타냈습니다. TEM 및 HRTEM 이미지(그림 2)는 결정성 MFI 골격과 다공성 매트릭스 내 캡슐화된 Ag NPs 존재를 확인했습니다. Ag NPs는 잘 분리돼 응집을 피했습니다.
XRD 패턴(그림 3a)은 두 시료 모두 특징적인 MFI 피크를 보이며, 2θ = 38.1°, 44.3°, 64.4°, 77.4°에서 면심입방 Ag의 (111), (200), (220), (311) 면에 대응하는 추가 반사 피크가 나타나 환원 후 금속 상태임을 확인했습니다. FTIR 스펙트럼(그림 3b)은 전형적인 Si-O-Si 진동(~1105 cm⁻¹, ~799 cm⁻¹)을 보여 Ag 담지 후에도 담지체 화학이 거의 변하지 않음을 나타냅니다.
BET 분석(그림 4)에서 HPS-1은 413 m²·g⁻¹ 비표면적, 0.394 cm³·g⁻¹ 총 기공 부피, 1.76 nm와 3.67 nm의 이중 기공 크기를 가집니다. Ag@HPS-1은 계층형 기공성(1.75 nm, 3.96 nm)을 유지하지만 비표면적(243 m²·g⁻¹)과 기공 부피(0.176 cm³·g⁻¹)가 다소 감소했는데, 이는 Ag NPs가 골격 내 통합된 탓입니다. 높은 비표면적과 이중 기공 구조는 빠른 물질 전달과 기질 농축을 촉진해 촉매 성능의 기반이 됩니다.
촉매 활성은 4-NP의 4-AP 환원 반응으로 평가했습니다. UV-Vis 모니터링(그림 5a)에서 400 nm 흡수 밴드가 급격히 감소하고 300 nm 밴드가 출현하며 298 K에서 20분 내 완료됐습니다. ln A 대 시간 그래프에서 계산된 유사 1차 반응 속도 상수(k)는 4.75×10⁻³ s⁻¹로, 많은 보고된 Ag 기반 시스템(예: bare Ag NPs: 2.1×10⁻³ s⁻¹; Ag@HTO-PDA: 3.14×10⁻³ s⁻¹; CNC/CTAB-Ag: 5.76×10⁻³ s⁻¹; MWCNT-Ag: 7.88×10⁻³ s⁻¹)을 능가합니다. 이 성능은 제한된 Ag NPs, 높은 비표면적, 계층형 기공성의 시너지 효과 덕분입니다.
재사용성 테스트(그림 6)에서 촉매는 10회 연속 주기 동안 98% 이상 전환율을 유지하며 활성 손실이 없었습니다. 반응 후 TEM과 XRD에서 Ag NPs와 제올라이트 골격이 변화하지 않음이 확인돼 캡슐화 전략의 견고함을 입증했습니다.
계층형 다공성 실리칼라이트-1 마이크로스피어 내 Ag NPs를 캡슐화하는 수월한 원팟 합성법을 개발했습니다. 결과 Ag@HPS-1 촉매는 높은 열 안정성, 탁월한 재사용성, 4-NP의 4-AP 환원에서 뛰어난 활성을 보이며 상온에서 20분 내 98% 이상 수율을 달성했습니다. Ag NPs의 구속과 담지체의 높은 비표면적 및 이중 기공 구조가 이러한 특성의 핵심입니다. 이 플랫폼은 다른 단일 또는 이금속 종을 포함하도록 확장 가능해 다양한 촉매 응용으로의 길을 엽니다.
나노물질
요약 루틸 구조의 SnₓTi₁₋ₓO₂(x=0, 0.33, 0.5, 0.67, 1) 고용체가 원스텝 수열법으로 합성되었습니다. 이때 테트라부틸 티타네이트와 염화 주석(IV) 오수화물을 원료로 사용했습니다. 이후 RuCl₃ 함침 공정으로 일련의 Ru/SnₓTi₁₋ₓO₂ 촉매를 제조해 CO와 C₃H₈ 산화 성능과 안정성을 조사했습니다. 이 촉매들은 XRD, N₂ 흡착-탈착, FT-IR, TEM, XPS, H₂-TPR, O₂-TPD 기법으로 특성 분석되었습니다. Sn/Ti 몰비와 수열 조건이 Ru/SnₓTi₁₋ₓO₂의 저온 촉매 산화 성능
요약 TiO2는 광음극 보호에 적합한 매력적인 반도체이나, 가시광선 흡수 약함과 낮은 양자 수율이 사용을 제한합니다. 본 연구에서는 새로운 이종구조 SnIn4S8 나노시트/TiO2 나노튜브 광양극을 제조하고 그 광음극 보호 성능을 분석했습니다. SnIn4S8 나노시트는 용매열 처리를 통해 TiO2 나노튜브 표면에 균일하게 증착되었습니다. SnIn4S8/TiO2 복합체는 순수 TiO2 나노튜브보다 우수한 광음극 보호 성능을 보였으며, 이는 좋은 가시광선 응답과 광생성 캐리어 분리 효율 덕분입니다. 또한, 복합체는 가시광선 조사 하에서
