본 연구에서는 액상 박리법으로 질화붕소(BN) 나노시트를 제조하고, 다양한 중량비(2.5, 5, 7.5, 10 wt%) 비스무트(Bi)를 수열법으로 도핑했다. 광학적 조사 결과 근자외선 영역 흡수 스펙트럼 관찰. 밀도함수이론(DFT) 계산 결과 Bi 도핑이 페르미 준위 근처 새로운 국소 갭 상태 유도해 BN 나노시트 전자 구조 다양한 변형 유도. Bi 도펀트 농도 증가에 따라 밴드갭 에너지 감소. 계산된 흡수 스펙트럼 분석에서 흡수 모서리 적색 편이 관찰, 실험적 관측과 일치. 또한 비도핑/도핑 BN 나노시트 촉매 및 항균 잠재력 평가. 촉매 활성은 염료 환원/분해 공정 성능 평가로 판단. Bi 도핑 BN 나노시트 살균 활성은 S. aureus 0-33.8%, 43.4-60%, E. coli 0-38.8%, 50.5-85.8% 향상된 효율 보였다. 나아가 실리코 분자 도킹 예측이 체외 살균 활성과 좋은 일치. Bi 도핑 BN 나노시트 E. coli DHFR(-11.971 kcal/mol), S. aureus DHFR(-8.526 kcal/mol) 좋은 결합 점수, E. coli DNA gyrase(-6.782 kcal/mol), S. aureus DNA gyrase(-7.819 kcal/mol) 결합 점수로 이들 효소 가능 표적 제시.
다양한 화학물질, 유기 화합물, 산업 폐기물로 환경 오염 발생, 인간/동물/수생 생물 심각한 결과 초래[1, 2]. 이 혁신적 친환경 폐수 처리 기술 수요 증가[3, 4]. 매년 수백만 명 오염된 물로 사망[5, 6]. 연간 염료 사용량 ~10,000 산업 분야; 그중 메틸렌 블루(MB) 10-15% 대기/수생 생물 사용[7-10]. MB 분자식 C₁₆H₁₈N₃SCl 단순 아닐린 염료로 면/양모/실크 염색, 메트헤모글로빈혈/청산가리 중독 치료, 조직 표본 염색, 핵산 검출용. 그러나 인간/야생생물 부정적 영향 다수. 따라서 배수 염료 제거 인간/수생 생물 복지 중요[11, 12].
수중 각종 오염물질 제거 기존 방법: 침전, 전기분해, 응집, 광촉매, 막여과, 이온교환, 흡착, 역삼투, 생물학적 처리[13, 14]. 이중 촉매 활성(CA) 비용 효율적 친환경 접근으로 널리 사용[15]. CA는 환원제와 나노촉매(제조 시료)로 합성 염료(MB, 본 연구 부분) 분해 구성[16-18].
폐수 정화 요구 증가로 2차원 물질(2D-Mats) 새 클래스 나노소재 개발/사용 주도. 그래핀 발견[19-21] 계기. 현재 몰리브덴 디설파이드(MoS₂), MXene(디락 2D-Mats) 등 다양한 2D-Mats 합성[22, 23]. 질화붕소 유망 MXene 클래스 고려[24, 25]. BN 나노시트 유전체 성능, 화학적/열적 안정성, 심자외선, 직접 밴드갭 에너지 등 흥미 특성 보유, 수처리 및 항균 활성 등 다양한 응용 적합[24, 26, 27]. 이 과제 위해 비스무트 풍부 전략이나 다른 전이금속 원소(i.e. Bi) 도핑 가장 접근 용이 방법. Bi 특이적 외관(회백색 붉은 빛), +3, +5 산화상태 화합물 형성. Bi 화합물 나노촉매 폐수 처리용, 2D-Mats(BN 등) 도펀트 항균제 역할[28-31].
또한 BN 나노시트 생물의학 분야 항균제로 다양한 세균 방어 목적 활용 가능[32]. 유방염은 유방 실질 조직 물리화학적/병리생물학적 변화, 직접적 세계적 경제 효과. 유방염 우유 섭취로 인간 렙토스피라증, 연쇄상구균 인후염, 브루셀라증, 결핵 등 인수공통전염병 고위험[33]. 일반적으로 감염 병인 세균/바이러스 두 범주. 첫째: Staphylococcus aureus(S. aureus), Coliform, Corynebacterium, Streptococci, Escherichia coli(E. coli). 둘째: Corynebacterium bovis, coagulase-negative Staphylococci[2, 32, 34, 35]. 그중 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA) 전 세계 다수 사망 기여 가장 두드러짐. 항생제 내성 그람양성/음성 병원성 세균 출현 인간 건강 심각한 위험[36]. 또한 물속 E. coli 세균 설사 질병 연간 5세 미만 아동 130만 명 사망. 항균제 BN 이 유해 병원체 방어[37]. Bi 생체적합성으로 Bi 염, NPs, 나노소재 등 다양한 형태 항균제로 합성/사용 큰 관심[38]. 헬리코박터 파일로리(H. pylori) 감염 현재 Bi 유기염과 항생제 혼합 치료[39, 40]. 나노구조 산화 스트레스 크기/농도/형태 의존: 소형 나노구조 반응성 산소종(ROS) 생성, 세균막 내 더 효율적 결합, 세포질 내용물 돌출, 세균 DNA/단백질/효소 손상[41-43]. ROS 생성 외 나노구조 강양이온 계면 음전하 세균 세포막 부분과 상호작용 고농도서 우수 살균 활성, 세균 붕괴 유도[44, 45].
본 연구에서 BN 나노시트 화학적 박리법 제조, 비스무트(Bi) 수열법 도펀트 도입. 합성 물질 촉매 활성 유해 MB 환원 관점 결정. 항균 활성 E. coli, S. aureus 평가. 작용 메커니즘 규명 위해 Bi 도핑 BN 나노시트 엽산 생합성 경로 디하이드로폴레이트 환원효소(DHFR) 효소, 핵산 생합성 경로 DNA gyrase 대상 E. coli, S. aureus 분자 도킹 연구 수행. 제1원리 밀도함수이론 계산으로 순수/비도핑 BN 나노시트 안정 구조, 전자적/광학적 특성 계산.
본 연구 이론 계산과 실험: 염료 분해, 항균 거동, 분자 도킹 분석으로 Bi 도핑 BN 나노시트 전자적/광학적 특성 영향 연구.
BN 벌크 분말(98%), 디메틸포름아미드(DMF) Sigma-Aldrich, Germany 구매. 비스무트 질산염 오수화물 Bi(NO₃)₃·5H₂O(98%) BDH laboratory supplies Poole, UK. 모든 수령 화학물질 정제 없이 사용.
BN 나노시트 제조 위해 벌크 BN 액상 박리 수행. 200 mg 벌크 BN 분말 DMF(50 mL) 녹여 15분 교반. 이후 용해 용액 50°C 12시간 초음파 처리(그림 1a). 초음파 처리 현탁액 3500 rpm 20분 원심분리[46]. 수집 나노시트 Bi(NO₃)₃·5H₂O Bi 소스로 수열법 Bi 도핑. 다양한 Bi 도펀트 농도(2.5, 5, 7.5, 10 wt%) 고정 비율(0.025:1, 0.05:1, 0.075:1, 0.1:1) BN 나노시트 별도 첨가 테플론 용기 이동, 오토클레이브 200°C 12시간(그림 1b). 이후 오토클레이브 냉각, 에탄올/탈수수 등 세정제로 반복 세척 불순물 제거, 100°C 진공 오븐 건조.
반데르발스 인력 벌크 질화붕소 적층 층 간 주요 힘. 적층 층 박리 위해 반데르발스 상호작용 극복 필요. 유기 용매 층간 삽입 후 초음파 욕조 기계적 힘 도입으로 수행. 붕소 질화물과 표면 장력 일치 용매가 벌크 붕소 질화물 잘 분산 이상적 용매, 용매-붕소 질화물 계면 장력 최소화. 그래서 DMF 채택: 표면 장력 그래핀(37.1 mJ m⁻²)과 일치, BN 그래핀 유사해 붕소 질화물 나노시트 분산 매우 적합[47].
초음파 복사 매질 통과, 용매 분자 압축/신축 즉 평균 위치 진동, 고압 영역(압축), 음압 영역(신축) 발달. 음압 액체 분자 유지 못하면 액체 파괴, 보이드(공동 기포) 형성. 공동 기포 고압 영역서 격렬 붕괴, 마이크로 반응기처럼 행동, 국소 수천 도 온도, 수백 기압 고압 생성, 층간 인력 극복 충분, 박리 유도[48, 49].
환원제 나트륨 보로하이드라이드(NaBH₄) 존재 하 MB 염료 분해 수행으로 촉매 잠재력 평가. 먼저 적당량 염료와 환원제 탈수수 희석 수용액 제조. 촉매 실험 모든 제조 시료 나노촉매로 활용. 염료 분해: MB(10 mL) 석영 셀에 NaBH₄ 용액(600 μL) 첨가. NaBH₄ 단독 염료 분해 못함, 환원제 역할만 함 언급 가치. 추가 각 촉매(4 mg) 전구체 용액 별도 첨가 염료 분해 촉매 효율 조사. 염료 환원 UV-vis 분광광도계 450-750 nm 흡수 스펙트럼 측정. 메틸렌 블루 탈색 성공적 염료 분해 지표. 순수 BN, 다양한 도핑 농도 수행 활성 개략도 그림 1c. 왼쪽 그림 수행 활성, 오른쪽 시간 경과 후 UV-Vis 분광법 흡수 스펙트럼 채취 분해 농도.
Bi 도핑 BNNS 항균 잠재력 체외 평가는 웰 확산법으로 1.5×10⁸ CFU/mL 그람양성/음성 세균 분리주 MSA, MA 도말(보충자료 Fig. S1). 다양한 비율 Bi 도핑 BNNS (500 μg/50 μL), (1000 μg/50 μL) 저/고용량 웰(6 mm) MSA, MA 플레이트 접종(보충자료 Fig. S1). 시프로플록사신(5 μg/50 μL), DIW(50 μL) 양성/음성 대조군 표지. 37°C 하룻밤 배양 후 버니어 캘리퍼 억제 존(mm) 측정으로 항균 평가 입증[50].
X선 회절계(XRD, Bruker D₂ Phaser, USA) Cu-Kα(λ=0.154 nm), 회절각(2θ) 10°-60°, 0.05°/min 주사 속도 합성 물질 구조적 특성 결정. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법(Perkin Elmer 분광기) 파수 정확도 ±0.01 cm⁻¹ 내 IR 지문 윤곽. 광학적 특성 GENESYS-10S UV-Vis, 5 nm/s 주사 속도, 200-800 nm 흡수 스펙트럼 범위, 광발광 연구 JASCO FP-8200 분광형광도계 10 nm/s 주사 속도. 표면 형태/미세구조 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM JSM 6460LV) 에너지 분산 X선(EDS) 분광계 결합, JEOL JEM 2100F 고분해능 투과 전자 현미경(HR-TEM) 연구.
제1원리 계산 QuantumATK 소프트웨어[51] 구현 포괄적 DFT 프레임워크, 국소 원자 오비탈 선형 결합(LCAO) 접근법 수행. 교환-상관 함수 Perdew, Burke, Ernzerhof(PBE) 일반화 기울기 근사(GGA) 연결[52]. 노름 보존 PseudoDojo[53] 슈도포텐셜 전자-이온 상호작용 기술, 원자가 전자. 브릴루앙 영역 몽크호스트-팩 특수 k-포인트 그리드 4×4×1 구조 완화, 7×7×1 전자적 특성 계산. 자기일관장(SCF) 계산 에너지 수렴 10⁻⁶ Ha 공차 한계 고려. 기하 구조/이온 완화 제한 메모리 브로이든-플레처-골드파브-샤노(LBFGS) 알고리즘, 각 원자 힘 0.05 eV/Å 미만. 무거운 Bi 도펀트 강한 상대론적 효과 고려해 전자 구조 계산에 스핀-궤도 결합(SOC) 기여 고려.
XRD로 대조군, Bi 도핑 BN 나노시트 상 식별, 결정도, 결정면 조사(그림 2a). ~26.9°, 41.3°, 43.46°, 50.2° 2θ 값 XRD 반사 각각 (002), (100), (101), (102) 결정면 인덱싱. 검출 결정면 표준 스펙트럼(JCPDS 참조 #00-034-0421) 잘 조화[54, 55]. 예리함과 피크 강도 BN 박층 형성, 선호 c-방향 약한 NS 적층 시사[46]. 회절각 피크 이동 XRD 반사에서 검출, 도펀트 도입 시사. 특성 (d₀₀₂) 반사 층간 간격(d-값) ~0.34 nm 브래그 법칙 $(n\lambda = 2d\sin\theta)$ 평가, HR-TEM 결과 잘 상관(보충자료 Fig. S4). 해당 평면 d-값 흡착 특성, 분자 수송 BN 관련 유의미 특성, 촉매 성능 향상 기여[56]. 순수 BN SAED 프로파일 그림 2b 밝은 원형 링 구성, 시료 높은 결정성 지시[26, 57, 58]. 검출 링 XRD 패턴, 표준 데이터 잘 일치. 합성 물질 표면 형태 FESEM 탐구, HR-TEM 분석 추가 확인. 층간 간격 Gatan 디지털 마이크로그래프 소프트웨어 HR-TEM 이미지 사용 평가, XRD 결과와 일치. 제조 생성물 순도 EDS 분광법 원소 조성 분석 확인(보충자료 Figs. S5, S6).
FTIR로 비도핑/비도핑 BN 나노시트 IR 지문 조사(그림 2c). 750, 1365 cm⁻¹ 두 특성 피크 BN 기원, B-N-B(굽힘 진동), B-N(신축 진동) 귀속. 이 핵심 피크 A₂u 모드(면외), E₁u 모드(면내) 관련[56, 59]. A₂u 모드 면외 모드 96.4 meV 에너지 대응, E₁u 면내 모드 추가 분열: 종방향 광학 모드 E₁u^TO, 횡방향 광학 E₁u^LO, 각각 169.4, 199.6 meV 에너지, 장거리 쿨롱 상호작용 때문[60]. Michel과 Verberck[61] 장거리 쿨롱 힘 없이/있게 계산된 두 포논 분산 관계 비교. 두 계산 차이 LO-TO 분열 대응. 쿨롬 상호작용 BN 대칭장 깨뜨려 종방향/횡방향 광학 포논 분할[61]. 이 모드 개략도 그림 2c. 추가 피크 1170 cm⁻¹ 붕소 옥시나이트라이드(N-B-O) 신축 진동 연관. 3433 cm⁻¹ 넓은 대역 O-H 신축 진동 대응[62].
PL 분광법으로 시료 엑시톤 이동, 전달, 재결합 확인(그림 2d). 추출 스펙트럼 흥분 파장 λ_ex = 390 nm, 대응 방출 파장 λ_em = 420 nm 표시. 나노크기 물질 흥분 파장 상대적 민감, 방출 스펙트럼 λ_ex 값 기반[59]. 비도핑/비도핑 BN 나노시트 PL 스펙트럼 ~420 nm 이후 비대칭 피크 표시. 검출 비대칭 피크 발광 종/다중 형광체 존재 시사. 문헌 연구 BN 시스템 붕소-산소 같은 종 새로운 발광 중심 간주[63]. 460 nm 주변 발광 전자 전이 시작 표현. 이 전자 전이 BN 밴드 2p 상태 사이 개인/상호 전이 포함[64]. 원자 가전자대→전도대 흥분 발광 강도, 흥분 광 에너지 향상. 460 nm 전이 ~2.7 eV 에너지 피크 대응[65]. 시료 동일 양, 성장률, 기간 등 제조됐으나 PL 스펙트럼 모든 시료 강도 다소 차이 단위 면적당 발광 참여 h-BN 도메인 적음 때문일 수 있음[66]. 최대/최소 재결합, 엑시톤 분리 최고/최저 강도 피크 대응[67].
순수 BN, Bi 도핑 BN 나노시트 광학적 특성 UV-Vis 분광법 흡수 스펙트럼 확인. 근자외선 영역 흡수 출현 관찰(그림 3a). 순수 BN 나노시트 최대 흡수 ~200 nm 검출, 근자외선 영역, ~5.85 eV 밴드갭 에너지 대응. Bi 도입 후 최대 흡수 모서리 장파장 이동, 광학 스펙트럼 적색 편이, 밴드갭 에너지 감소 유도. 밴드갭 에너지 타우크 식(Eq. 1) 추정. 타우크 플롯 그림 3b 밴드갭 에너지 4.65 eV까지 감소 표시. 또한 순수, 2.5, 5% Bi 도핑 시료 추가 흡수 낮은/높은 에너지 레벨 미검출, 조밀 구조적 결함 존재 시사. 반면 7.5, 10% Bi 도핑 시료 330 nm 주변 매우 미미 흡수 관측, 시뮬레이션 광학 흡수 스펙트럼 분석서 검증/설명(Fig. 6 참조)[62, 68, 69]. 문헌 따르면 벌크 BN 밴드갭 에너지 5.2-5.4 eV, 바이/다층 나노시트 5.56-5.92 eV[26]. 이 관찰들 제조 BN 나노시트 바이/다층 구성 가짐 시사. 모든 시료 밴드갭 에너지 그림 3b 표시, 타우크 식(1) 추정:
$$\alpha h\nu = {K\left(h\nu - {E}_{g}\right)}^{n} \quad (1)$$위 식에서 $\alpha$ 흡수 계수 $\alpha =\log(T/d)$, $T$ 투과율, $d$ 경로 길이. 지수($n$) 값 $E_g$ 전자적 성격 연관, 허용 직접 전이(1/2), 허용 간접 전이(2), 금지 직접 전이(3/2), 금지 간접 전이(3) 대응. 그러나 전이 데이터 밴드 모서리 영역 최적 선형 피팅 $n$ = 1/2 허용. $E_g$ 특징적으로 $(\alpha h\nu)^{1/n}$ 대 $h\nu$ 플롯 평가 측정. Eq. 1 선형 추세 플롯 최대 기울기 영역 근처 접선 모델링. $h\nu$ 광자 에너지($E$), $K$ 흡수 지수, $E_g$ 밴드갭 에너지(eV)[26].
이 실험적 발견 제1원리 DFT 계산 지지. 비도핑/비도핑 BN 단일층 모델 초세포법 주기적 경계 조건으로 구축. 7×7 초세포 순수/비도핑 BN 단일층 Bi 이웃 이미지 최소 상호작용 보장 사용. 단일층 평면 수직 방향 15 Å 진공층 사용. 도펀트 농도 2.04%, 4.08%, 6.1% B 위치 대체 Bi 원자 1, 2, 3개로 BN 단일층 초세포 모델링(보충자료 Fig. S6). Bi 도펀트 다양한 농도 안정성 검토 위해 결합 에너지 다음 식[70, 71] 추정:
$${E}_{\mathrm{b}}={E}_{\mathrm{supercell}}-{E}_{\mathrm{V}}-{E}_{\mathrm{TM}} \quad (2)$$여기서 $E_{\mathrm{supercell}}$, $E_{\mathrm{V}}$, $E_{\mathrm{TM}}$ 각각 도핑 BN 총 에너지, 양이온 공공 호스트 물질, 고립 금속 원자. $E_b$ 값 다른 도펀트 농도 -4.0 ~ -7.71 eV 강하게 변화함 발견.
Bi 도펀트 전자 구조 변화, 광학적 거동 영향 탐구 위해 전자 밴드 구조, 상태 밀도(DOS) 계산, SOC 기여 포함 비도핑/비도핑 BN 단일층 다양한 농도 및 순수 BN 단일층 비교(Figs. 5, 6). 순수 BN K점에서 4.69 eV 크기 직접 밴드갭 에너지 가짐(그림 4a), 측정 실험값(5.85 eV) 더 일치. 또한 계산 밴드갭 에너지 값 선행 이론 연구[72, 73]와 훌륭한 일치. 이 밴드갭 에너지 값 BN 단일층 절연체 나타냄. 그림 5a 순수 BN DOS 플롯서 원자가대 최댓값 주로 N 2p 상태 특징, 전도대 최솟값 대부분 비점유 B 2p 상태 제어. 2.04% 도핑 레벨 Bi 도펀트 도입 시 페르미 준위 주변 두 새 국소 갭 상태 형성(그림 4b), 하위 밴드 점유, 상위 밴드 비점유. 따라서 원자가대 최댓값 원자가대 하부로 이동, 밴드갭 에너지 감소. 게다가 원자가대 최댓값, 전도대 최솟값 주요 특징 순수 BN 단일층과 유사. 불순물 밴드 출현 밴드갭 에너지 3.39, 1.83, 0.643 eV 폭 세 에너지 서브갭 영역 분할. 부분 DOS 분석(Fig. 5b) 점유 갭 상태 주로 Bi 6s 상태 N 2p 상태 혼합 구성, 비점유 갭 상태 주로 Bi 6p 상태, 작은 N 2p 상태 기여. BN 단일층 두 Bi 원자 도핑 시 전도대 상대적 큰 하향 이동. 도펀트 밴드 수 증가 추가 밴드갭 감소. 결과 Bi 도핑 BN 단일층 전형적 n형 반도체 특성 보임. 그림 4c 따라 페르미 준위 주변 네 갭 상태 도입. 최저 두 도펀트 준위 점유, 페르미 준위 아래 약 0.57, 0.21 eV 위치. 다른 두 갭 상태 비점유, 페르미 준위 위 0.40, 0.80 eV 위치. 그러나 그림 5c PDOS 두 작은 피크 Bi 6s-N 2p 상태 큰 하이브리드화, 두 높은 피크 Bi 6p 상태 큰 기여, 작은 N 2p 상태 기여 보임. Bi 도핑 농도 6.1% 증가 시 페르미 준위 주변 더 많은 불순물 상태 도입, 밴드갭 감소(그림 4d). 낮은 에너지 갭 상태 불순물 밴드 0.36 eV 발생, 높은 에너지 갭 상태 불순물 밴드 페르미 준위 위 0.61 eV 위치. 부분 DOS 플롯(Fig. 5d)서 Bi 6.1% BN 도핑 시 불순물 밴드 페르미 준위 위/아래 주요 특징 Bi 4.08% 도핑과 유사, 페르미 준위 위/아래 불순물 밴드 일부 중첩 인지.
순수/비도핑 BN 단일층 흡수 계수 계산 플롯 그림 6. Bi 도핑 농도 증가 흡수 모서리 적색 편이 관찰. 2.04% Bi 도펀트 농도서 흡수 모서리 순수 BN 단일층 대비 ~10 nm 적색 편이. 이 작은 적색 편이 미세 밴드갭 감소 기인, BN 나노시트 Bi 도핑 실험적 20 nm 적색 편이와 공정 일치. Bi 도입 농도 4.08%, 6.10% 상승 시 주 흡수 모서리 순수 BN 단일층 대비 ~22 nm, ~40 nm 더 적색 편이. 밴드갭 좁아짐 결과, 실험적 관측 재현(Fig. 3a). Bi 도입 농도 상승 시 330 nm 주변 매우 작은 추가 흡수 피크 출현. Bi 도핑 BN 단일층 흡수 모서리 345 nm(3.60 eV) 파장 값 추가 적색 편이, 촉매 능력 향상 의미.
합성 물질 촉매 활성 성능 평가 실험 결과 시간 의존적 UV-Vis 스펙트럼 표현. 환원제 수용액 염료 도입 시 분해 못함, ~7% 염료 환원만 달성. Bi 도핑 BN 나노시트(나노촉매) 첨가 시 백분율 분해 효과적 향상. 순수 BN 나노시트 35분 45% 염료 환원, 다양한 농도(2.5, 5, 7.5, 10 wt%) Bi 도핑 BN 빠른 진행 향상 염료 환원.
일반적으로 촉매 반응 활성화 에너지 낮춰 안정성, 반응 속도 가속. MB 주로 다양한 산업 공정 중 물 이용 합성 염료. MB 환원제 존재 시 환원 가능하나 NaBH₄만 존재 시 환원 과정 상대적 느림. 비도핑 BN 나노시트 큰 비표면적 흡착률 증가. 또한 나노촉매 위 분산 환원체 층 산화환원 반응 촉매-MB 간 촉진 흡착 가속. 촉매 환원 반응 NaBH₄ BH₄⁻(전자 공여체)→MB(전자 수용체) 전자 전달 비도핑/비도핑 BN 나노시트 촉진. 활성화 에너지 감소 반응 안정화, 속도 가속[26, 74]. 촉매 활성 메커니즘 보충자료 Fig. S7b 표현. 다양한 도핑 농도(2.5, 5, 7.5, 10 wt%) 염료 분해 24, 17, 11, 7분 61, 67, 85, 94% 그림 7 표현. 현재 실험 문헌 비교 Table 1 표현.
촉매 활성 효율 증가는 Bi 농도 증가 때문. 분해율 전자 환원제→MB 전달 직접 대응, 나노촉매 촉진. Bi 도핑 BN 나노시트 활성화 에너지 낮춰 반응 속도 높여 전자 MB 더 빠른 전달 촉진. $C_t/C_o$ 시간 함수 플롯 모든 시료 염료 환원 표현(그림 7a), $C_t$ 임의 시점 MB 농도, $C_o$ 초기 농도. 그림 9b Eq. 3 추정 촉매 분해율.
$$\mathrm{Degradation }(\mathrm{\%}) =\frac{C_o-C_t}{C_o}\times 100 \quad (3)$$촉매 활성 영향 다양한 요인, 촉매 성능 영향 논의:
촉매 활성에서 반응 속도 pH 값과 강한 상관관계. 일반적으로 극단적 낮거나 높은 pH 염료 분해 기여 못함. 환원제 사용 촉매 활성 문헌 연구들 염기성 조건 최대 분해 가장 유리. 본 연구 최대 분해 달성 pH 8.4, 문헌 유리하게 상관. 또한 BN 나노시트 같은 물질 표면 전하 제어, 오염물질-물질 간 정전기적 상호작용 지배. 따라서 용액 pH 값 오염물질-흡착제 간 가능한 정전기적 상호작용 제어 통해 오염물질 제거 공정 직접 연관[74, 75].
촉매 안정성 본 연구 최소 3일 실험 방치해 나노촉매 존재 염료 환원 안정 여부 검토. 어두운 곳 보관 24시간마다 UV-Vis 분광광도계 흡수 스펙트럼 도움 분해 검사(그림 7c). 결과 72시간 체류 조건 분해 손실 없음. 분해 상당히 원래 형태 유지, 촉매 안정성 확증.
촉매 재사용성 한 번 이상 사용 허용 재활용 능력. 일반적으로 가장 많은 재사용 사이클 촉매 가장 효율적 촉매 간주. 현재 실험 10 wt% 촉매 3사이클까지 재활용 탐구. 결과 그림 7d, Bi 도핑 BN 촉매 효과적 재사용 가능 촉매로 활용 가능 나타냄.
실험 전 촉매 적재량, 3회 재활용 후 적재량 측정. 활동 전 촉매 적재량 4 mg, 3회 재활용 후 3.7 mg 측정, 5% 감지 편차 고려. 결과 Bi 도핑 BN 가장 안정, 재사용 가능, 가장 효율적 염료 분해 촉매 작용 입증. 추가 3일 안정성 테스트 후 촉매 적재량도 수행, 재활용 공정 후 거의 동일 결과(3.6 mg) 나타냄.
BN, Bi₂O₃, Bi 도핑 BN 나노시트 그람양성/음성 세균 체외 살균 활성 그림 8, 9(a-n) 그래프 표현. 결과 Bi 도핑 BN 나노시트 E. coli 대비 S. aureus 시너지즘 우수 살균 작용 나타냄(Figs. 8, 9(a-j)). BN, Bi₂O₃ 저농도 그람양성/음성 세균 무효율. 고농도 BN (0.35 mm), (0.45 mm) 억제, Bi₂O₃ (0.55 mm), (0.75 mm) 억제 존 그람양성/음성 각각(Figs. 8, 9(a, b, h-i)). 유의미(P<0.05) 억제 존 S. aureus (0-2.45 mm), (3.15-4.35 mm), E. coli (0-1.65 mm), (2.15-3.65 mm) 저/고용량 각각(Figs. 8, 9(c-f, j-m)). 효율 백분율 S. aureus (0-33.8%), (43.4-60%), E. coli (0-38.8%), (50.5-85.8%) 각각 상승. 양성 대조군 시프로플록사신 그람양성/음성 성장 (7.25 mm), (4.25 mm) 감소, DIW (0 mm) 비교. 일반적으로 2.5 wt% 도핑 BN 나노시트 저용량 그람양성/음성 세균 제로 효율, 다른 도핑 나노시트 그람음성 대비 그람양성 유의미(P<0.05) 항균 활성 묘사(Figs. 8, 9(c-f, j-m)).
나노시트 산화 스트레스 크기, 형태, 농도 의존. Bi BN 도핑 wt% 증가 양이온 가용성 증가로 억제 존(mm) 항균 활성 상승. 항균 활성 크기/농도 의존 도핑 NS 크기 역관계[2, 22, 80]. ROS 생성 미세병원체 파괴 주요 위험 요인[81]. 소형 NS 반응성 산소종(ROS) 생성, 이식 내 세균막 내 더 실재, 세포질 내용물 돌출, 세균 DNA, 단백질, 효소 손상, 세균 사멸(보충자료 Fig. S7(a))[80, 82]. 조사 시 NPs 가전자대→전도대 전자 활성화 환원 반응 정공(h⁺) 생성, 최종 원자가대 산화 전달[83, 84]. 환원 과정 e⁻+O₂→O₂⁻· 생성[85]. 정공(h⁺) 산화 과정 물(H₂O) e⁻ 또는 하이드록실 이온(OH⁻) 반응 OH 생성[86]. 강렬한 반응성 산소 라디칼 종 OH 미세병원체 생체분자(단백질, 탄수화물, DNA, 지질, 아미노산) 신속 반응(보충자료 Fig. S7(a))[87]. 비스무트 복합체 낮은 환경 독성 동반 매우 효과적 항균 작용 유명[88]. 둘째, Bi³⁺ 강양이온 계면 음전하 세균 세포막 부분 고농도서 항균 작용 증가, 세균 붕괴 유도[2].
세균 생존 필수 다양한 생화학 반응 핵심 단계 촉매 효소 항생제 발견 매력적 표적. 선택 효소 표적 나노입자 억제 경향 예측 분자 도킹 연구 새 항생제 발견 최중요. 효소 억제 메커니즘 보충자료 Fig. S7(c) 효소 활성 부위 차단 기질 접근 방해, 주어진 효소 표적 촉매 활성 방해, 세균 사멸 유도 표현.
나노소재 생물학적 잠재력, 특히 살균 활성 광범위 문헌 보고됐으나 명확한 작용 메커니즘 아직 모름. 나노소재 세포벽 파열 또는 세균 생존 필수 다양한 경로 핵심 효소 표적 항균 활성 나타냄(보충자료 Fig. S7)[80, 89]. 표적 식별 가치 중요, 새로운 작용 기전 신규 항생제 발견 기여 가능[90]. 여기 잘 알려진 두 항생제 리팜피신(핵산 합성), 트리메토프림(엽산 생합성 경로)[91] 효소 표적 선택 Bi 도핑 BN 나노시트 결합 경향, 결합 상호작용 패턴, 항균 활성 뒤 억제 메커니즘 평가.
E. coli DHFR 경우 최적 도킹 컨포메이션 Ile14(2.68 Å), Ile94(2.27 Å) H-결합 상호작용, Tyr100 금속-접촉 상호작용 결합 점수 -11.971 kcal/mol(그림 10a). 유사 S. aureus DHFR 경우 Thr46(2.19 Å) H-결합, Leu20 금속-접촉 결합 점수 -8.526 kcal/mol(그림 10b).
E. coli DNA gyrase 경우 최적 결합 점수 -6.782 kcal/mol Asp73(2.22 Å) H-결합 상호작용(그림 11a). S. aureus DNA gyrase 경우 Asp81(2.12 Å, 2.68 Å) H-결합 상호작용, Ile175 금속-접촉 상호작용 결합 점수 -7.819 kcal/mol(그림 11b).
BN 나노시트 벌크 BN 액상 박리 성공 제조, Bi 수열법 도펀트 도입. 합성 물질 다양한 특성 다수 특성화 접근법 연구, 문헌 잘 조화. XRD 패턴 BN 육방정계 위상 존재, 더 높은 회절각 피크 이동, 도펀트 성공적 도입 인증. FTIR 스펙트럼 면내 B-N 굽힘, 면외 B-N-B 신축 진동 존재 확증, BN 적외선 활성 E₁u, A₂u 모드 대응. PL 분석 발광 대역 존재 확증, UV-Vis 분광법 근자외선 영역 흡수 발생 지시. 형태학적 검사 FESEM, HR-TEM 미세사진 시트형 형태 Bi 나노시트 위 장식, 효과적 도핑 절차 의미. HR-TEM 이미지 Gatan 디지털 마이크로그래프 소프트웨어 도움 층간 간격 추정, XRD 잘 대응; EDS 스펙트럼 순수/도펀트 물질 모두 강한 신호 표시. 제1원리 계산 최적화 결과 Bi 다양한 농도 BN 나노시트 대체 안정 가능 나타냄. Bi 원자 불순물 밴드 전자 밴드갭 에너지 영역 서브-밴드갭 흡수 도입, 촉매 활성 증가 가능성. CA 실험 염료 분해 조사 효율적 신속 공정 결과. 추가 순수/도핑 BN 나노시트 안정, 재사용 가능, 탁월한 나노촉매 폐수 처리용. 추가 도핑 BN 나노시트 S. aureus, E. coli 유방염 염유 직접 분리주 항균 효율 유의미 정량적 값 결과. 실리코 예측 선택 효소 표적 DHFR, DNA gyrase E. coli, S. aureus 체외 살균 활성 좋은 일치, 도핑 나노소재 항균 및 CA 절차 잠재적 제제 새 지평 개척. 이론 계산 실험값 좋은 일치. 이론 연구 다양한 농도 치환 Bi BN 나노시트 안정 나타냄. 추가 Bi 도핑 페르미 준위 주변 새 국소 갭 상태 유도 BN 나노시트 전자 구조 다양한 변형 유도. 마침내 이 결과들 Bi 도핑 BN 나노시트 산업 폐수 응용, 항균 처리 이용 적합 물질 결론.
모든 데이터 제한 없이 완전히 이용 가능.
나노물질
초록 큰 일함수 덕분에 MoOₓ는 박막 및 결정질 실리콘 태양전지 모두에서 정공 선택적 접촉으로 널리 사용되어 왔습니다. 본 연구에서는 열증착 MoOₓ 박막을 p형 결정질 실리콘(p-Si) 태양전지 후면 측에 적용하여, 후속 어닐링 처리에 따른 MoOₓ 박막의 광학 및 전자 특성 그리고 해당 소자 성능을 조사했습니다. 100°C에서 어닐링된 MoOₓ 박막이 가장 높은 일함수를 보이며, 에너지 밴드 시뮬레이션과 접촉 저항률 측정 결과 최고의 정공 선택성을 입증했습니다. 전체 후면 p-Si/MoOₓ/Ag 접촉 태양전지는 19.19% 효
붕소는 다재다능한 비금속 원소지만, 지난 5년까지 화학자들은 2차원(2D) 붕소 함유 물질 유용 특성과 응용에 대해 이론만 세웠다. 쓰쿠바 대학교 연구자들이 주도한 그룹이 이제 이론을 현실로 가져와 첫 2차원 붕소 단황화물(BS) 나노시트 제조에 성공, 층별로 다뤄 전자적 특성 제어 가능하게 했다. 본질적으로 큰 표면적과 다양한 전자 상태를 가진 2D 물질들은 배터리 등 장치 응용에 좋은 후보. 게다가 2D 빌딩 블록들을 새로운 물질로 결합하면 기능성 제어 더 용이. 이전 계산 연구들에서 BS가 독특한 특성 가진 여러 안정적 2D
