금속 나노입자 합성:고급 재료 특성 잠금 해제

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금속 나노입자
금속 나노입자라는 용어는 크기 범위(길이, 너비 또는 두께)가 1~100nm인 나노 크기의 금속을 설명하는 데 사용됩니다. 금속 나노입자는 개별 원자, 표면 또는 벌크 물질의 특성과 상당히 다른 특성을 나타냅니다. MNP의 주요 특징은 벌크 등가물에 비해 큰 표면적 대 부피 비율, 큰 표면 에너지, 특정 전자 구조(상태 LDOS의 국소 밀도)를 제공하는 분자와 금속 상태 사이의 전이로서 존재, 플라즈몬 여기, 양자 구속, 단거리 정렬, 꼬임 수 증가, 모서리 및 가장자리와 같은 저배위 사이트를 다수 포함하고 "매달린 결합"을 많이 포함하며, 결과적으로 구체적이고 화학적 특성과 과잉 전자를 저장하는 능력.
이들의 잠재적 응용 분야에는 생화학, 촉매 작용, 화학 및 생물학적 센서, 나노전자공학 및 나노구조 자성 시스템 등의 용도가 포함됩니다.
합성
화학적 방법에는 금속염의 화학적 환원, 알코올 환원 공정, 폴리올 공정, 마이크로에멀젼, 금속염의 열분해 및 전기화학적 합성이 포함됩니다. 물리적 방법에는 폭발 와이어 기술, 플라즈마, 화학 기상 증착, 마이크로파 조사, 펄스 레이저 절제, 초임계 유체, 초음파 화학적 환원 및 감마 방사선이 포함됩니다.
희석 용액에서 금속 착물의 환원은 금속 콜로이드 분산액을 합성하는 일반적인 방법이며, 환원 반응을 시작하고 제어하기 위해 다양한 방법이 개발되었습니다. 대부분의 경우 단일 크기의 금속 나노입자의 형성은 낮은 농도의 용질과 성장 표면에 부착된 고분자 단일층의 조합에 의해 달성됩니다. 낮은 농도와 고분자 단층 모두 주변 용액에서 성장 표면으로의 성장 종의 확산을 방해할 수 있으며 확산 과정은 초기 핵의 후속 성장의 속도 제한 단계가 되어 균일한 크기의 나노입자가 형성될 가능성이 높습니다.
전구체 및 시약
금속 나노입자, 보다 구체적으로 금속 콜로이드 분산의 합성에서는 환원 반응, 초기 핵생성 및 초기 핵의 후속 성장을 촉진하거나 제어하기 위해 다양한 유형의 전구체, 환원 시약, 기타 화학 물질 및 방법이 사용됩니다. 전구체에는 Ni, Co, HAuC14, H,PtCl, RhCl 및 PdCl2와 같은 원소 금속, 무기 염 및 금속 착물이 포함됩니다. 환원 시약에는 구연산나트륨, 과산화수소, 히드록실아민 염산염, 구연산, 일산화탄소, 인, 수소, 포름알데히드, 수성 메탄올, 탄산나트륨 및 수산화나트륨이 포함됩니다.
기타 합성 방법
금속 나노입자는 금속 양극과 금속 또는 유리질 탄소 음극만을 포함하는 간단한 전기화학 셀을 사용하는 전기화학 증착 방법으로도 제조할 수 있습니다. 전해질은 테트라 알킬 암모늄 할로겐화물의 유기 용액으로 구성되며, 이는 생성된 금속 나노입자의 안정제 역할도 합니다. 전기장을 가하면 양극은 산화 용해되어 금속 이온을 형성하고, 금속 이온은 음극으로 이동합니다. 암모늄 이온에 의한 금속 이온의 환원은 용액 내에서 핵형성 및 금속 나노입자의 후속 성장을 유도합니다. 이 방법을 사용하면 직경이 1.4~4.8 nm 범위인 Pd, Ni 및 Co 나노입자를 생산할 수 있습니다.
금 나노입자
콜로이드 금은 오랫동안 광범위하게 연구되어 왔습니다. 1857년 패러데이는 콜로이드 금의 준비와 특성에 관한 포괄적인 연구를 발표했습니다. 금 나노입자의 합성을 위해 다양한 방법이 개발되었으며, 그 중 100°C에서 구연산 나트륨을 환원하는 방법은 50여년 전에 개발되었으며 가장 일반적으로 사용되는 방법으로 남아 있습니다.
은나노입자
은 나노입자를 형성하기 위한 다양한 방법이 개발되었습니다. Ag 나노입자의 합성은 AgC104, 아세톤, 2-프로판올 및 다양한 고분자 안정제를 함유한 수용액의 UV 조명을 통해 달성될 수 있습니다. UV 조명은 아세톤의 여기를 통해 케틸 라디칼을 생성하고 이후 2-프로판올로부터 수소 원자 추출을 수행하며 케틸 라디칼은 추가로 프로토리틱 해리 반응을 겪을 수 있습니다. 케틸 라디칼과 라디칼 음이온은 모두 은 이온과 반응하여 은 원자로 환원됩니다.
이 반응은 반응 속도가 낮고 단일 크기의 은 나노입자 생성에 유리합니다. 고분자 안정제로서 폴리에틸렌이민이 존재하는 경우, 위의 광화학적 환원 공정을 통해 형성된 은 나노입자는 평균 크기가 7nm로 좁은 크기 분포를 갖습니다.
고분자 안정제는 금속 나노입자 합성에 매우 중요한 역할을 하지만, 고분자 안정제를 사용하지 않고도 제조가 가능하다. 은 나노입자는 시판되는 용액 세트를 사용하여 제조할 수 있습니다. 안정화제를 첨가하지 않고 20~30nm 크기의 은나노입자의 수분산액을 이용해 합성할 수 있다. 분산은 정전기적 안정화 메커니즘에 의해 안정화될 가능성이 높습니다. 그러나 입자 크기는 합성 온도에 민감하게 의존합니다. 온도가 조금만 변해도 금속 나노입자의 직경이 크게 변합니다.