금속 나노입자 합성: 첨단 소재 특성 구현

금속 나노입자
'금속 나노입자'라는 용어는 크기 범위 1~100nm 내에서 치수(길이, 너비 또는 두께)를 가진 나노 크기 금속을 설명하는 데 사용됩니다. 금속 나노입자는 개별 원자, 표면 또는 벌크 소재와는 상당히 다른 특성을 나타냅니다. MNP의 주요 특징은 벌크 동등물에 비해 큰 표면적-부피 비율, 큰 표면 에너지, 분자 상태와 금속 상태 사이의 전이로서 존재하는 특성으로 특정 전자 구조(상태 국소 밀도 LDOS)를 제공하고, 플라즈몬 여기, 양자 구속, 단거리 정렬, 많은 수의 킹크(kink) 포함, 모서리와 가장자리와 같은 많은 저배위 사이트 포함, 많은 '댕글링 본드(dangling bonds)'를 가지며 결과적으로 특정 화학적 특성과 여분의 전자를 저장하는 능력을 가집니다.
잠재적 응용 분야에는 예를 들어 생화학, 촉매, 화학 및 생물학적 센서, 나노전자공학 및 나노구조 자기 시스템용 시스템에서의 사용이 포함됩니다.
합성
화학적 방법에는 금속 염의 화학적 환원, 알코올 환원 공정, 폴리올 공정, 마이크로에멀전, 금속 염의 열분해, 전기화학적 합성이 포함됩니다. 물리적 방법에는 전선 폭발 기술, 플라즈마, 화학 기상 증착, 마이크로파 조사, 펄스 레이저 에블레이션, 초임계 유체, 초음파 화학적 환원, 감마선이 포함됩니다.
희석 용액에서 금속 착물의 환원은 금속 콜로이드 분산액 합성의 일반적인 방법이며, 환원 반응을 개시하고 제어하기 위한 다양한 방법이 개발되었습니다. 대부분의 경우 단분산 금속 나노입자의 형성은 낮은 용질 농도와 성장 표면에 부착된 고분자 단분자층의 조합에 의해 달성됩니다. 낮은 농도와 고분자 단분자층 모두 주변 용액에서 성장 표면으로 성장 종의 확산을 방해할 수 있으며, 확산 과정은 초기 핵의 후속 성장의 속도 제한 단계일 가능성이 높으며, 균일한 크기의 나노입자 형성을 초래합니다.
전구체 및 시약
금속 나노입자, 더 구체적으로 금속 콜로이드 분산액의 합성에서 다양한 유형의 전구체, 환원 시약, 기타 화학물질, 방법이 환원 반응, 초기 핵형성, 초기 핵의 후속 성장을 촉진하거나 제어하는 데 사용됩니다. 전구체에는 원소 금속, 무기 염 및 금속 착물이 포함되며, 예를 들어 Ni, Co, HAuCl4, H2PtCl6, RhCl3, PdCl2 등이 있습니다. 환원 시약에는 구연산나트륨, 과산화수소, 하이드록실아민 염산염, 구연산, 일산화탄소, 인, 수소, 포름알데히드, 수용성 메탄올, 탄산나트륨, 수산화나트륨 등이 포함됩니다.
기타 합성 방법
금속 나노입자는 금속 양극과 금속 또는 유리탄소 음극만 포함하는 간단한 전기화학 셀을 사용하는 전기화학적 증착 방법으로도 제조할 수 있습니다. 전해질은 생성된 금속 나노입자의 안정제 역할도 하는 테트라알킬암모늄 할로겐화물의 유기 용액으로 구성됩니다. 전기장을 가하면 양극이 산화적 용해를 겪어 금속 이온을 형성하며, 이는 음극으로 이동합니다. 암모늄 이온에 의한 금속 이온의 환원은 용액에서 금속 나노입자의 핵형성 및 후속 성장을 초래합니다. 이 방법으로 직경 1.4~4.8nm 범위의 Pd, Ni, Co 나노입자를 생산할 수 있습니다.
금 나노입자
콜로이드 금은 오랫동안 광범위하게 연구되었습니다. 1857년 패러데이는 콜로이드 금의 제조와 특성에 대한 포괄적인 연구를 발표했습니다. 금 나노입자 합성을 위한 다양한 방법이 개발되었으며, 그중 100°C에서 염화금산의 구연산나트륨 환원은 50년 전에 개발되었으며 가장 일반적으로 사용되는 방법으로 남아 있습니다.
은 나노입자
은 나노입자 형성을 위한 다양한 방법이 개발되었습니다. Ag 나노입자 합성은 AgClO4, 아세톤, 2-프로판올 및 다양한 고분자 안정제를 포함하는 수용액의 UV 조명으로 달성할 수 있습니다. UV 조명은 아세톤의 들뜸과 2-프로판올로부터의 후속 수소 원자 추출을 통해 케틸 라디칼을 생성하며, 케틸 라디칼은 추가로 원자 분해 반응을 겪을 수 있습니다. 케틸 라디칼과 라디칼 음이온 모두 은 이온과 반응하여 은 원자로 환원시킵니다.
반응 속도가 낮고 단분산 은 나노입자 생성을 선호합니다. 폴리에틸렌이민을 고분자 안정제로 사용할 때, 위의 광화학적 환원 공정으로 형성된 은 나노입자의 평균 크기는 7nm이며 좁은 크기 분포를 가집니다.
고분자 안정제가 금속 나노입자 합성에서 매우 중요한 역할을 하지만, 고분자 안정제 없이도 제조할 수 있습니다. 은 나노입자는 상업적으로 이용 가능한 용액 세트를 사용하여 제조할 수 있습니다. 안정화 시약을 추가하지 않고도 20-30nm 크기의 은 나노입자 수용액 분산액을 사용하여 합성할 수 있습니다. 이 분산액은 정전기적 안정화 메커니즘에 의해 안정화될 가능성이 높습니다. 그러나 입자 크기는 합성 온도에 민감하게 의존합니다. 온도의 작은 변화는 금속 나노입자 직경의 상당한 변화를 초래할 수 있습니다.