Nanostructured materials with designed size and dimension are of great interest due to possibilities as a component of advanced nanodevices in nanotechnology. Such nanostructured materials may be obtained by template synthesis using mesoporous molecular sieves that are constructed with various pore size and connectivity.
In the present work, nanoscale Pt metals with nanoscopic periodicity have been synthesized via the synthesis route using MCM-48 and SBA-15 mesoporous silica as templates. In the synthesis method, $Pt(NH_3)_4(NO_3)_2$ was incorporated into mesopores of the silica templates. The Pt compound was reduced into Pt(0) metallic state with $H_{2}$ The silica templates were then removed with hydrofluoric acid.
The investigation of the resultant Pt product with TEM and XRD showed that the nanoscale Pt metal synthesized with MCM-48 was obtained as chiral-network sponges. The TEM image showed that the Pt sponges were composed of 3-dimensional regular networks of Pt wire 3 nm in diameter. The XRD pattern was characteristic of the cubic $I4_132$ or $I4_332$ structure corresponding to the two independent channel systems in MCM-48. The individual nanowires were crystalline and the Pt atoms were maintained in the fcc packing, which was the atomic packing structure of the bulk Pt metal. Pore size analysis indicated that the Pt network was mesoporous.
The TEM investigation showed that the Pt nanowires synthesized with SBA-15 were interconnected with a regular spacing. The XRD pattern exhibited three Bragg diffraction lines due to the hexagonally ordered wire arrangement, which was similar to those of SBA-15. TEM and XRD results revealed that hexagonally arranged mesopores in SBA-15 were interconnected with the smaller pores.
The present synthesis method is suitable for the synthesis of various types of nanoscale Pt metals and their arrangement. The template synthesis may also be extended to other metals, metal mixtures and semiconductors that are suitable as components for the advanced nanodevices.
나노 물질의 합성과 그에 대한 연구는 나노과학기술의 시발점으로서 진보화된 나노 전자장치의 주요 부품을 제공하고 나노영역의 수준에서 조작 및 제어를 가능하도록 해주기 때문에 중대한 관심을 끌고 있다. 나노 물질의 구분되는 특성은 크기와 차원의 함수로 나타나므로 원하는 크기와 모양으로 성형하는 것이 중요하다. 메조포러스 분자체 물질은 기공의 크기와 나열구조를 적절히 조절할 수 있어서 나노 물질의 주형합성에 응용가능성이 매우 크다.
본 연구에서는, 메조포러스 실리카 MCM-48과 SBA-15를 주형물질로 사용하여 3차원 구조규칙성 나노 백금 물질을 합성하였다. 먼저 실리카 주형물질의 기공 안에 백금 전구체 $Pt(NH_3)_4(NO_3)_2$를 담지시키고 수소 분위기 하에서 처리하여 백금(0) 금속상태로 환원시켰다. 이렇게 얻어진 백금/실리카 복합체를 불산 용액으로 처리하여 실리카 주형만을 선택적으로 제거하고 나노 백금 물질을 얻었다.
형성된 나노 백금 구조물은 주형으로 사용한 MCM-48과 SBA-15 실리카의 구조적인 정보를 내포하고 있었다. 투과 전자 현미경과 X-선 분말 회절 분석 결과, MCM-48을 주형으로 하여 합성한 나노 백금 구조물은 3 nm 크기의 백금선으로 이루어진 키랄 구조임을 알 수 있었다. 각각의 나노 백금 구조물은 $I4_132$ 또는 $I4_332$ 구조를 지니는데, 이는 MCM-48의 거울상 이성질 관계에 있는 두 기공 구조 중 한쪽의 기공 구조에 해당하는 것이다. 나노 백금은 원자 수준에서 면심입방 구조의 결정성을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 기공 크기 분석을 통하여 3.4 nm 직경의 기공 크기를 갖는 메조포러스 백금임을 알 수 있었다.
SBA-15 실리카 주형에서 얻어진 나노 백금 물질은 SBA-15와 유사한 X-선 회절 패턴을 나타내었다. 투과전자현미경과 X-선 회절 분석을 통해 약 9 nm 크기의 백금 나노선이 육방밀집 구조를 유지하는 것을 알 수 있었다. 이는 주형물질인 SBA-15 실리카의 메조기공들 사이가 미세기공으로 연결되어 있는 간접적인 증거이다.