Many researchers have been studied for making nanoscale materials because the nanoscale materials have unique properties which do not have in the bulk state. Many people think that nanomaterials lead to a breakthrough in various fields of science and technology. In addition, controlling their morphologies and properties is a very important issue in the use of nano materials. From this point of view, thin film is widely concentrated on the many areas such as solar cell, fuel cell, and carbon nanotube catalyst. In case of solar cell, it need to multi-layers structure to improve the efficiency. Also, thin film catalyst was used to MEA (Membrane Electrode Assembly) in fuel cell research area. By using the thin film, it can be coated on any materials, such as glass, metal substrate and flexible plastic. For these reasons, the thin film has many advantages as useful materials. In addition, if we can control the size, shape, and position of thin film type catalyst, we have new properties which are not appeared. Also, selectivity of materials can be a good advantage, depositing the wanted materials. Whenever we want to change the material, we just change the metal precursors to deposit the materials we wanted. If the nanoscale materials have mixed two different materials, it is a useful material in catalyst. However, it is difficult to making a structure that has specific shape and uniform size. Also, we have a hard time to arraying the nanoscale materials. To solve these problems, many people have concentrated on the self-assembling system for the synthesis of nanoscale materials. Diblock copolymers are nanoscale self-assembling systems. The diblock copolymers composed of two different polymers, covalently linked, spontaneously self-assemble into structures on the tens of nanometer length scale, whether in bulk or in a solution. Over the CMC (Critical Micelle Concentration), the diblock copolymer was agglomerated and then the micelle was made. The micelle has two different characteristics, hydrophilic in the core and hydrophobic in the shell. For this characteristic, we can deposit the materials in the core area. Also, the materials can be changed any other materials depending on the purpose and we can mix the two different materials. By mixing the two different materials, the activity of catalyst is higher than just one material.
For these reasons, we synthesized bi-material nanoparticles on the silicon substrate. At first, we tried iron metal to confirm the possibility that we could make the bi-material nanoparticles. We synthesized bi-material nanoparticles, Fe@oxide materials and proved the structure of bi-material nanoparticles using the SEM, AFM, and TEM. Through the analysis, we knew that the metal was deposited in the core and oxide material surround the metal.
As mentioned above, we described that material can be changed, so we changed metal from Fe to Pt for improving the catalytic reaction. We synthesized bi-material nanoparticles, Pt@oxide materials. Using the Pt@TiO2, we evaluated hydrogen generation, because Pt and TiO2 are very high efficient material for photocatalyst. From the result, we knew that bi-material nanoparticles had a synergy effect. The hydrogen generation of bi-material nanoparticles is higher than only Pt and TiO2 nanoparticles on the substrate. Also, addition of sacrificial reagent improved the hydrogen generation.
많은 연구자들에 의해서 나노크기의 재료가 주목받고 있다. 그 이유는 나노사이즈로 됨에 따라서 벌크상태에서는 나타나지 않는 성질이 나타나기 때문이다. 나노재료의 경우도 사용되는 목적에 따라 박막형태의 촉매가 필요로 되어 진다. 특히 박막형태로 만들게 되면 우리가 원하는 기판에 촉매를 만들 수 있다는 장점이 있다. 이때, 박막형태로 올라가는 촉매의 크기, 형태, 위치를 우리가 조절 할 수 있다면, 재료의 장점을 극대화 할 수 있다. 또한 하나의 물질이 아닌 두 가지 물질을 썩어서 만들 수 있다면 그 효과는 더욱더 크다고 할 수 있다. 이러한 이슈들을 해결하기 위해서 마이셀이라는 블록중합체를 사용하게 된다. 블록중합체는 극성인 부분과 비극성인 부분이 서로 연결되어 있어서 특정 용액에 들어가면 같은 성질끼리 뭉치게 되어 구형을 나타낸다. 우리는 이번 실험에서 블록중합체를 톨루엔 용액에 녹여주었다. 그리고 그 용액을 60℃에서 3시간동안 어닐링 시켜주어서 완전한 구형을 가진 마이셀을 만들어 주었다. 이 마이셀을 기판위에 스핀코팅의 방법을 이용하여 도포시킨 후 메탄올 용액에 기판을 담궈 메탈 이온이 마이셀에 들어갈 수 있도록 한다. 이때 메탄올 용액은 0.1M로 만들어 준다. 그리고 SEM사진을 통해서 순수한 Fe 입자가 가운데 뭉치는 형태로 기판위에 올려져 있다는 사실을 확인 할 수 있었다. 입자의 크기는 약 15-20nm 이다. 또한, SiO2 와 TiO2를 증기 증착방법을 이용하여 메탈 이온 주변에 들어 갈 수 있도록 한다. 옥사이드 물질이 어떻게 증착이 되는지를 확인 하기 위해서 단순히 SiO2와 TiO2를 기상으로 날려주고 SEM사진으로 확인하였다. 증착의 방법은 Lock&Lock용기를 이용하여 밀페시킨 용기에 물과 TEOS용액을 이용하여 SiO2를 증착시킨다. 또한, TiO2의 경우는 물과 Titanium (IV) isopropoxide를 연속적으로 넣어주어서 증착 시켜주었다. 이때도 SEM 사진을 통해서 주변부로 증착되는 것을 확인 할 수 있었다. 메탈과 옥사이드 두 가지 물질을 동시에 증착시면 가운데 부분은 메탈이 주변부는 옥사이드 물질이 들어가 있는 코어/쉘 구조를 가진다. 이렇게 만든 나노 입자를 SEM, AFM, TEM을 이용하여 구조를 증명하였다. 이 분석을 통해서 우리는 가운데는 메탈이, 그 주변을 SiO2 와 TiO2로 둘러 싸고 있다는 것을 증명 할 수 있었다. 또한, 마이셀의 장점은 원하는 메탈을 바꿀 수 있다는 것이다. 그래서 처음에 Fe를 이용하여 구조를 증명하였고 촉매의 특성을 향상시키기 위해서 Pt로 바꾸었다. 옥사이드 물질의 경우, TiO2를 사용하여 광촉매로서 사용하였다. 이렇게 만들어진 Pt@TiO2 나노 입자를 수소발생에 적용해 보았다. 그 결과 단순히 Pt와 TiO2를 기판위에 올려진 것 보다 두 가지 물질이 동시에 들어간 나노입자의 경우가 더 많은 수소 발생량을 보였다. 그리고 Sacrificial Reagent로 메탄올을 넣어서도 확인해 보았다. 그 결과 순수한 물에서의 발생량보다 약2배정도 많은 수소 발생량을 보였다.
이번 논문을 통해서 박막형태의 촉매를 만들 수 있었고 이를 물분해에 적용을 시켜서 수소 발생량을 확인 할 수 있었다.
