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A study on the Fabrication of Nanoparticle - Carbon Nitride Nanotube Hybrids and their application as a catalyst = 나노입자 - 카본 나이트라이드 나노튜브 복합체 제조와 촉매로의 응용 연구
서명 / 저자 A study on the Fabrication of Nanoparticle - Carbon Nitride Nanotube Hybrids and their application as a catalyst = 나노입자 - 카본 나이트라이드 나노튜브 복합체 제조와 촉매로의 응용 연구 / Cheol-Ock Song.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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Metal nanoparticles (NPs) with a zero-dimensional structure have attracted a lot of attention to many researchers of state-of-the-art applications such as electronic, magnetic, and optical devices and metal NPs have been used as both homogeneous and heterogeneous catalysts. However, most of metal NPs still involve agglomeration of NPs, and they result in a decline of their original activity. NP-Host structure material hybrids can be a good alternative to solve the problem of NPs agglomeration because host structure materials attach NPs on the surface and control the movement of NPs. Carbon nitride nanotubes (CNNTs) including heterogeneous nitrogen in the carbon network on the Carbon nanotubes (CNTs) can be used as the host structure material because of high binding energy with metal NPs on the surface. In addition, CNNTs can provide defects to anchor NPs on the carbon network surface via direct growth without an additional functionalization process such as an acid solution treatment, which can cause damage to the carbon network surface of CNTs. In this Dissertation, cobalt or cobalt oxide nanoparticles (Co or Co3O4 NPs)-CNNTs hybrids with a uniform distribution and no agglomeration of NPs on the surface of CNNTs were fabricated through new synthesis routes. In addition, Co or Co3O4 NPs-CNNTs hybrids materials were applied to the hydrogen generation rate from aqueous metal hydride (NaBH4) solution and to the peroxidase-like activity of organic substrate (TMB) with the existence of H2O2 as a catalyst, respectively. First, Co NPs - CNNTs hybrids were fabricated to be based on the reduction of Co precursor on CNNTs in the presence of sodium hypophosphite, water and hydroxyl ion in alkaline ethylene glycol solution. Sodium hypophosphite acts as reducing agent of Co NPs. The size of Co NPs fabricated above method is controlled to about 2 nm. According to the increase of sodium hypophosphite concentration during the synthesis process, the scale of Co NPs is more uniform and smaller. Our density functional theory calculations provide the clue for the formation mechanism of these sized controllable Co NPs in the presence of sodium hypophosphite, water, Co2+ ions and OH- ions on pyridine-like nitrogen of CNNTs. First, two H-adatoms from water are bonded onto pyridine-liked nitrogen while sodium hypophosphite is bonded with oxygen of water. Next, the reduction of Co2+ ions occurs via combination with two electrons donated from these two H-adatoms. With Co NPs-CNNTs fabricated via this method, their catalytic activities for hydrogen generation from alkaline NaBH4 solution have been investigated. The Co NPs-CNNTs fabricated via this method shows a high hydrogen generation rate of 19.6 kg hydrogen/hr per 1kg catalyst from aqueous metal hydride solution. This superior catalytic activity about 82 times larger than that for the Co powder at a bulk state is attributed to the increase of specific reaction surface area by combination of Co NPs and CNNTs. In addition, Co NPs-CNNTs formed via mediation of two H-adatoms bonded in pyridine-liked nitrogen have about 1.5 times larger surface area than Co NPs-CNNTs formed in only pyridine-liked nitrogen, so hydrogen generation rate shows. Next, Co3O4 NP-CNNT hybrids were fabricated to be based on the thermal-treatment in air condition after synthesizing Co(OH)2 shielded on CNNTs through a simple polyol process combined with Co(acac)3, triethylenglycol, and thermal-heating process. Co3O4 NP-CNNT hybrids showed Co3O4 NPs of 4 - 8 nm in size with a uniform distribution and no agglomeration on the surface of CNNTs. Co3O4 NP-CNNT hybrids indicates the superior peroxidase-like activity of 18, 19 times higher than that of bulk Co3O4 NPs and Fe3O4 NPs due to the stronger affinity with substrate molecules (TMB and H2O2) by the larger specific surface area of Co3O4 NPs anchored on CNNTs and an electron-transfer ability of CNNTs. Electron Spinning Resonance (ESR) provides the clue for the peroxidase-like redox role of Co3O4 NP-CNNT hybrids in the presence of TMB and H2O2. First, Co3O4 NPs anchored on CNNTs or CNNTs supply an electron to H2O2, and generates OH radicals from H2O2. Next, TMB is oxidized and generate an electron and generated electron offset the lack of electron of Co3O4 NP-CNNT hybrids. These facile synthetic routes to fabrication of sized controlled Co NPs or Co3O4 NPs on CNNT could be further extended to control and distribute uniformly the size for various nanoparticles on CNNTs, which could also be used for a wide range of applications in the areas of energy and environmental technology, biotechnology, and medicine.

나노 입자-호스트 구조 복합체는 나노 입자들의 뭉침 현상의 문제를 방지하여 높은 수소 발생 및 효소적 활성 능력에 기여할 수 있다. 탄소 나노튜브의 일부 탄소가 질소로 치환되어 구성된 카본 나이트라이드 나노튜브 (CNNTs)는 나노 입자들을 균일하게 분포시킬 수 있는 호스트 구조 복합체로써 이용될 수 있다. 이번 학위논문에서 CNNTs 표면에 균일한 분포와 크기를 가진 코발트 나노 입자 (Co NPs)와 산화-코발트 나노 입자들 (Co3O4 NPs)이 연결된 복합체 (hybrids)를 제조하는 합성법을 연구하였다. 그리고 제조된 복합체를 촉매로써 NaBH4 수용액에서의 수소발생, 유기 기질 (TMB (3,3,4,4,-tetramethylbenzidine))의 효소적 활성 능력 (Peroxidase-like activity)에 응용하였다. 첫 번째 연구는 Co NPs - CNNTs 복합체 제조이다. Sodium hypophosphite는 Co NPs 의 환원제의 역할을 하며 Microwave heating공정을 통해 Co NPs - CNNTs 복합체를 제조하였다. Co NPs - CNNTs 복합체에서 Co NPs 크기는 약 2 nm 였다. 합성과정에서Sodium hypophosphite의 농도가 증가할수록 Co NPs의 크기가 작으면서 균일하게 분포하였다. Density functional theory (DFT) 계산은 CNNTs 표면에 Co NPs의 형성하는데 있어 Sodium hypophosphite의 역할을 설명해 주었다. Sodium hypophosphite에 의해 물에서부터 분해된 두 개의 H-adatom은 CNNTs pyridine-like nitrogen에 결합되며 Co전구체의 코발트 이온 (Co2+) 이 H-datom으로부터 전자를 받아 코발트 원자로 환원되어 CNNTs에 형성된다. 이렇게 제조된 Co NPs - CNNTs hybrids 는 알칼리 NaBH4 용액에서 19.6 kg H2 / hr per 1kg catalyst의 높은 수소 발생 능력을 보여주었다. 이것은 벌크 상태의 코발트 파우더에 비해 약 82배의 높은 수소 발생 능력을 보여주며, CNNTs에 형성된 작고 균일한 Co NPs에 의한 높은 반응 표면적이 높은 수소 발생 능력에 기여한다. 또 다른 연구는 CNNTs 표면에 4 - 8 nm의 Co3O4 NPs 크기를 갖고 균일하게 분포되어 있는 Co3O4 NP - CNNT 복합체의 제조이다. Thermal-heating 공정을 통해 수산화 코발트가 CNNTs 표면을 덮은 Co(OH)2 - CNNT 복합체를 제조한 후, Air 조건에서 열처리를 통해 Co3O4 NP - CNNT 복합체를 제조하였다. Co3O4 NP - CNNT 복합체는 Co3O4 NPs 와 Fe3O4 NPs에 비해 18, 19배의 뛰어난 효소적 발생 능력을 보여주었다. 이것은 CNNT에 붙어있는 Co3O4 NPs 의 높은 반응 표면적과 CNNT의 전자 전달 능력 때문이다. Electron Spinning Resonance (ESR) 분석으로부터 Co3O4 NP - CNNT 복합체의 효소적 활성 반응은 다음과 같음을 알 수 있었다. CNNT에 붙어있는 Co3O4 NPs 또는 CNNT로부터 전자들이 기질인 H2O2로 전달되어 OH 라디칼을 형성하고, 또 다른 기질인TMB는 Co3O4 NP - CNNT 복합체를 통해 산화되어 전자를 발생한다. 그리고 발생된 전자는 전자가 부족한 Co3O4 NP - CNNT 복합체로 이동하여 복합체 구조를 유지하는 거동을 보여준다. 본 학위논문에서 Co NPs - CNNTs 및 Co3O4 NP - CNNT 복합체 합성 연구는 CNNTs 표면에 다양한 나노 입자를 균일하고 작은 크기로 결합시키는데 있어 응용될 수 있으며 에너지 및 환경 기술, 바이오 및 제약 등의 다양한 분야에서 응용될 것으로 예상된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 13003
형태사항 x, 84 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 송철옥
지도교수의 영문표기 : Jeung-Ku Kang
지도교수의 한글표기 : 강정구
수록잡지명 : "Fabrication of size-controlled Co nanoparticles via mediation of H-adatoms on pyridine-like nitrogen of carbon nitride nanotubes and their superior catalytic performance for hydrogen generation". Journal of Materials Chemistry, v.20, pp.7276-7281(2010)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 References : p. 21-22, 47-48, 78-82
주제 Carbon Nitride Nanotubes (CNNTs)
Co NPs-CNNTs hybrids
Co3O4 NP-CNNT hybrids
Hydrogen generation
Peroxidase-like activity
BET surface area
카본 나이트라이드 나노튜브 (CNNTs)
Co NPs - CNNTs 복합체
Co3O4 NP - CNNT 복합체
수소 발생 (Hydrogen generation)
효소적 활성 능력 (Peroxidase-like activity)
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