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Surface structure design of metal oxide nanostructures for highly effective gas sensors and catalysts = 고성능 기체 센서 및 촉매 활용을 위한 금속 산화 나노구조체의 표면 구조 디자인
서명 / 저자 Surface structure design of metal oxide nanostructures for highly effective gas sensors and catalysts = 고성능 기체 센서 및 촉매 활용을 위한 금속 산화 나노구조체의 표면 구조 디자인 / Jae-Young Kim.
저자명 Kim, Jae-Young ; 김재영
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

The nanoparticles have been employed for various applications, such as catalytic reactions, sensors, and drug delivery systems, due to their high surface area and highly active surface. For these applications, researchers have great interest in the design of morphology and surface structure of nanoparticles to gain large surface area, adoptable electronic conductance and surface energies. In chapter 2, a hierarchical assembly of the single crystalline $Co_3O_4$ nanoparticles was yield using ZnO spheres as sacrificial templates. This material exhibited remarkable sensing performance, including extremely high sensitivity with a detection limit of 5 ppb, good selectivity for formaldehyde among the various indoor environmental gases, and good long term stability for up to three days in air. These superior properties stemmed from the regular, hierarchically assembled structures with a small crystalline domain size under a critical size of a grain (20 nm), a thin hollow morphology with a large surface area, and a three-dimensional conductive network with a two particle-wide diameter. In chapter 3, we have fabricated two distinct yolk-shell nanostructures from the $NiPt@SiO_2$ core-shell nanoparticles by simple thermal treatments. The labile nickel components behaved as sacrificial spacers that generated vacancy between Pt cores and silica hollow shells. The $NiPt@SiO_2$ core-shell nanoparticles transformed to the Pt@silica yolk-shell nanostructure with branches of nickel phyllosilicate under a basic condition. Hydrochlo-ric acid selectively dissolved the nickel components and formed the Pt@silica yolk-shell nanospheres. Because of its high reactivity and affordable price, nickel can act as a versatile sacrificial component for the formation of complex hierarchical structures with expensive noble metals. In chapter 4, we have fabricated a $SiO_2@MgO@Ni$ nanocatalyst bearing tiny nickel nanoparticles embedded on the surface of $SiO_2@MgO$ core-shell sphere, by the reduction of branched nickel phyllosilicate and magnesium phyllosilicate phases. The final nanostructure behaved as a highly active and stable nanocatalyst for dry methane reforming reactions. A small size of the nickel nanoparticles and strong basicity of magnesium oxide could prevent severe carbon deposition on the catalyst surface, and maintained catalyst performance on prolonged reactions.

나노 입자는 벌크 물질에 비하여 넓은 표면적과 높은 표면 에너지로 인하여 다양한 산업 분야에서 촉매, 센서, 약물 전달물질 등으로 활용되어 왔다. 최근에는 단순히 나노 크기의 입자를 제조하는 것을 넘어, 표면 구조가 디자인 된 나노 구조체의 합성 연구에 관심이 모이고 있다. 이를 통하여 나노 구조체에 보다 넓은 표면적과 안정성, 그리고 활용 분야에 적합한 전기 전도성과 표면 에너지를 도입할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 형태로 나노 입자의 표면을 디자인하여 각 산업 분야에 적용하고자 하였다. 제 2 장에서는 포름알데하이드 탐지 센서로의 활용을 위하여, 일정한 크기를 가지는 산화 코발트 단결정들로 조립된 할로우 나노 구조체를 합성하였다. 이를 활용하여 제조된 포름알데하이드 탐지 센서는 5 ppb에 이르는 높은 분해능과 3일 이상의 장기 안정성을 가졌으며, 이러한 높은 성능은 1) 작은 크기(20 nm 이하)의 도메인 사이즈, 2) 높은 표면적, 그리고 3) 3 차원 전도 네트워크에서 비롯된다. 제 3장에서는 $NiPt@SiO_2$ 중심-껍질 구조를 이용하여 백금 중심을 가지는 요크 쉘 구조를 합성하는 두 가지 방법을 제시하였다. 니켈-백금 합금에서 상대적으로 높은 반응성을 가지는 니켈 부분은 산 혹은 염기 조건에서 간단한 열 처리 방법으로 제거될 수 있다. $NiPt@SiO_2$ 중심-껍질 구조체를 산성 용액 하에서 가열할 경우 니켈이 제거 되어 백금-실리카 요크 쉘 구조체를 얻을 수 있다. 반면에 염기성 용액 하에서 $NiPt@SiO_2$ 중심-껍질 구조체를 가열할 경우, 니켈과 실리카가 반응하여 실리카 표면에 침상의 니켈 필로실리케이트 (Nickel phyl-losilicate) 결정을 형성하게 된다. 결과적으로 백금-니켈 필로실리케이트의 요크 쉘 구조체가 얻어진다. 이러한 합성 전략은 니켈-백금 합금뿐만 아니라 다양한 희귀금속과 니켈의 합금에도 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 제 4 장에서는 메탄 개질 반응에 촉매로 사용하기 위하여 $SiO_2@MgO@Ni$ 나노 구조체를 합성하였다. 니켈과 산화 마그네슘은 각각 니켈 필로실리케이트와 마그네슘 필로실리케이트의 환원을 통하여 생성되었으며, 그 결과 실리카-산화 마그네슘 중심-금속 입자 위에 작은 크기 (약 1 nm)의 니켈 나노 입자가 얹혀진 촉매 구조체를 얻을 수 있었다. 합성된 구조체는 메탄 개질 반응에 있어 높은 안정성과 반응성을 보였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCH 14021
형태사항 90 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김재영
지도교수의 영문표기 : Hyun-Joon Song
지도교수의 한글표기 : 송현준
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학과,
서지주기 Including References
주제 nanostructure
gas sensor
gas catalyst
nanoparticle
나노구조체
기체센서
기체반응촉매
나노입자
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