We report on novel sensitization of metal-metal oxide complex catalysts onto semiconductor metal ox-ide (SMO) nanofibers (NFs) achieved by metal-organic framework (MOF) templating and electrospinning routes. Pd nanoparticles (2~3 nm) encapsulated in the cavity of zeolite imidazole framework (ZIF-8, ~ 100 nm) were mixed with electrospinning solution and embedded in electrospun W precursor/polyvinylpyrrolidone composite NFs. After calcination process, Pd-loaded ZnO nanocubes (Pd-ZnO) derived from Pd embedded Zn based MOF were effectively sensitized on interior and exterior of $WO_3$ NFs, resulting in the build-up of multi-heterojunctions of Pd-ZnO and $ZnO-WO_3$. Surprisingly, the Pd-ZnO loaded $WO_3$ NFs exhibited a superi-or toluene sensitivity ($R_{air}/R_{gas} = 4.37 to 100 ppb$) and selectivity against other interfering analytes. Moreover, the gas responding speed was dramatically enhanced (~20 sec) compared to pristine $WO_3$ NFs (~44 sec). These results demonstrate that MOF-driven metal-metal oxide complex catalysts can be functionalized within metal-oxide nanofiber scaffold during electrospinning, thereby creating multi-heterojunctions for catalytic sensitization. This feature can pave a new way of complex catalyst synthesis for potential application in high performance chemical gas sensors.
본 연구는 금속유기구조체 템플레이트와 전기방사를 활용하여 금속-금속산화물 복합 촉매가 1차원 반도체 금속산화물 나노섬유에 결착된 나노구조물 합성에 관한 것이다. 금속 촉매인 팔라듐 나노입자는 2~3 nm 크기로 금속유기구조체의 일종인 제올라이트 이미다졸 구조체 (ZIF-8, ~ 100 nm) 내부의 빈 공간에 결착되게 된다. 이렇게 팔라듐이 내장된 ZIF-8은 텅스턴 전구체와 폴리비닐피롤리돈과 함께 전기방사되어 1차원 복합 나노섬유를 형성하게 된다. 이후 열처리 과정을 통해, 팔라듐이 내장된 ZIF-8은 팔라듐 촉매가 결착되어 있는 아연산화물을 형성하게 된다. 팔라듐-아연산화물 복합 촉매는 텅스텐산화물 나노섬유의 내부 및 외부에 효과적으로 결착되게 되어, 다중 접합을 형성할 뿐만 아니라 향상된 촉매 특성을 보이게 된다. 놀랍게도, 팔라듐-아연산화물이 결착된 텅스텐 나노섬유는 톨루엔 가스에 대해서 높은 선택성과 감도 ($R_{air}/R_{gas} = 4.37 to 100 ppb$) 특성을 나타내었다. 또한, 순수한 텅스텐 산화물에 팔라듐-아연산화물 복합 촉매가 결착됨으로써, 44초 이상 걸리던 반응속도를 20초 미만으로 개선하였다. 이러한 결과는 금속유기구조체 기반 금속-금속산화물 복합 촉매가 전기방사를 통해 손쉽게 1차원 금속산화물 나노섬유에 결착될 수 있으며, 이렇게 결착된 복합 촉매는 향상된 촉매특성을 입증하였다. 본 연구를 통해 제안하는 1차원 금속산화물 반도체에 금속-금속산화물 복합 촉매가 결착된 구조는 화학 가스 센서에서 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
