Nanoclusters are so small that the quantum confinement effect gives rise to molecular-like electronic orbital, which exhibits unique electronic, optical, and catalytic properties. Also, the high surface to volume ratio of nanoclusters and their distinctive atomic structure provide potentials for high catalytic activity and high selectivity. However, the protecting ligands of the nanoclusters inhibit the approach of the reactant to the active sites. Thus, fabricating the catalyst by utilizing ligand-off nanoclusters with minimizing any size and structural modifications is of great interest. In this thesis paper, we have studied the synthesis of gold nanoclusters embedded in two types of mesoporous silica (MCM-41 and MCM-48) for catalytic application by adsorption of gold nanoclusters to the ionic surfactant, which is the template of mesoporous silica. During the formation of the mesoporous silicas, the silicate precursor was condensed near the gold nanoclusters interacted with the surfactants by an electrostatic Coulomb force. This methodology can prevent the sintering of the gold nanoclusters and secure the high surface area and pore accessibility due to the mesoporous silica. As expected, the average size of the gold nanoclusters embedded in mesoporous silica less than 3.0nm through HAADF-STEM image after calcination at a high temperature. Also, the ordered pore structures of mesoporous silica after the addition of the gold nanoclusters were preserved by the Small-angle X-ray scattering (SAXS). 4-nitrophenol reduction and CO oxidation reaction were utilized to evaluate the catalytic activity of two synthesized materials (Au@MCM-41, Au@MCM-48). They showed high catalytic activity for both reactions in spite of the low gold amount, even 100% CO conversion rate at room temperature. This unprecedented result gives the possibility for new catalytic application of nanoclusters supported on silica.
나노 클러스터는 크기가 매우 작은 나노입자로, 양자 구속 효과에 의한 분자 형태의 전자 오비탈을 가지게 되며 이에 따른 독특한 전자적, 광학적, 촉매적 특성을 나타낸다. 특히 촉매적 특성에서 나노 클러스터의 높은 표면 체적 비율과 독특한 원자구조가 높은 촉매 활성 및 선택성을 제공한다. 하지만 나노 클러스터를 보호하는 리간드가 반응물의 활성점으로의 접근을 저해해 촉매 활성이 낮아진다. 따라서 크기 및 구조적 변화를 최소화하며 리간드를 제거한 나노 클러스터를 활용한 촉매 개발이 연구자들에게 큰 관심을 받고 있다. 본 학위논문에서는 이온성 계면활성제와 전기적 상호작용을 활용해 금 나노클러스터를 두 종류의 메조포러스 실리카에 고정시켜 촉매 응용에 대한 연구를 수행하였다. 계면활성제 주위에 분포된 금 나노 클러스터 주위를 실리카로 응축시키면서 규칙적인 배열을 가진 기공 구조 및 금 나노 클러스터의 소결 저항성을 얻게 되었으며 이를 소각 엑스선 산란 기법과 환형 고각도 암시야 주사형 투과전자현미경을 통해 확인했다. 이 두 종류의 촉매는 4-니트로페놀 환원 반응과 일산화탄소 산화 반응에 대해 높은 촉매 활성을 보였으며, 특히 상온에서 두 촉매에 의해 일산화탄소가 100% 전환되었다. 이러한 이례적인 결과는 실리카에 지지된 나노 클러스터의 새로운 촉매 활용의 가능성을 제시할 것으로 기대된다.
