Ex-solution phenomenon has been proposed as a promising strategy for designing high performance catalysts with remarkable high durability since ex-solved metal nanoparticles (NPs) are strongly anchored on host oxide lattices. However, recent ex-solution studies suffer from critical limitations such as the synthesis process of harsh reduction conditions at high temperature to ex-solve metallic NPs; restricting the choice of support materials and ex-solutes elements to feature high thermal stability to avoid thermal degradation. Here, we report intense pulsed light-derived high temperature transient photothermal effect on tungsten oxide nanofibers support materials to induce ex-solution of a series of noble metal catalysts (Pt, Rh, and Ir) in ambient air. Since the ex-solution process ends up within an extremely short time (20 ms), the thermal degradation of the support materials could be effectively avoided. At the same time, ex-solute metals are successfully ex-solved to form uniform size distributed sub-10 nm NPs. To prove the practical utility of ex-solved catalytic NPs functionalized on WO$_3$ NFs after IPL treatment, we demonstrated outstanding gas sensing performances, i.e., excellent selectivity, and remarkable durability toward H$_2$S. Altogether, we successfully demonstrated the new class of ambient air ex-solution phenomenon using the IPL-induced optical transient annealing process to overcome the challenges of conventional ex-solution methods and to contribute to expanding the ex-solution field for various applications.
엑솔루션 현상은 금속 나노입자가 지지체 격자에 강하게 고정되어 높은 내구성을 가지므로 고성능 촉매를 설계하기 위한 유망한 전략으로 주목 받고 있다. 그러나 엑솔루션 연구는 금속 나노입자를 결착하기 위하여 고온/환원 분위기에서의 장기간 열처리가 필수적으로 요구되어 이러한 열 저하를 피하기 위해 높은 열 안정성을 갖는 지지체가 필수적이다. 본 학위 논문에서는 상온 공기에서 일련의 귀금속 촉매(Pt, Rh 및 Ir)의 엑솔루션을 유도하기 위해 텅스텐 산화물 나노섬유 지지체에 강력한 펄스 광을 조사하여 순간적인 광열 효과를 이용하였다. 엑솔루션 과정이 매우 짧은 시간 (20ms) 내에 끝나기 때문에 지지체의 열 열화 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 동시에, 도핑된 금속은 성공적으로 엑솔루션되어 균일한 크기의 10 nm 이하 나노입자를 형성한다. IPL 처리 후 엑솔루션 금속나노입자를 기능화한 텅스텐 산화물 나노섬유의 실용성을 입증하기 위해, 저항변화식 가스센서 테스트를 진행하였다. 황화수소에 대한 우수한 감지 성능, 뛰어난 선택성 및 내구성을 입증했다. 이는 환원된 텅스텐산화물과의 이종접합구조, 엑솔루션 금속나노입자 촉매의 시너지 효과에 의해 우수한 활성을 가지기 때문이다. IPL 유도 광열효과를 이용하여 기존 엑솔루션 합성 한계를 극복하고 다양한 애플리케이션으로 확장하는 데 기여하는 방법을 제안한다.
