실리카/금속/탄소 복합물을 제조할 수 있는 새로운 졸-겔 방법

[아템]

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-03-28

미국, 캐나다, 스위스의 연구진은 나노구조로 된 실리카/금속/탄소 복합물을 만들 수 있는 새로운 졸-겔 프로세스를 개발했다. 이 졸-겔 프로세스로 생성된 복합물은 매우 높은 전기 전도성을 가졌다. 복합물들은 연료전지, 배터리, 촉매, 심지어 생체-촉매 등과 같은 고-전류-밀도 장치에 적용될 수 있을 것이다.

졸-겔 프로세스는 액체(“졸”) 속에 고체 나노입자를 분산시키는 과정을 포함하는데, 여기서 고체 나노입자들은 액체 속에 확장되어서 연속된 3 차원 네트워크를 형성하도록 서로 결합된다. 이렇게 생성된 혼합물을 “겔”이라고 부른다. 이런 프로세스는 종종 실리카 선구물질을 사용하는데, 이것은 높은 정밀도로 구조를 제어할 수 있기 때문이다. 그러나 생성된 물질들이 주로 절연체가 된다는 문제점이 남아 있는데, 이런 특성 때문에 그동안 고-전류-밀도 분야에 적용될 수 없었다.

미국 코넬 대학(Cornell University)의 Ulrich Wiesner는 스위스의 EPPFL과 캐나다 달하우지 대학(Dalhousie University)의 연구진과 함께 아미노산, 하이드록시 산(hyroxy acids) 또는 펩티드, 실리콘 알콘시화물(silicon alkoxide), 금속 아세트산염으로 다기능성 졸-겔 선구물질을 만들 수 있는 간단하고 매우 다재다예한 실리칸 졸-겔 프로세스를 개발했다. 이 프로세스는 순수한 금속보다 더 높은 전기 전도성을 가진 나노구조로 된 실리카/금속/탄소 복합물을 생성할 수 있게 한다.

모든 선구물질들은 상업적으로 적용 가능하고 여기에는 20 개의 천연(과 심지어 인공) 아미노산이 존재하기 때문에, 화학적 성질들을 매우 다양하게 변화시킬 수 있다. 또한 연구진은 아세트산염과 같이 주기표의 (거의) 모든 금속을 사용할 수 있다는 것을 증명했다. 마지막으로, 서로 다른 아미노산이 서로 다른 화학적 성질들을 가지기 때문에(예를 들면, 소수성과 친수성), 이 방법은 블록 공중합체와 콜로이드 결정의 자기 조립 등과 같이 매우 중요한 수많은 자기 조립 프로세스에 적용될 수 있을 것이다. 또한 이 방법은 계층 구조로 된 물질을 합성할 수 있게 한다.

다양한 양의 금속 선구물질을 혼합함으로써, 1000 S/cm 이상의 전도성을 가진 금속 복합물을 생성할 수 있었다. 또한 생성된 물질은 다공성이기 때문이 때문에 촉매 분야에 매우 유망하게 적용될 수 있다. 이 물질은 온도 증가에 저항할 수 있는데, 이것은 고온 분야에 적용할 수 있게 한다. 또한 이 방법은 4 상 나노복합물(실리카/금속/탄소/기공)을 실제로 생성시킬 수 있게 하고 한 개 또는 더 이상의 서로 다른 상들을 유지하거나 제거할 수 있게 하기 때문에 그들의 성질들을 변화시킬 수 있는 추가적인 기회들을 제공한다.

연구진은 연료 전지 또는 배터리 등과 같은 고-전류-밀도 장치에 이 복합물을 적용시키는 연구를 진행하고 있다. 여기서 다공성 금속 투과 네트워크는 매우 강력하다는 것이 증명되었다. 이 금속 복합물은 간단한 촉매 또는 생체-촉매 분야(아미노산 또는 펩티드의 사용)에도 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

이번 연구진은 이 새로운 물질들을 테스트하고 적용하기 위해서 전 세계의 많은 연구진과 교류를 하고 있다. 이 졸-겔 프로세스는 저널 Nature Materials에 “A silica sol?gel design strategy for nanostructured metallic materials” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nmat3274).

그림 1. 졸-겔 선구물질들.
그림 2. (a) 폴리스티렌 구상 어레이로 구성된 콜리이드 결정 템플릿. (b) 가돌리늄-(diprotin A peptide) 졸-겔 선구물질의 입자들.

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출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/tech/49089