나노기술 및 정책 정보

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중국 난징(南京, 남경) 사범대학교 화학과학대 탕야원(唐亞文, 당아문), 츄샤오위(邱曉雨) 연구팀은 최근 코어 쉘 구조 나노결정의 결정면과 사이즈에 대한 동기 제어 연구에서 혁신성과를 획득함.

이중 금속 코어 쉘 나노결정은 독특한 구조 특성 때문에 촉매, 전자학, 광학 등 분야에서 거대한 응용 전망을 보유하고 있음.

전기 촉매에 있어서 이중 금속 코어 쉘 나노결정 사이즈에 대한 제어는 품질 대비 활성을 효과적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 결정면 제어는 금속 활성 중심의 본질 특징 촉매 특성을 조정하여 면적 대비 활성을 개선시킬 수 있음.

하지만 결정체 성장 과정에서의 동력학과 열역학 이론 간의 충돌 때문에 이중 금속 코어 쉘 나노결정의 사이즈와 결정면에 대해 동기 제어를 실현하는 과제는 여전히 거대한 도전에 직면하여 있는 상황임.

특히 코어 쉘 나노결정의 전체적인 사이즈는 10nm 이하 수준으로 제한되고 있는 동시에 표면으로 하여금 명확한 결정면 원자 배열 배치를 보유할 수 있도록 해야 함.

이런 상황에 근거하여 연구팀은 높은 분산의 서브 5nm Pd(111) 4면체를 결정 시드(Crystal seed)로 선정하고, Pt, Ru, Rh 원자가 관련 표면에서 성장하는 행위에 대한 계통적인 연구를 실행한 동시에 취득한 여러 가지 이중 금속 코어 쉘 나노결정의 전체 사이즈를 10nm 이내로 엄격히 제어함.

연구팀은 관련 연구를 통해 Pt(혹은 Ru, Rh)의 침적 층 수는 5개 원자 층보다 적을 때 외부 쉘 금속의 원자 배열 분포는 내부 코어의 결정면에 의해 결정되며, 결정면 복제 행위를 발생시킨다는 점을 입증하였음. 또한, Pt(혹은 Ru, Rh) 침적 층 수가 5개 원자 층수를 초월할 때 원자 배열 분포는 금속 자체의 특성에 의해 결정되며, 결정체의 자발적인 성장 행위가 주도적 지위를 차지한다는 점을 입증함.

그 중, Pt 원자는 Pd에 비해 비교적 높은 결정격자 적합성 비율을 보유하고 있기 때문에 Pd 4면체 표면에서 틈새 없는 퇴적을 발생시키게 되며, 취득한 Pd@Pt 코어 쉘 구조는 4면체로 하여금 직접 단면 각(Section angle) 8면체로 변하게끔 하는 것으로 나타났음.

산소 환원 반응 중에서 Pt 표면의 코어 쉘 나노결정을 보유하고 있는 촉매 활성은 법칙에 맞는 것으로 나타남. Pd@Pt(111) 단면 각 8면체>Pd@Pt(111) 4면체>Pt 흑 촉매(Black catalyst)이며, 수소 방출 반응 과정에서 Ru 표면의 코어 쉘 나노결정을 보유하고 있는 촉매 활성은 법칙에 맞는 것으로 나타남. Pd@Ru(111) 4면체>Pd@Ru(hcp) 4면체>Pd 4면체인 것으로 나타남.

연구팀은 이번 연구를 통해 최초로 서브 10nm 사이즈 내에서 이중 금속 코어 쉘 나노결정에 대해 정밀 결정면 제어에 성공함.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("Atomic Crystal Facet Engineering of Core-Shell Nanotetrahedrons Restricted under Sub-10 Nanometer Region")에 게재됨.