KR100551602B1 - HCMS capsule structures containing metal nanoparticles within the hollow core, and their preparation method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 10 내지 200 nm 범위의 두께를 가지며 직경 2 내지 8 nm의 메조세공이 균일하게 분포된 외각으로 둘러싸인 직경 30 내지 2000nm의 중공 속에 직경 0.5 내지 50nm의 금속 나노 입자를 포함함을 특징으로 하는, 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention is characterized in that it comprises metal nanoparticles having a diameter of 0.5 to 50 nm in a hollow of 30 to 2000 nm in diameter with a thickness in the range of 10 to 200 nm and surrounded by an evenly distributed outer shell with a diameter of 2 to 8 nm. The present invention relates to a hollow double nanocapsule structure including a metal nanoparticle in a hollow interior and having a mesoporous outer shell, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따른 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체는 간단한 방법에 의해 중심부의 매크로 세공의 크기, 외곽의 두께 및 메조세공의 크기 그리고 중심 금속 나노입자의 크기를 쉽게 조절할 수 있다. 또한 다양한 전구체를 사용할 경우 새로운 조성 및 구조를 가진 다양한 형태의 캡슐을 합성할 수 있고 이들은 촉매, 분리제, 탈착제, 정수제, 흡착제, 막 물질, 센서, 저장제 등 다양한 용도로 널리 응용될 수 있다.The hollow double nanocapsule structure including the metal nanoparticles in the hollow interior and having the mesoporous outer shell has a simple method of macropore size, outer thickness and mesopore size of the core, and You can easily adjust the size. In addition, various precursors can be used to synthesize various types of capsules with new composition and structure, and they can be widely applied to various applications such as catalysts, separators, desorbents, water purifiers, adsorbents, membrane materials, sensors and storage agents. have.

HCMS, 이중 다공 구조, 금속 나노 입자, 고분자 캡슐, 탄소 캡슐, 세라믹 캡슐HCMS, double pore structure, metal nanoparticles, polymer capsule, carbon capsule, ceramic capsule

Description

중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 캡슐 구조체 및 그의 제조방법{HCMS capsule structures containing metal nanoparticles within the hollow core, and their preparation method}HCMS capsule structures containing metal nanoparticles within the hollow core, and their preparation method

도 1은 본 발명에 따른 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 고분자/탄소/세라믹 HCMS 캡슐 구조체의 제조 과정을 도식적으로 나타낸 것이다. 단, 세라믹 HCMS 캡슐 구조체의 제조 과정은 대표적으로 실리카 HCMS 캡슐 구조체의 제조 과정에 대해 나타내었다.Figure 1 schematically shows a manufacturing process of a polymer / carbon / ceramic HCMS capsule structure containing a metal nanoparticle in the hollow interior according to the present invention. However, the manufacturing process of the ceramic HCMS capsule structure was represented about the manufacturing process of a silica HCMS capsule structure typically.

도 2는 본 발명에서 제조한 금(Au) 나노입자와 금 나노입자 표면에 실리카가 코팅된 입자의 투과 전자현미경(TEM:transmission electron microscope) 사진이다.FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of gold (Au) nanoparticles prepared in the present invention and particles coated with silica on a surface of gold nanoparticles.

도 3은 주형제로 이용하기 위해 합성된 금(Au) 나노입자 표면에 실리카를 코팅하고 성장시킨 구형 실리카(Au@SiO2) 입자(도 3a) 및 구형 Au@SiO2 중앙부와 메조다공성인 외각으로 구성된 균일한 크기의 실리카 입자들(Au@SCMS SiO2)(도 3b)의 TEM 사진이다.FIG. 3 is a spherical silica (Au @ SiO 2 ) particle (FIG. 3A) and a spherical Au @ SiO 2 center and a mesoporous outer shell coated with silica and grown on the surface of the gold (Au) nanoparticles synthesized for use as a template. TEM image of the constructed uniformly sized silica particles (Au @ SCMS SiO 2 ) (FIG. 3B).

도 4는 본 발명에 따라 합성된 중공형 내부에 금 나노입자가 있는 일정한 크기의 나노세공을 가진 탄소 나노캡슐 (도 4a)과 세라믹 나노캡슐(도 4b)의 TEM 사진이다. 도 4a의 탄소 나노캡슐의 매크로세공 크기는 약 195 nm 이고, 외각의 메 조세공의 크기는 약 4.3 nm 정도이다. 한편, 도 4b의 세라믹 나노캡슐의 매크로세공 크기는 약 190 nm이고, 외각의 메조세공의 크기는 약 2.6 nm이다.Figure 4 is a TEM image of carbon nanocapsules (Fig. 4a) and ceramic nanocapsules (Fig. 4b) having a constant size of nanopores with gold nanoparticles inside the hollow composite synthesized according to the present invention. The macropore size of the carbon nanocapsules of Figure 4a is about 195 nm, the size of the outer mesopore is about 4.3 nm. On the other hand, the macropore size of the ceramic nanocapsules of Figure 4b is about 190 nm, the size of the outer mesopore is about 2.6 nm.

도 5는 본 발명에 따라 합성된 일정한 크기의 메조다공성 외곽을 갖는 중공형 내부에 금 나노입자가 포함되어있는 구형 실리카 캡슐 구조체의 전자현미경 (SEM: scanning electron microscope) 사진이다.FIG. 5 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a spherical silica capsule structure in which gold nanoparticles are included in a hollow interior having a constant sized mesoporous outline synthesized according to the present invention.

본 발명은 균일한 크기의 메조다공성의 외곽을 가지며, 일정한 크기의 중공형(中空形)(HCMS: hollow core with mesoporous shell) 구조 내부에 금(Au) 이나 다른 금속 나노입자가 들어있는 다공성 캡슐 구조체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention has a uniform sized mesoporous periphery, a porous capsule structure containing gold (Au) or other metal nanoparticles inside a hollow core (HCMS) structure of a constant size. And a method for producing the same.

최근, 본 발명에서 처럼 주형을 이용한 다공성 탄소 물질들의 합성에 대해서 몇 가지 보고된 논문들이 있다. 구형의 실리카 입자들이 적층된 콜로이드 결정 주형에 탄수화물이나 고분자 단량체 등 전구체를 주입하여 중합반응과 탄소화 과정을 거친 후, 주형을 제거시킴으로서 규칙적이고 일정한 크기를 갖는 새로운 매크로 다공성 탄소 물질들의 합성에 대한 기술이 보고된 바 있다[A. A. Zajhidov, R. H. Baughman, Z. Iqubal, C. Cui, I. Khayrullin, S. O. Dantas, J. Matri and V. G. Ralchenko, Science 1998, 282, 897 ; J. S. Yu, S. B. Yoon and G. S. Chai, Carbon 2001, 39(9), 1442 ; J. S. Yu, S. J. Lee and S. B. Yoon, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2001, 371, 107 참조]. 또한 금 나노입자의 화학적·물리적 특성을 이용하기 위해 금 나노입자가 중심에 있는 구형의 실리카(Au@SiO2) 나노입자의 제조방법과 제조된 구형의 실리카 나노입자를 주형으로 하여 다공성 고분자 물질들의 합성에 관한 연구가 보고 되었다[Luis M. Liz-Marzan, Michael Giersig and Paul Mulvaney, Langmuir, 1996, 12, 4329; Benito Rodringuez-Gonzalez, Veronica Salgueirino-Maceira, Florencio Garcia-Santamaria and Luis M. Liz-Marzan, Nano Letters, 2002, 2(5), 471 참조]. 또한 균일한 크기의 메조다공성 외곽을 갖는 중공형 폴리머 및 탄소 나노 캡슐 구조체 제조방법에 대한 기술이 본 연구진에 의해 보고되었다[S. B. Yoon, K. Sohn, J. Y. Kim, C. H. Shin, J.S. Yu and T. Hyeon Advanced Materials 2002 , 14(1), 19-21; J.S. Yu and T. Hyeon "Synthesis of nanoporous capsule-structure body having hollow core with mesoporous shell" Korean Patent Application number 10-2002-0008376 참조]. 특히 중공형 탄소 나노 캡슐 구조체는 여러 분야에 응용성이 기대된다. 그러나 중공형 안은 비어있기 때문에 그 응용성에 한계가 있다.Recently, there have been several reported papers on the synthesis of porous carbon materials using templates as in the present invention. A technique for synthesizing new macroporous carbon materials having regular and constant size by injecting precursors such as carbohydrates or polymer monomers into a colloidal crystal template in which spherical silica particles are stacked, and then removing the template. This has been reported [AA Zajhidov, RH Baughman, Z. Iqubal, C. Cui, I. Khayrullin, SO Dantas, J. Matri and VG Ralchenko, Science 1998 , 282 , 897; JS Yu, SB Yoon and GS Chai, Carbon 2001 , 39 (9) , 1442; JS Yu, SJ Lee and SB Yoon, Mol. Cryst. Liq. Cryst ., 2001 , 371 , 107]. In addition, in order to utilize the chemical and physical properties of gold nanoparticles, the method of preparing spherical silica (Au @ SiO 2 ) nanoparticles centered on the gold nanoparticles and the manufactured spherical silica nanoparticles were used as Synthesis studies have been reported [Luis M. Liz-Marzan, Michael Giersig and Paul Mulvaney, Langmuir, 1996, 12, 4329; Benito Rodringuez-Gonzalez, Veronica Salgueirino-Maceira, Florencio Garcia-Santamaria and Luis M. Liz-Marzan, Nano Letters , 2002 , 2 (5) , 471]. In addition, a technique for producing hollow polymer and carbon nanocapsule structures having a uniform mesoporous outer surface has been reported by the researchers [SB Yoon, K. Sohn, JY Kim, CH Shin, JS Yu and T. Hyeon] Advanced Materials 2002 , 14 (1) , 19-21; JS Yu and T. Hyeon "Synthesis of nanoporous capsule-structure body having hollow core with mesoporous shell" Korean Patent Application number 10-2002-0008376. In particular, the hollow carbon nanocapsule structure is expected to be applicable to various fields. However, since the hollow inside is empty, its application is limited.

따라서, 외각에 균일한 크기의 나노 다공성을 가지며, 내부에 특정한 활성 및 기능성을 가진 금속 나노입자가 들어 있는 중공형인 이중 다공성 나노캡슐 구조체 물질의 제조가 필요하게 되었다. 내부에 금속 나노입자를 포함하는 중공형인 다공성 나노캡슐 구조체는 촉매, 흡착제, 분리 및 정제 공정, 수소 저장 및 방출, 약물 저장 및 운반 물질과 전극 물질, 센서 등 다양한 용도에 응용될 수 있다.Accordingly, there is a need for the preparation of a hollow double-porous nanocapsule structure material having nanoporosity of uniform size in its outer shell and containing metal nanoparticles with specific activity and functionality therein. Hollow porous nanocapsule structures including metal nanoparticles therein can be applied to various applications such as catalysts, adsorbents, separation and purification processes, hydrogen storage and release, drug storage and transport materials, electrode materials, and sensors.

그러나, 전술한 종래의 기술에서는 주형으로 사용되는 실리카 중심에 균일한 크기의 금속 나노입자가 없기 때문에 이를 이용하여 중공형 내부에 균일한 크기의 금속 나노입자가 들어있는 메조다공성 외곽을 갖는 구형의 탄소 나노캡슐 및 세라믹 나노캡슐 제조가 불가능하다.However, in the above-described conventional technique, since there is no uniformly sized metal nanoparticles in the center of silica used as a template, spherical carbon having a mesoporous outline containing uniformly sized metal nanoparticles inside the hollow form is used. Nanocapsules and ceramic nanocapsules are not available.

본 발명의 첫번째 목적은 매크로 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하고 있는, 메조다공성 외각을 갖는 중공(HCMS:hollow core with mesoporous shell)형 고분자/탄소/세라믹 캡슐 구조체를 제공하는 것이다.A first object of the present invention is to provide a hollow core with mesoporous shell (HCMS) type polymer / carbon / ceramic capsule structure including metal nanoparticles in a macro hollow interior.

본 발명의 두번째 목적은 매크로 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하고 있는, HCMS 형 고분자 캡슐 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is a second object of the present invention to provide a method for producing an HCMS type polymer capsule structure, which includes metal nanoparticles inside a macro hollow.

본 발명의 세번째 목적은 매크로 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하고 있는, HCMS 형 탄소 캡슐 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is a third object of the present invention to provide a method for producing an HCMS type carbon capsule structure, which includes metal nanoparticles in a macro hollow interior.

본 발명의 네번째 목적은 매크로 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하고 있는, HCMS 형 세라믹 캡슐 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
It is a fourth object of the present invention to provide a method for producing an HCMS type ceramic capsule structure, which includes metal nanoparticles in a macro hollow interior.

따라서, 본 발명자는 이러한 과제를 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 다음과 같은 방법에 의해 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 캡 슐 구조체를 제조할 수 있음을 밝혀내고 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have intensively studied to solve these problems, and as a result, have found that the HCCS capsule structure including the metal nanoparticles in the hollow can be manufactured by the following method and completed the invention.

본 발명의 첫번째 목적에 따른 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 형 고분자/탄소/세라믹 나노 캡슐 구조체는 10 내지 200 nm 범위의 두께를 가지며 직경 2 내지 8 nm의 메조세공이 균일하게 분포된 고분자, 탄소 또는 세라믹 외각으로 둘러싸인 직경 30 내지 2000nm의 중공 속에 직경 0.5 내지 50nm의 금속 나노 입자를 포함함을 특징으로 하는 이중 다공 구조체이다. 도 4에 본 발명에 따른 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 형 고분자/탄소/세라믹 나노 캡슐 구조체의 일례를 보여주는 TEM 사진을 나타내었다.HCMS type polymer / carbon / ceramic nanocapsule structure including metal nanoparticles in a hollow interior according to the first object of the present invention has a thickness in the range of 10 to 200 nm and a polymer in which mesopores with a diameter of 2 to 8 nm are uniformly distributed. It is a double-porous structure characterized in that it comprises metal nanoparticles of 0.5 to 50nm in diameter in a hollow of 30 to 2000nm in diameter surrounded by a carbon or ceramic shell. 4 shows a TEM photograph showing an example of an HCMS type polymer / carbon / ceramic nanocapsule structure including metal nanoparticles in a hollow interior according to the present invention.

본 발명의 두번째 목적에 따른 고분자 캡슐 구조체의 제조 방법(방법 1)은 다음의 단계들을 포함한다:The method (method 1) of preparing the polymer capsule structure according to the second object of the present invention includes the following steps:

A) 금속 나노입자를 합성하는 단계;A) synthesizing metal nanoparticles;

B) 상기에서 합성한 금속 나노입자의 표면에 실리카를 코팅하여 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계;B) coating silica on the surface of the synthesized metal nanoparticles to synthesize silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein;

C) 상기에서 합성한 M@실리카의 외부에 메조다공성 껍질을 형성하여 SCMS(solid core with mesoporous shell) 실리카 입자를 합성하는 단계;C) synthesizing SCMS (solid core with mesoporous shell) silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the synthesized M @ silica;

D) 상기 SCMS 실리카 입자의 외각의 메조세공에 고분자 전구체와 중합개시제를 주입하고 중합반응을 진행시켜 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계; 및D) injecting a polymer precursor and a polymerization initiator into the mesopores of the outer shell of the SCMS silica particles and proceeding the polymerization reaction to synthesize a polymer-M @ silica template complex; And

E) 상기 고분자-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 고분자 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계.E) preparing a HCMS polymer nanocapsule structure comprising metal nanoparticles in the hollow by removing silica from the polymer-M @ silica template composite.

본 발명의 세번째 목적에 따른 탄소 캡슐 구조체의 제조 방법(방법 2)은 다 음의 단계들을 포함한다:The method (method 2) of preparing a carbon capsule structure according to the third object of the present invention includes the following steps:

A) 금속 나노입자를 합성하는 단계;A) synthesizing metal nanoparticles;

B) 상기에서 합성한 금속 나노입자의 표면에 실리카를 코팅하여 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계;B) coating silica on the surface of the synthesized metal nanoparticles to synthesize silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein;

C) 상기에서 합성한 M@실리카의 외부에 메조다공성 껍질을 형성하여 SCMS 실리카 입자를 합성하는 단계;C) synthesizing SCMS silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the M @ silica synthesized above;

D) 상기 SCMS 실리카 입자의 외각의 메조세공에 고분자 전구체와 중합개시제를 주입하고 중합반응을 진행시켜 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계;D) injecting a polymer precursor and a polymerization initiator into the mesopores of the outer shell of the SCMS silica particles and proceeding the polymerization reaction to synthesize a polymer-M @ silica template complex;

E) 상기 고분자-M@실리카 주형 복합체를 탄소화시켜 탄소-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계; 및E) carbonizing the polymer-M @ silica template composite to synthesize a carbon-M @ silica template composite; And

F) 상기에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 탄소 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계.F) preparing a HCMS carbon nanocapsule structure including metal nanoparticles in the hollow by removing silica from the carbon-M @ silica template composite synthesized above.

본 발명의 네번째 목적에 따른 세라믹 캡슐 구조체의 제조 방법(방법 3)은 다음의 단계들을 포함한다:The method (method 3) of manufacturing a ceramic capsule structure according to the fourth object of the present invention includes the following steps:

A) 금속 나노입자를 합성하는 단계;A) synthesizing metal nanoparticles;

B) 상기에서 합성한 금속 나노입자의 표면에 실리카를 코팅하여 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계;B) coating silica on the surface of the synthesized metal nanoparticles to synthesize silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein;

C) 상기에서 합성한 M@실리카의 외부에 메조다공성 껍질을 형성하여 SCMS 실리카 입자를 합성하는 단계;C) synthesizing SCMS silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the M @ silica synthesized above;

D) 상기 SCMS 실리카 입자의 외각의 메조세공에 고분자 전구체와 중합개시제를 주 입하고 중합반응을 진행시켜 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계;D) injecting a polymer precursor and a polymerization initiator into the mesopores of the outer shell of the SCMS silica particles and proceeding the polymerization reaction to synthesize a polymer-M @ silica template complex;

E) 상기 고분자-M@실리카 주형 복합체를 탄소화시켜 탄소-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계;E) carbonizing the polymer-M @ silica template composite to synthesize a carbon-M @ silica template composite;

F) 상기에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 탄소 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계;F) preparing a HCMS carbon nanocapsule structure including metal nanoparticles in the hollow by removing silica from the carbon-M @ silica template composite synthesized above;

G) 상기에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체의 외각의 메조 세공에 세라믹 전구체를 주입하고 세라믹 전구체를 세라믹으로 전환시켜 세라믹-M@탄소 복합체를 합성하는 단계; 및 G) injecting a ceramic precursor into the mesopores of the outer surface of the synthesized carbon-M @ silica template composite and converting the ceramic precursor into a ceramic to synthesize the ceramic-M @ carbon composite; And

H) 소결 반응을 통해 탄소를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 세라믹 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계.H) preparing a HCMS ceramic nanocapsule structure including metal nanoparticles in the hollow by removing carbon through a sintering reaction.

이상의 본 발명의 첫번째 내지 세번째 목적에 따른 제조 방법을 요약하면 다음과 같다.Summarizing the manufacturing method according to the first to third objects of the present invention as follows.

즉, 구형의 금속(금이 대표적이다) 나노입자들을 균일하게 합성한 후, 합성된 금속(M:metal) 나노입자들 표면에 실리카를 코팅시켜 중심에 금속 나노입자를 포함하는 다양한 크기의 M-실리카 (M@SiO2)구형 나노입자를 합성한다. 합성된 구형의 M-실리카 나노입자 표면위에 메조다공성 외곽 부분을 첨부하여 속은 채워져 있고 껍질 부분은 중간세공을 가진 M@SCMS (solid core with mesoporous shell) SiO2 주형 입자를 합성한다. 다음 합성된 실리카 주형의 메조다공성 외곽의 중간세공으로 고분자 전구체를 주입하고, 이 때, 전구체가 단량체이면 중합반응을 통해 성형 시킨 후, 고분자화하여 고분자-M@실리카 주형 복합물을 얻은 다음, 불화수소산(HF) 용액이나 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용해 실리카 주형을 선택적으로 제거하여 중공속에 금속 나노 입자를 포함하는 고분자 캡슐 구조체를 얻는다. 한편, 상기의 고분자-M@실리카 복합물을 비활성 기체 하에서 900 ∼1000℃의 온도에서 탄소화 과정을 거쳐 탄소-M@실리카의 복합체를 얻은 후 위와 같은 방법으로 실리카 주형을 제거하면 실리카 주형이 녹아나간 자리에 일정한 크기의 세공이 형성되어 중심은 일정한 크기의 매크로 세공 내부에 금속 나노입자가 들어있고, 외곽껍질은 메조다공성인 구형의 새로운 이중 다공형 HCMS 탄소 캡슐 구조체를 제조한다. 더 나아가, 얻어진 금속 나노입자를 내부에 포함하는 HCMS 다공성 탄소 캡슐을 주형으로 이용하여 메조다공성 세공 속에 실리카나 다른 무기 세라믹 물질의 전구체로 주입하고 솔-젤(sol-gel) 방법으로 한번 더 복제 (second replication) 한 후 공기 중에서 탄소 구조체 주형을 태워 제거하여 금 나노입자를 내부에 포함하는 새로운 구조의 다공성 HCMS 세라믹 캡슐을 제조한다. That is, after uniformly synthesizing spherical metal (gold is typical) nanoparticles, silica is coated on the surface of the synthesized metal (M: metal) nanoparticles, and various sizes of M- including metal nanoparticles at the center thereof are included. Silica (M @ SiO 2 ) spherical nanoparticles are synthesized. On the surface of the synthesized spherical M-silica nanoparticles, a mesoporous outer portion was attached, and the shell portion was prepared with a solid core with mesoporous shell (M @ SCMS) SiO 2 template particles having mesopores. Next, the polymer precursor is injected into the mesoporous outer periphery of the synthesized silica template. At this time, if the precursor is a monomer, the polymer precursor is molded through polymerization, and then polymerized to obtain a polymer-M @ silica template composite. The silica mold is selectively removed using a (HF) solution or a sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) solution to obtain a polymer capsule structure containing metal nanoparticles in the hollow. On the other hand, after the carbon-M @ silica composite is obtained by carbonizing the polymer-M @ silica composite at a temperature of 900 to 1000 ° C. under an inert gas, the silica mold is melted when the silica mold is removed in the above manner. The pores of a certain size are formed in the place, so that the center has a metal nanoparticle inside the macro pores of a certain size, and the outer shell is a mesoporous spherical new double-porous HCMS carbon capsule structure. Furthermore, by using the HCMS porous carbon capsule containing the obtained metal nanoparticles as a template, it is injected into the mesoporous pores as a precursor of silica or another inorganic ceramic material and replicated once more by the sol-gel method. After the second replication, the carbon structure template was burned and removed from the air to prepare a new porous HCMS ceramic capsule containing gold nanoparticles therein.

이하, 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 고분자/탄소/세라믹 나노 캡슐 구조체의 제조 방법을 각 단계별로 더욱 상세하게 설명한다. 이하의 각 단계에 대한 설명에서 금속 나노입자를 중공속에 포함하는 세가지 HCMS 나노 캡슐 구조체의 제조 방법 각각에 대해 표시하지 않는 단계는 각 방법에 공통적인 단계이다. Hereinafter, a method of manufacturing HCMS polymer / carbon / ceramic nanocapsule structure including metal nanoparticles in a hollow interior according to the present invention shown in FIG. 1 will be described in more detail at each step. In the description of each step below, the steps not shown for each of the three methods of manufacturing the HCMS nanocapsule structure including the metal nanoparticles in the hollow are common to each method.

1) 금속 나노입자를 합성하는 단계(단계 A)1) Synthesis of Metal Nanoparticles (Step A)

본 발명의 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 고분자/탄소/세라믹 나노 캡슐 구조체의 제조 방법중 제 1단계인 금속 나노 입자의 합성 방법은 공지된 기술 [금(Au)의 경우, B. V. Enuestuen and John Jurkevich, J. Am. Chem. Soc., 1963, 85, 3317 참조]을 이용하여 합성할 수 있다. 예를 들어, 수용성 금속 염의 수용액에 환원제를 투입하여 금속을 석출시키는 방법이 이용된다. 상기 금속 나노입자는 50 nm 이하, 통상 0.5 내지 50 nm 의 지름을 가진 일정한 크기로 선택적으로 합성할 수 있으며, 금 이외에 은, 백금, 코발트 등 여러 다른 금속 나노입자의 합성방법도 공지되어 있다[은(Ag) 나노입자의 경우, Thearith Ung, Luis M. Liz-Marzan and Paul Mulvaney, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6770, Isabel Pastoriza-Santos and Luis M. Lis-Marzan, Langmuir, 1999, 15, 948 등 참조; 백금(Pt) 나노입자의 경우는 Arnim Henglein, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 2201, S.-Y. Zhao, S.-H. Chen, S.-Y. Wang, D.-G. Li and H.-Y. Ma, Langmuir, 2002, 18, 3315 등 참조].Synthesis method of metal nanoparticles, which is the first step in the method of manufacturing HCMS polymer / carbon / ceramic nanocapsule structures including metal nanoparticles in the hollow interior of the present invention, is known in the art [Au, BV Enuestuen and John Jurkevich, J. Am. Chem. Soc ., 1963 , 85 , 3317]. For example, a method in which a reducing agent is added to an aqueous solution of a water-soluble metal salt to precipitate a metal is used. The metal nanoparticles can be selectively synthesized in a predetermined size having a diameter of 50 nm or less, usually 0.5 to 50 nm, and in addition to gold, methods for synthesizing various other metal nanoparticles such as silver, platinum, and cobalt are also known. (Ag) For nanoparticles, see Thearith Ung, Luis M. Liz-Marzan and Paul Mulvaney, J. Phys. Chem. B 1999 , 103 , 6770, Isabel Pastoriza-Santos and Luis M. Lis-Marzan, Langmuir , 1999 , 15 , 948 and the like; For platinum (Pt) nanoparticles, see Arnim Henglein, J. Phys. Chem. B 2000 , 104 , 2201, S.-Y. Zhao, S.-H. Chen, S.-Y. Wang, D.-G. Li and H.-Y. Ma, Langmuir , 2002 , 18 , 3315 et al.].

상기에서와 같은 방법에 의해 합성된 금속 나노입자의 표면은 전기적으로 전하를 띠고 있기 때문에 이하의 단계에서 실리카를 입자 표면에 코팅할 수 있으며, 최종적으로 금속 나노입자의 표면에 다양한 화합물을 결합시켜 다양한 용도로 이용할 수 있게 한다. 수용액상에서 환원제를 이용하여 합성된 금 나노입자의 표면은 전기적으로 음(-)성 이기 때문에 이러한 특성을 이용하여 금 나노입자 표면에 실리카를 코팅시킬 수 있다.Since the surface of the metal nanoparticles synthesized by the method as described above is electrically charged, silica can be coated on the surface of the particles in the following steps, and finally, various compounds are bonded to the surface of the metal nanoparticles. Make it available for use. Since the surface of the gold nanoparticles synthesized using a reducing agent in an aqueous solution is electrically negative, this property can be used to coat silica on the surface of the gold nanoparticles.

2) 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계(단계 B)2) synthesizing silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein (step B)

상기 단계에서 얻어진 균일한 크기를 갖는 구형의 금속 나노입자들의 표면의 외부에 실리카를 코팅하는 방법은 공지된 기술, 예를 들어, [Luis M. Liz-Marzan, Michael Giersig and Paul Mulvaney, Langmuir, 1996, 12, 4329]에 기재된 방법을 개선하여 본 발명자가 이미 특허출원한 대한민국 특허출원 제 10-2000-0057082호(위 특허 출원에 기재된 내용은 그 전체로써 본 명세서에 인용된다)의 방법을 이용할 수 있으며, 위 특허 출원된 방법에 따라 코팅되는 실리카 두께를 변화시켜 전체 M@실리카 입자의 크기를 다양하게 조절할 수 있다. M@실리카 입자의 크기에 따라 최종 생성물인 고분자/탄소/세라믹 캡슐 내부의 매크로 세공의 크기를 조절할 수 있다.The method of coating silica on the outside of the surface of the spherical metal nanoparticles having a uniform size obtained in the above step is known technique, for example, Luis M. Liz-Marzan, Michael Giersig and Paul Mulvaney, Langmuir, 1996 , 12, 4329, to improve the method described in Korean Patent Application No. 10-2000-0057082, the inventor of which has already applied for the patent (the contents described in the above patent application are incorporated herein in their entirety). In addition, it is possible to vary the size of the total M @ silica particles by varying the thickness of the silica coated according to the patented method. Depending on the size of the M @ silica particles, the size of the macropores in the polymer / carbon / ceramic capsule, which is the final product, may be adjusted.

구형의 M@실리카 입자의 크기는 합성 조건에 따라서 일정한 크기로 30 ∼2000 nm 또는 그 이상의 범위로 쉽게 제조할 수 있다.The size of the spherical M @ silica particles can be easily prepared in a range of 30 to 2000 nm or more in a constant size depending on the synthesis conditions.

3) M@SCMS 실리카 입자를 합성하는 단계(단계 C)3) Synthesis of M @ SCMS Silica Particles (Step C)

상기 단계에서 합성한 균일한 크기를 갖는 구형의 M@실리카 입자들의 표면 외부에 메조다공성 껍질을 형성시켜 M@SCMS 실리카 입자를 합성하는 기술은 본 발명자가 이미 특허출원한 대한민국 특허출원 제10-2002-0008376호(이 특허출원에 개시된 전체 내용은 참조로서 본 발명에 인용된다)에 개시된 방법을 이용한다. The technology for synthesizing M @ SCMS silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the surface of spherical M @ silica particles having a uniform size synthesized in the above step is Korean Patent Application No. 10-2002 The method disclosed in -0008376 (the entire contents disclosed in this patent application is incorporated herein by reference) is used.

4) 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계(단계 D)4) Synthesis of Polymer-M @ silica Template Complex (Step D)

상기 단계에서 제조된 M@SCMS 실리카 입자의 메조세공안에 고분자 전구체를 주입하여 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 방법은 상기에서 언급된, 본 발명에 그 전체가 인용되는 대한민국 특허출원 제10-2002-0008376호에 기재된 방법을 따른다.The method for synthesizing the polymer-M @ silica template composite by injecting a polymer precursor into the mesopores of the M @ SCMS silica particles prepared in the above step is mentioned in the above-mentioned, Korean Patent Application No. 10- Follow the method described in 2002-0008376.

메조세공을 갖는 외각을 형성하기 위해 사용되는 고분자 전구체로는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 디비닐벤젠(DVB:divinylbenzene), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 페놀레진(phenolic resin), 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 우레아(urea), 멜라민(melamin), 설탕과 일반식 CH2=CRR'로 나타내어지는 화합물(여기서, R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기이다) 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택하여 사용하여도 동일 또는 유사한 캡슐 구조체을 제조할 수 있으며, 그 외에 탄소화 반응에 의해 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 형성하는 것들이 포함된다. 전구체로 디비닐벤젠을 이용하는 경우는 Au@SCMS SiO2 (실리카)입자들을 직접 주형으로 이용할 수 있다. Polymer precursors used to form the outer shell with mesopores include, but are not limited to, divinylbenzene (DVB), acrylonitrile, phenolic resin, vinyl chloride, vinyl acetate , Styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, furfuryl alcohol, resorcinol-formaldehyde (RF), urea, melamine, sugar and general The same or similar capsule structure can also be prepared by using a compound represented by the formula CH 2 = CRR ', wherein R and R' are an alkyl group or an aryl group, or mesophase pitch. Included are those that form graphitic carbon by a carbonation reaction. In the case of using divinylbenzene as a precursor, Au @ SCMS SiO 2 (silica) particles may be directly used as a template.

상기 고분자 단량체의 중합에 사용되는 라디칼 중합 개시제로는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), t-부틸퍼아세테이트, 벤조일퍼옥사이드, 아세틸퍼옥사이드, 및 라우릴퍼옥사이드와 같은 통상의 라디칼 중합반응에 사용되는 개시제중에서 선택하여 사용할 수 있다.As a radical polymerization initiator used for superposition | polymerization of the said polymer monomer, although it is not limited to this, azobisisobutyronitrile (AIBN), t-butyl peracetate, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, and lauryl peroxide, It may be used by selecting from among initiators used in the same conventional radical polymerization reaction.

5) 탄소-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계(방법 2 및 방법 3의 단계 E) 5) Synthesis of Carbon-M @ silica Template Complex (Step E of Methods 2 and 3)

탄소-M@실리카 주형 복합체는 상기 단계에서 합성한 고분자-M@실리카 주형 복합체를 약 900 내지 1000℃의 온도에서 비활성 기체 분위기 하에서 고분자를 탄 화시켜 제조한다. 이 과정에 대한 설명은 본 발명자들이 출원한 대한 민국 특허 출원 제10-2002-0008376호에 상세히 기재되어 있으며, 그 기재 내용은 전체로서 본발명의 명세서에 참조로써 인용된다.The carbon-M @ silica template composite is prepared by carbonizing the polymer in the inert gas atmosphere of the polymer-M @ silica template composite synthesized in the above step at a temperature of about 900 to 1000 ° C. A description of this process is described in detail in Korean Patent Application No. 10-2002-0008376 filed by the inventors, the contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety.

6) 메조다공성 껍질을 가지며 중공형 안에 금속 나노입자가 포함된 고분자 및 탄소 나노 캡슐 구조체의 제조(방법 1의 단계 E, 방법 2의 단계 F 및 방법 3의 단계 F)6) Preparation of polymer and carbon nanocapsule structure having mesoporous shells and metal nanoparticles in hollow form (step E of method 1, step F of method 2 and step F of method 3)

상기 방법 1의 단계 D에서 합성한 고분자-M@실리카 주형 복합체 또는 방법 2의 단계 E에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거함으로써 메조다공성 껍질을 가지며 중공형 안에 금속 나노 입자가 포함되어 있는 고분자 또는 탄소 나노 캡슐 구조체를 제조한다. 이 단계에 대하여는 본 발명자가 특허 출원한 대한민국 특허출원 제10-2002-0008376호에 상세히 기재되어 있으며, 그 기재 내용은 전체로서 본 발명의 명세서에 참조로써 인용된다.By removing silica from the polymer-M @ silica template composite synthesized in step D of method 1 or the carbon-M @ silica template composite synthesized in step E of method 2, it has a mesoporous shell and contains metal nanoparticles in the hollow form. To prepare a polymer or carbon nanocapsule structure. This step is described in detail in Korean Patent Application No. 10-2002-0008376 to which the inventor has applied for a patent, the contents of which are incorporated by reference in the present specification as a whole.

7) 세라믹-M@탄소 복합체를 합성하는 단계(방법 3의 단계 G)7) Synthesis of Ceramic-M @ carbon Composite (Step G of Method 3)

방법 3의 단계 F에서 합성한 중공속에 금속 나노 입자를 포함하는 HCMS 탄소 나노 캡슐 구조체의 외각에 분포하는 메조세공에 세라믹 전구체를 주입한 후 세라믹 전구체를 세라믹으로 전환시켜 세라믹-M@탄소 복합체를 합성한다. 제조 가능한 세라믹의 종류로는 TiO2, SnO2, ZnO2, ZrO2 및 Al2O 3 등을 언급할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The ceramic precursor was injected into mesopores distributed on the outer surface of the HCMS carbon nanocapsule structure including the metal nanoparticles in the hollow core synthesized in step F of Method 3, and then the ceramic precursor was converted to ceramic to synthesize a ceramic-M @ carbon composite. do. Types of ceramics that can be manufactured may include TiO 2 , SnO 2 , ZnO 2 , ZrO 2, and Al 2 O 3 , but are not limited thereto.

상기 단계에 사용될 수 있는 세라믹 전구체로는, 세라믹이 실리카인 경우, 예를 들어, TEOS(tetraethoxysilane), TBOS(tetrabutyl orthosilicate), TMOS(teramethoxysilane), SiCl4(tetrchlorosilane) 등이 있고, 세라믹이 TiO2 인 경우는 티타늄(IV) 부톡사이드(titanium(IV) butoxide), 티타늄(IV) 이소프로폭사이드(titanium(IV) isopropoxide, 티타늄(IV) 클로라이드(titanium(IV) chloride) 등이 있으며, 세라믹이 SnO2 인 경우는 염화주석(IV)(tin(IV) chloride), 주석(IV) tert-부톡사이드(tin(IV) tert-butoxide) 등이 있고, 세라믹이 ZnO2 인 경우는 아세트산 아연(zinc acetate), 염화아연(zinc chloride) 등이 있으며, ZrO2 인 경우는 지르코늄(IV) tert-부톡사이드(zirconium(IV) tert-butoxide), 지르코늄(IV) 클로라이드(zirconium(IV) chloride), 지르코늄(IV) 에톡사이드(zirconium(IV) ethoxide), 지르코늄(IV) 프로폭사이드(zirconium(IV) propoxide 등이 있다. A ceramic precursor which can be used in the step, in the case of ceramic, silica, for example, there are such as TEOS (tetraethoxysilane), TBOS (tetrabutyl orthosilicate), TMOS (teramethoxysilane), SiCl 4 (tetrchlorosilane), the ceramic is TiO 2 Titanium (IV) butoxide, titanium (IV) isopropoxide, titanium (IV) chloride, and the like If the SnO 2 may include tin chloride (IV) (tin (IV) chloride), tin (IV) tert- butoxide (tin (IV) tert -butoxide) , when the ceramic is ZnO 2 is acetic acid zinc (zinc acetate), (and the like, zinc chloride), if ZrO 2 is zirconium (IV) tert- butoxide (zirconium (IV) chloride, zinc tert -butoxide), zirconium (IV) chloride (zirconium (IV) chloride), zirconium (IV) ethoxide (zirconium (IV) ethoxide), zirconium (IV) propoxide (zirconium (IV) propoxide).

세라믹 전구체는, 예를 들어, TEOS가 실리카 전구체로 사용되는 경우 세라믹 전구체를 주입한 나노캡슐을 HCl/H2O 증기 또는 NH4OH/H2O 증기로 50 - 100℃에서 반응시키는 방법 또는 실온에서 공기 중에 시료를 노출시켜 공기중 수분과의 반응을 통해 가수분해 반응에 의해 실리카로 전환된다. 세라믹 전구체로서 티타늄(IV) 알콕사이드, 주석(IV) 알콕사이드 또는 지르코늄(IV) 알콕사이드 등의 전구체는 상기 조건으로 세라믹으로 전환시킨다. SiCl4과 TiCl4를 세라믹 전구체로 사용되는 경우 세라믹 전구체를 증기상으로 증착시킨 후 공기중 수분과 반응시켜 세라믹으로 전환시킨다. 아세트산 아연 또는 염화아연 등의 전구체는 용매에 녹여 HCMS 탄소 나노 캡슐 구조체의 외곽에 분포하는 메조세공에 주입시키고 관로(tube furnace) 내 에서 비활성기체 (질소) 분위기 하에서 5 ℃/분씩 온도를 올려 550℃까지 온도를 올리고, 상기 조건에서 3-4 시간동안 유지시켜 세라믹으로 전환시킨다.The ceramic precursor is, for example, when TEOS is used as a silica precursor, the nanocapsules infused with the ceramic precursor are reacted with HCl / H 2 O steam or NH 4 OH / H 2 O steam at 50-100 ° C. or room temperature. Is exposed to air in the sample and converted to silica by hydrolysis through reaction with moisture in the air. As the ceramic precursor, precursors such as titanium (IV) alkoxide, tin (IV) alkoxide or zirconium (IV) alkoxide are converted to ceramic under the above conditions. When SiCl 4 and TiCl 4 are used as ceramic precursors, the ceramic precursors are deposited in a vapor phase and then reacted with moisture in the air to be converted into ceramics. Precursors such as zinc acetate or zinc chloride are dissolved in a solvent and injected into mesopores distributed outside the HCMS carbon nanocapsule structure, and the temperature is increased by 5 ° C./min in an inert gas (nitrogen) atmosphere in a tube furnace at 550 ° C. The temperature is raised to and maintained at the above conditions for 3-4 hours to convert to ceramics.

8) 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 세라믹 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계(방법 3의 단계 H)8) preparing HCMS ceramic nanocapsule structure comprising metal nanoparticles in hollow interior (step H of method 3)

상기 단계에서 제조한 세라믹-M@탄소 복합체를 N2 또는 Ar과 같은 불활성 기체 분위기 하에서 관로(tube furnace) 기타 유사한 열처리 장비를 이용하여 약 550℃에서 약 1시간 정도 소결시킨 후 동일한 온도에서 산소 또는 공기 분위기 하에서 5 내지 7시간 동안 열처리하거나, 처음부터 공기 또는 산소 분위기에서 상기와 같은 온도 및 시간동안 열처리하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 세라믹 나노 캡슐 구조체를 합성한다.The ceramic-M @ carbon composite prepared in the above step was sintered at about 550 ° C. for about 1 hour using a tube furnace or other similar heat treatment equipment under an inert gas atmosphere such as N 2 or Ar, followed by oxygen or Heat treatment for 5 to 7 hours in an air atmosphere, or heat treatment for the same temperature and time in the air or oxygen atmosphere from the beginning to synthesize the HCMS ceramic nanocapsule structure including the metal nanoparticles in the hollow interior.

본 발명의 방법에 의하면, 다양한 저가의 상업적으로 입수 가능한 전구체를 사용함으로써 경제적이고, 간단한 공정에 의하여 중공형 구조체 내부에 독특한 활성을 갖는 다양한 금속의 미세한 나노입자를 포함하는 균일한 크기의 새로운 구형 HCMS 고분자/탄소/세라믹 나노캡슐을 얻을 수 있으며, 이들 나노 캡슐은 촉매, 흡착제, 분리 및 정제 공정, 수소 저장 및 방출, 약물저장 및 운반 물질과 전극 물질, 센서 등 다양한 용도에 응용될 수 있다.According to the method of the present invention, a novel spherical HCMS of uniform size comprising fine nanoparticles of various metals having unique activity inside the hollow structure by an economical and simple process by using a variety of inexpensive commercially available precursors Polymer / carbon / ceramic nanocapsules can be obtained, and these nanocapsules can be applied to various applications such as catalysts, adsorbents, separation and purification processes, hydrogen storage and release, drug storage and transport materials, electrode materials and sensors.

이하에서, 실시예를 통해 본 발명을 더 상세하게 설명하나, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

실시예 1Example 1

금(Au) 나노입자, Au@SiOAu nanoparticles, Au @ SiO 22 구형 입자와 Au@SCMS SiO Spherical Particles and Au @ SCMS SiO 22 입자들의 합성 Synthesis of particles

1. 금(Au) 나노입자와 Au@SiO2 구형 입자의 합성1.Synthesis of Gold (Au) Nanoparticles and Au @ SiO 2 Spherical Particles

매크로 중공의 내부에 포함되는 활성 금속으로서 금을 선택하여, 다음과 같이 구형의 금 나노입자를 합성하였다. Gold was selected as the active metal contained in the macro hollow, and spherical gold nanoparticles were synthesized as follows.

교반중인 끊는 삼차 증류수 180 ml에 1.0 mg/mL HAuCl4 수용액 10 ml을 넣고 100℃에서 10분 동안 교반시킨 후, 시트르산 나트륨(sodium citrate) 10.0 mg/ml 수용액 10ml를 넣고 100℃에서 1 시간 동안 교반하고 혼합 액을 실온으로 냉각하여 진홍색(deep red)인 금 나노입자가 분산된 수용액을 얻었다. 제조된 금 나노입자의 전자현미경 사진을 도 2a (TEM 사진)에 나타내었다. 도 2에서, 금 나노 입자는 약 18 nm의 균일한 크기를 가지고 있음을 알 수 있다.10 ml of 1.0 mg / mL HAuCl 4 solution was added to 180 ml of tertiary distilled water under stirring, followed by stirring at 100 ° C. for 10 minutes, and then 10 ml of 10.0 mg / ml aqueous solution of sodium citrate was added and stirred at 100 ° C. for 1 hour. The mixture was cooled to room temperature to obtain an aqueous solution in which deep red gold nanoparticles were dispersed. Electron micrographs of the prepared gold nanoparticles are shown in FIG. 2A (TEM photograph). In FIG. 2, it can be seen that the gold nanoparticles have a uniform size of about 18 nm.

금 이외에도 은(Ag), 백금(Pt), 코발트(Co) 등 다른 활성 금속의 나노입자들도 공지된 방법을 토대로 50 nm 이하의 균일한 크기로 합성할 수 있다. In addition to gold, nanoparticles of other active metals such as silver (Ag), platinum (Pt), and cobalt (Co) can also be synthesized with a uniform size of 50 nm or less based on known methods.

상기에서 제조한, 금 나노입자가 분산되어 있는 용액 400ml에 1 mM AP-TMS {(3-aminopropyl)trimethoxysilane} 수용액 3ml을 넣고 실온에서 15분 동안 교반시킨 후 pH 10-11.5인 나트륨 메타실리케이트(Sodium metasilicate:Na2SiO3·xH2O, x≒5∼9) 수용액 16 ml를 넣고 실온에서 24∼36시간 동안 교반하였다. 이에 의하여 금(Au) 나노입자 표면에 약 4 nm 이하로 얇게 실리카가 코팅되었다(도 2b 참조). 상기 용액에 부피비로 4배의 99.9% 에탄올 용액 1.7 l를 넣고 실온에서 10분간 교 반시킨 후 28% NH4OH 용액 8.2ml를 넣고 실온에서 10 분간 더 교반하면서 98 wt%의 테트라옥시실란(TEOS: tetraethoxysilane) 2 ml를 넣고 실온에서 24 시간동안 교반하여 직경 200 nm의 금@실리카 나노입자를 얻었다.3 ml of 1 mM AP-TMS {(3-aminopropyl) trimethoxysilane} aqueous solution was added to 400 ml of the gold nanoparticle-dispersed solution prepared above, and stirred at room temperature for 15 minutes, and then sodium metasilicate having a pH of 10-11.5 (Sodium metasilicate: Na 2 SiO 3 · xH 2 O, x ≒ 5-9) 16 ml of aqueous solution was added thereto, and stirred at room temperature for 24 to 36 hours. As a result, a thin silica layer of about 4 nm or less was coated on the surface of the gold (Au) nanoparticles (see FIG. 2B). Into the solution was added 1.7 l of 4 times 99.9% ethanol solution by volume ratio and stirred at room temperature for 10 minutes, and then 8.2 ml of 28% NH 4 OH solution was added and stirred for 10 minutes at room temperature, followed by 98 wt% of tetraoxysilane (TEOS : tetraethoxysilane) was added thereto, and stirred at room temperature for 24 hours to obtain gold @ silica nanoparticles with a diameter of 200 nm.

상기에서, 금(Au)@실리카(SiO2) 나노입자의 크기는 본 발명자의 대한민국 특허출원 제 10-2000-0057082호에 기재된 방법에 따라 TEOS의 양을 조절함으로써 조절 가능하다.In the above, the size of the gold (Au) @ silica (SiO 2 ) nanoparticles can be adjusted by adjusting the amount of TEOS according to the method described in Korean Patent Application No. 10-2000-0057082 of the present inventors.

2. 메조다공성 껍질을 가지며 중공형 내부에 금 나노입자가 들어있는 Au@SCMS SiO2 입자들의 합성2. Synthesis of Au @ SCMS SiO 2 Particles with Mesoporous Shell and Gold Nanoparticles Inside Hollow Type

상기 방법으로 합성된 구형의 Au@SiO2 나노입자 각 약 1.5 g에 대해서 표 1에서와 같이 C18-TMS의 몰수와 TEOS/C18-TMS의 몰비를 조절하여 표 1에 나타낸 바와 같은 다양한 메조 세공 크기를 갖는, 메조다공성 껍질을 갖는 Au@SCMS SiO2 나노입자를 제조하였다. 제조예 5에서 제조한 Au@SCMS 실리카의 전자현미경 사진(TEM 사진)을 도 3b에 나타내었다. 또한 얻어진 실리카 입자의 세공 크기를 표 1에 함께 나타내었다.Various meso as to adjust the molar ratio of C 18 and the number of moles TEOS / C 18 of -TMS -TMS as for each about 1.5 g of the spherical synthesized by the method Au @ SiO 2 nanoparticles in the table 1 shown in Table 1 Au @ SCMS SiO 2 nanoparticles with mesoporous shells with pore sizes were prepared. An electron micrograph (TEM photograph) of Au @ SCMS silica prepared in Preparation Example 5 is shown in FIG. 3B. In addition, the pore size of the obtained silica particles are also shown in Table 1.

제조예 번호Manufacturing example number 혼합물에서의 C18-TMS의 양(mmol)Amount of C18-TMS in the Mixture (mmol) TEOS/C18-TMS의 몰비Molar ratio of TEOS / C18-TMS 세공의 크기(nm)Pore size (nm) 1One 0.470.47 46.846.8 1.71.7 22 1.181.18 18.618.6 2.02.0 33 2.362.36 9.39.3 3.63.6 44 3.543.54 6.26.2 3.63.6 55 4.724.72 4.74.7 3.83.8

실시예 2Example 2

디비닐벤젠을 전구체로 사용하여 중공형 내부에 금 나노입자가 들어있는 고분자 나노캡슐 구조체 및 탄소 나노캡슐 구조체의 제조Preparation of Polymer Nanocapsule Structures and Carbon Nanocapsule Structures Containing Gold Nanoparticles Inside Hollow Type Using Divinylbenzene as Precursor

약 200 nm의 직경을 갖는 Au@SiO2 구형 실리카에 약 2.9 nm 크기의 메조 세공을 보유한 껍질을 가진 Au@SCMS 실리카 입자들을 주형으로 이용하고 고분자 전구체로 디비닐벤젠과 아조비스이소부티로니트릴(aznobisisobutyronitrile: AIBN) 라디칼 개시제를 혼합하여 SCMS 메조세공에 주입한 후, 70℃에서 12 시간동안 중합시켜 디비닐벤젠 고분자-Au@HCMS SiO2 주형 복합체를 얻었다. 이때, 고분자 단량체와 라디칼 개시제의 몰비는 약 25:1로 하였다. 또한 얻어진 디비닐벤젠 고분자-Au@HCMS SiO2 복합체의 일부를 900 ∼ 1000℃의 온도 범위에서 비활성 기체(질소 또는 아르곤)하에서 7 시간 동안 가열하여 고분자를 탄소화시킨 후 탄소-Au@ HCMS SiO2 복합체을 얻었다. 상기에서 얻은 디비닐벤젠 고분자-Au@HCMS SiO2 주형 복합체 및 탄소-Au@ HCMS SiO2 복합체 각각 1 g을 각각 40 ml의 증류수에 분산시키고 50 wt%의 HF 수용액 10 ml를 첨가하고 25℃에서 12시간동안 교반하여 실리카 주형을 제거하여 중공형 내부에 금 나노입자를 포함하는 고분자 또는 탄소 나노캡슐을 얻었다. 상기 첨가물의 구체적인 사용량을 표 2에 나타냈다. 상기 결과로 얻어진 다공성 탄소 캡슐의 전자 현미경 사진을 도 4(TEM 사진)에 나타내었다. 표 2와 도 4 는 약 200 nm 크기의 Au@SCMS SiO2입자를 이용하여 본 발명에서 합성된 새로운 중공형 내부에 금 나노입자가 들어있는 Au@HCMS 탄소 캡슐을 보여준다. 여기서 금 나노입자가 포함되어 있는 중앙부는 약 195 nm의 매크로 세공을 가지며 외곽은 4.3 nm의 균일한 메조 세공이 분포하는 이중 다공 구형 캡슐 구조를 가진다. 이 결과에서, 중심의 매크로 세공의 크기가 주형틀로 사용한 구형 Au@SiO2 입자와 비교하여 약간 작은 것은 고분자 반응 및 탄소화 반응 동안 수축현상이 일어나서 발생하는 것이다.Au @ SCMS silica particles with shells with mesopores of about 2.9 nm in Au @ SiO 2 spherical silica having a diameter of about 200 nm were used as templates and divinylbenzene and azobisisobutyronitrile ( The aznobisisobutyronitrile (AIBN) radical initiator was mixed and injected into SCMS mesopores, and then polymerized at 70 ° C. for 12 hours to obtain a divinylbenzene polymer-Au @ HCMS SiO 2 template complex. At this time, the molar ratio of the polymer monomer and the radical initiator was about 25: 1. In addition, a part of the obtained divinylbenzene polymer-Au @ HCMS SiO 2 composite was heated under an inert gas (nitrogen or argon) for 7 hours in a temperature range of 900 to 1000 ° C. to carbonize the polymer, followed by carbon-Au @ HCMS SiO 2 The complex was obtained. 1 g of each of the divinylbenzene polymer-Au @ HCMS SiO 2 template composite and the carbon-Au @ HCMS SiO 2 composite obtained above was dispersed in 40 ml of distilled water, and 10 ml of 50 wt% aqueous HF solution was added thereto at 25 ° C. Stirring for 12 hours to remove the silica template to obtain a polymer or carbon nanocapsules containing gold nanoparticles in the hollow. Table 2 shows the specific amounts of the additives used. An electron micrograph of the resulting porous carbon capsule is shown in FIG. 4 (TEM photograph). Table 2 and FIG. 4 show Au @ HCMS carbon capsules containing gold nanoparticles in a new hollow interior synthesized in the present invention using Au @ SCMS SiO 2 particles of about 200 nm in size. Here, the central part containing gold nanoparticles has a macropore of about 195 nm and the outer part has a double-pore spherical capsule structure in which uniform mesopores of 4.3 nm are distributed. In this result, the size of the central macropores slightly smaller than the spherical Au @ SiO 2 particles used as the template is caused by shrinkage during the polymer reaction and the carbonation reaction.

DVB(ml)/주형 gDVB (ml) / mold g AIBN(g)/주형 gAIBN (g) / template g HCMS 탄소캡슐 중심부 매크로 세공의 크기 (nm)HCMS Carbon Capsule Core Macropores Size (nm) HCMS 탄소 캡슐 껍질의 메조 세공의 크기(nm)Size of mesopores in HCMS carbon capsule shells (nm) 44 0.18450.1845 195195 4.34.3

실시예 3Example 3

페놀레진(phenolic resin)을 전구체로 사용하여 중공형 내부에 금 나노입자가 들어있는 고분자 나노캡슐 구조체 및 탄소 나노캡슐 구조체의 제조 Preparation of Polymer Nanocapsule Structures and Carbon Nanocapsule Structures Containing Gold Nanoparticles in a Hollow Form Using Phenolic Resin as a Precursor

전구체로 페놀레진을 사용하는 경우는 단량체들의 중합반응을 위하여 산(acid) 촉매가 필요하다. 이를 위해 먼저 합성된 Au@SCMS SiO2 입자들을 150℃에서 12시간 동안 건조시킨 후, 건조된 Au@SCMS SiO2 1 g을 증류수 10 ml에 AlCl3 (0.34g)을 녹인 수용액에 첨가한 후, 30분 동안 교반하고, 다시 1시간동안 초음파처리(ultrasonication)를 한다. 원심분리 또는 침강시켜 분리된 Al 이온으로 처리 된 Au@SCMS SiO2 주형입자들을 다시 150℃ 오븐에서 건조시켰다. 건조된 Au@SCMS 실리카 주형입자를 500℃에서 4 시간동안 대기중에서 소성처리를 하면, 알루미늄(Al) 이온이 실리카 표면에 접목되어(implanted) 실리카 표면에 첨가되고, 이 첨가된 알루미늄(Al)으로 인해 실리카 표면에 산점자리(acidic site)가 형성된다. 이렇게 형성된 Au@SCMS 알루미노실리케이트의 표면에 산점자리를 만든 후 99wt%의 페놀을 가하고, 진공 반응 용기 속에 투입하여 0.3 mmHg로 감압시킨 후 140℃에서 12 시간정도 가열한 다음 95wt%의 포름알데하이드를 가하고, 120℃에서 6 시간정도 가열하였다. 상기에서 사용된 페놀과 포름알데하이드는 Au@SCMS SiO2 주형입자 1 g 에 대해 각각 0.20 g 및 0.16 g을 사용하였다. 상기 복합체를 관로(tube furnace) 내에서 질소 분위하에서 1 ℃/분씩 온도를 올려 160℃까지 온도를 올리고, 상기 온도에서 5 시간동안 유지하여 고분자 전구체를 고분자화시켜 페놀레진-Au@SCMS 알로미노실리케이트 주형 복합체를 합성하였다. 또한 상기 복합체 일부를 관로 내에서 비활성기체 (질소) 분위기 하에서 5 ℃/분씩 온도를 올려 1000℃까지 온도를 올리고, 상기 조건에서 7 시간동안 유지시켜 탄소-Au@SCMS 알로미노실리케이트 주형 복합체를 얻는다. 상기 페놀레진-Au@SCMS 알로미노실리케이트 주형 복합체 및 탄소-Au@SCMS 알로미노실리케이트 주형 복합체 각각을 1g씩 증류수 40ml에 분산시킨 후 50wt%의 HF 용액 10 ml를 가하고 25℃에서 12시간동안 교반하여 실리카 주형 부분을 제거하고 금 나노입자가 중공형 내부에 있는 고분자 나노캡슐 및 탄소 나노캡슐 구조체를 여과하여 분리한 다음 건조하였다. 이렇게 SCMS 실리카 표면에 산점자리를 형성한 주형을 사용하면 상기 전구체인 페놀 수지 이외에 푸르푸릴 알콜(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF) 등 산촉매에서 중합되는 다른 다양한 전구체를 이용할 수 있다.When phenol resin is used as a precursor, an acid catalyst is required for the polymerization of monomers. To this end, the synthesized Au @ SCMS SiO 2 particles were first dried at 150 ° C. for 12 hours, and then 1 g of dried Au @ SCMS SiO 2 was added to an aqueous solution of AlCl 3 (0.34 g) dissolved in 10 ml of distilled water. Stir for 30 minutes and sonicate for another hour. Au @ SCMS SiO 2 template particles treated with Al ions separated by centrifugation or sedimentation were dried again in a 150 ° C. oven. When the dried Au @ SCMS silica template particles were calcined in the air at 500 ° C. for 4 hours in the air, aluminum (Al) ions were implanted on the silica surface and added to the silica surface, and the added aluminum (Al) was added. This results in the formation of acidic sites on the silica surface. The acid spot was formed on the surface of the Au @ SCMS aluminosilicate thus formed, and 99 wt% of phenol was added thereto, and the mixture was poured into a vacuum reaction vessel, reduced to 0.3 mm Hg, heated at 140 ° C. for 12 hours, and 95 wt% of formaldehyde was added. It heated at 120 degreeC for about 6 hours. Phenol and formaldehyde used above were used 0.20 g and 0.16 g for 1 g of Au @ SCMS SiO 2 template particles, respectively. Phenol resin-Au @ SCMS aluminosilicate was polymerized by polymerizing the polymer precursor by raising the temperature to 160 ° C. by raising the temperature by 1 ° C./min in a nitrogen atmosphere in a tube furnace in a tube furnace. Template complexes were synthesized. In addition, a portion of the complex was heated to 5 ° C./min in an inert gas (nitrogen) atmosphere in a conduit to raise the temperature to 1000 ° C., and maintained for 7 hours under the above conditions to obtain a carbon-Au @ SCMS aluminosilicate template complex. 1 g of each of the phenol resin-Au @ SCMS aluminosilicate template complex and the carbon-Au @ SCMS aluminosilicate template complex was dispersed in 40 ml of distilled water, 10 ml of 50 wt% HF solution was added thereto, and stirred at 25 ° C. for 12 hours. The silica mold portion was removed and the polymer nanocapsule and carbon nanocapsule structure in which the gold nanoparticles were hollow were separated by filtration, and then dried. In this way, the use of a template in which acid sites are formed on the surface of SCMS silica can be used in addition to the precursor phenol resin, and various other precursors polymerized in an acid catalyst such as furfuryl alcohol and resorcinol-formaldehyde (RF).

실시예 4Example 4

각종 탄수화물들을 전구체로 사용하여 중공형 내부에 금 나노입자가 들어있는 탄소 나노캡슐 구조체의 제조 Preparation of Carbon Nanocapsule Structures Containing Gold Nanoparticles Inside Hollow Type Using Various Carbohydrates as Precursors

전구체로 수크로우스와 같은 탄수화물들을 사용하는 경우, 1 g의 수크로우스, 0.5 g의 물 및 95 % 황산 0.1 g의 비율로 25℃에서 혼합하여 제조한 수크로우스와 황산 혼합용액을 탄소 전구체로 사용한다. 건조된 Au@SCMS 실리카 입자 주형 1 g 에 상기 조건으로 제조된 3.2 g 탄소전구체 용액을 실온에서 혼합시킨다. 탄소전구체 혼합용액을 미리 건조시킨 Au@SCMS 실리카 입자들의 메조세공속으로 첨가한 후, 탄수화물-Au@SCMS 실리카 주형 복합체를 100℃까지 2시간 동안 서서히 온도를 올리고, 같은 온도에서 약 5 시간 동안 유지시켰다. 탄소전구체 혼합용액과 Au@SCMS 실리카 입자들의 혼합물을 100℃까지 온도를 올릴 때 모세관 현상에 의해 탄소 전구체 용액이 메조세공속으로 첨가되고, 상기 온도에서 탄수화물은 황산에 의해 탈수반응이 일어나 탄화된다. 상기 복합체를 100℃의 오븐에서 5 시간동안 충분히 건조시킨 후, 상기 과정을 한번 더 반복한 후, 건조된 복합체를 비활성기체(질소) 분위기에서 5℃/분씩 1000℃까지 온도를 올리고, 상기 조건에서 7 시간 동안 유지시켰다. 상기 조건으로 얻은 탄소-Au@SCMS 실리카 주형 복합체 1 g을 증류수 40 ml에 분산시킨 후 50 wt%의 HF 용액 10 ml를 가하고 25℃에서 12 시간동안 교반하여 실리카 주형 부분을 제거하고, 금 나노입자가 중심에 있는 다공성 탄소 나노캡슐을 분리한 후 건조시켰다. 수크로오스 외에 전구체로 글루코오스, 자이로오스 등의 각종 탄수화물들을 이용할 수 있다. 이들 전구체는 상기 실시예에서 사용한 수크로오스의 균등물(equivalents)에 해당한다.When using carbohydrates such as sucrose as a precursor, a mixture of sucrose and sulfuric acid prepared by mixing at 25 ° C. in a ratio of 1 g sucrose, 0.5 g water and 0.1 g of 95% sulfuric acid is used as a carbon precursor. do. 1 g of the dried Au @ SCMS silica particle template is mixed with a 3.2 g carbon precursor solution prepared under the above conditions at room temperature. After adding the carbon precursor mixture solution to the mesoporous of pre-dried Au @ SCMS silica particles, the carbohydrate-Au @ SCMS silica template composite was gradually heated to 100 ° C. for 2 hours, and maintained at the same temperature for about 5 hours. I was. When the mixture of the carbon precursor mixture and the Au @ SCMS silica particles is heated to 100 ° C., the carbon precursor solution is added to mesoporous by capillary action, and at this temperature, the carbohydrate is dehydrated by sulfuric acid and carbonized. After the complex was sufficiently dried in an oven at 100 ° C. for 5 hours, the process was repeated once more, and then the dried complex was heated up to 1000 ° C. at 5 ° C./min in an inert gas (nitrogen) atmosphere, under the above conditions. Hold for 7 hours. After dispersing 1 g of the carbon-Au @ SCMS silica template composite obtained under the above conditions in 40 ml of distilled water, 10 ml of 50 wt% HF solution was added thereto, and stirred at 25 ° C. for 12 hours to remove the silica mold portion. The porous carbon nanocapsules in the center were separated and dried. In addition to sucrose, various carbohydrates such as glucose and gyro may be used as precursors. These precursors correspond to the equivalents of sucrose used in the above examples.

실시예 5Example 5

메조다공성 외곽껍질을 가지며 중공형 내부에 금 나노입자를 포함하는 세라믹 나노캡슐 구조체의 제조Fabrication of Ceramic Nanocapsule Structures with Mesoporous Outer Shell and Containing Gold Nanoparticles

상기 실시예 2-4 에서 제조된 Au@HCMS 탄소 나노캡슐 구조체를 100℃ 진공 오븐에서 건조 시킨다. 건조된 탄소 나노캡슐 구조체를 주형틀로 이용하여 외곽 껍질의 나노세공에 세라믹 전구체인 테트라옥시실란(TEOS: tetraethoxysilane) 용액을 주입시킨 후 나노캡슐 구조체와 세라믹 전구체 혼합물을 진공반응용기에 넣고 1∼2 시간 동안 진공 상태로 유지시킨다. 진공반응용기에 건조된 비활성기체(N2 or Ar)를 주입하고 나노캡슐 구조체와 세라믹 전구체 혼합물을 원심분리하여 과량의 세라믹 전구체를 제거시킨다. 세라믹 전구체를 주입한 나노캡슐을 HCl/H2O 증기로 100℃에서 1일 동안 반응시키는 방법을 이용하여 세라믹 나노캡슐 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체는 비 활성기체(Ar) 분위기하에서 관로(tube furnace)에서 550℃에서 1 시간동안 소결시킨 후 산소 또는 공기 분위기로 550℃에서 5∼7 시간 동 안 열처리하는 방법과 실온에서부터 산소 또는 공기 분위기로 상기와 같은 방법으로 탄소 주형 부분을 제거하여 메조다공성 껍질을 가지며 중공형 내부에 금 나노입자가 들어있는 세라믹 나노캡슐을 제조하였다. 본 실시예에 따라 제조된 Au@실리카 캡슐에 관한 데이터를 각 단계별로 표 3에 나타내었다. 비 활성기체(질소 또는 알곤)으로 처리한 중심에 금(Au) 나노입자가 있는 실리카 나노캡슐의 전자현미경 사진을 도 4b(TEM 사진)와 도 5 (SEM 사진)에 나타내었다.The Au @ HCMS carbon nanocapsule structure prepared in Example 2-4 was dried in a 100 ° C. vacuum oven. Using a dried carbon nanocapsule structure as a template, inject a tetraethoxysilane (TEOS) solution, a ceramic precursor, into the nanopores of the outer shell, and then put the nanocapsule structure and the ceramic precursor mixture in a vacuum reactor. Maintain vacuum for time. The dried inert gas (N 2 or Ar) is injected into the vacuum reaction vessel, and the nanocapsule structure and the ceramic precursor mixture are centrifuged to remove excess ceramic precursors. Ceramic nanocapsule composites were prepared by using a method of reacting nanocapsules injected with ceramic precursors with HCl / H 2 O vapor at 100 ° C. for 1 day. The prepared composite is sintered for 1 hour at 550 ° C. in a tube furnace under an inert gas (Ar) atmosphere, and then heat treated at 550 ° C. for 5-7 hours in an oxygen or air atmosphere, and oxygen or air from room temperature. By removing the carbon template portion as described above in the atmosphere to prepare a ceramic nanocapsule having a mesoporous shell and the gold nanoparticles in the hollow. Data on Au @ silica capsules prepared according to this example are shown in Table 3 at each step. Electron micrographs of silica nanocapsules with gold (Au) nanoparticles at the center treated with inert gas (nitrogen or argon) are shown in FIGS. 4B (TEM photo) and FIG. 5 (SEM photo).

주형template Core 크기(nm)Core size (nm) Shell 두께(nm)Shell thickness (nm) HCMS 껍질의 메조 세공의 크기(nm)Size of mesopores in HCMS shell (nm) Au@SiO2 SCMSAu @ SiO 2 SCMS 200200 3030 2.92.9 Au@탄소나노캡슐Au @ Carbon Nano Capsule 195195 2424 4.34.3 Au@SiO2 캡슐 (질소 또는 알곤)Au @ SiO 2 Capsules (Nitrogen or Argon) 190190 2424 2.62.6 Au@SiO2 캡슐 (산소 또는 공기)Au @ SiO 2 Capsules (Oxygen or Air) 152152 1818 1.71.7

이 결과에서, 실온에서부터 직접 산소 또는 공기로 처리하면 수축현상이 커서 제조된 실리카 나노캡슐의 매크로 세공과 외곽에 있는 메조세공의 크기가 크게 수축되는 것을 알 수 있다.In this result, it can be seen that the treatment of oxygen or air directly from room temperature causes a large shrinkage, which greatly reduces the size of macropores and mesopores in the outer surface of the prepared silica nanocapsules.

상기 과정을 실리카 전구체 외에 TiO2, SnO2, ZnO2, ZrO2, Al 2O3 등 다른 조성의 세라믹 전구체을 이용해도 실리카 나노캡슐 제조에서와 유사한 결과를 나타낸다.In addition to the silica precursor, the use of ceramic precursors of other compositions, such as TiO 2 , SnO 2 , ZnO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , shows similar results as in the preparation of silica nanocapsules.

따라서, 전술한 바와 같이, 중심부가 일정한 크기의 매크로 세공을 가지면서 외곽은 균일한 크기의 메조다공성 껍질로 구성된 새로운 형태의 이중 다공 구조체의 중공 내부에 금속 나노입자가 들어 있는 고분자 나노캡슐, 탄소 나노캡슐 및 세 라믹 나노캡슐 구조체는 다양한 전구체를 이용하여 합성할 수 있다. 특히 다양한 세라믹 전구체를 이용하면 다양한 조성의 세라믹 나노캡슐을 얻을 수 있다. 또한 중공 내부에 포함되는 활성 금속으로써 금 대신 백금, 은, 코발트 등 다른 금속 나노입자가 중공형 내부에 들어 있는 구조도 다양하게 합성할 수 있다. 특히 캡슐 내부와 외부 사이로 물질이동이 가능하고, 또한 캡슐 내부에 들어 있는 금속 나노입자의 화학적·물리적 특성 때문에 촉매, 분리제, 수소 저장 및 방출, 약물 저장 및 전달 물질, 흡착물질, 막 및 막 충진제, 센서 등에 효과적으로 이용할 수 있을 것이다.Therefore, as described above, the carbon nanocapsule, carbon nanocapsule containing the metal nanoparticles in the hollow interior of the new form of the porous structure consisting of a mesoporous shell of uniform size while the center has a constant size macropore Capsules and ceramic nanocapsule structures can be synthesized using various precursors. In particular, by using various ceramic precursors, ceramic nanocapsules having various compositions can be obtained. In addition, as the active metal included in the hollow interior, instead of gold, platinum, silver, cobalt, and other metal nanoparticles can be synthesized in a variety of structures inside the hollow. In particular, it is possible to transfer mass between the inside and outside of the capsule, and also due to the chemical and physical properties of the metal nanoparticles in the capsule, catalysts, separators, hydrogen storage and release, drug storage and delivery materials, adsorbents, membranes and membrane fillers It can be effectively used for sensors, sensors, and the like.

상기한 바와 같이, 본 발명은 Au@SCMS 실리카 나노입자를 주형으로 이용해 합성되는, 중심부에 일정한 크기의 매크로 세공을 갖으면서 외곽은 균일한 메조다공성 껍질로 구성된 중공형 내부에 금 나노입자가 있는 구형의 고분자, 탄소 및 세라믹 나노캡슐 구조체의 합성을 보여준다. 특히 비교적 공정상 간단하게 중심부의 매크로 세공의 크기, 외곽의 두께 및 메조다공의 크기 그리고 중심 금속 나노입자의 크기를 쉽게 조절할 수 있다. 또한 다양한 전구체를 사용할 경우 새로운 조성 및 구조를 가진 다양한 형태의 캡슐을 합성할 수 있고 이들은 촉매, 분리제, 탈착제, 정수제, 흡착제, 막 물질, 센서, 저장제 등 다양한 용도로 널리 응용될 수 있다.As described above, the present invention is synthesized using Au @ SCMS silica nanoparticles as a template, while having a macropore of a certain size in the center and the outer sphere is a spherical gold nanoparticles inside the hollow consisting of a uniform mesoporous shell Shows the synthesis of polymer, carbon and ceramic nanocapsule structures. In particular, it is possible to easily control the size of the macropore at the center, the thickness of the outer and mesoporous and the size of the central metal nanoparticles in a relatively simple process. In addition, various precursors can be used to synthesize various types of capsules with new composition and structure, and they can be widely applied to various applications such as catalysts, separators, desorbents, water purifiers, adsorbents, membrane materials, sensors and storage agents. have.

Claims (8)

10 내지 200 nm 두께를 가지며 직경 2 내지 8 nm의 메조세공이 균일하게 분포된 고분자, 탄소 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 외각으로 둘러싸인 직경 30 내지 2000nm의 중공 속에 직경 0.5 내지 50nm의 금속 나노 입자를 포함함을 특징으로 하는, 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체.Metal nanoparticles having a diameter of 0.5 to 50 nm in a hollow having a diameter of 30 to 2000 nm surrounded by an outer shell selected from the group consisting of polymers, carbon and ceramics having a thickness of 10 to 200 nm and uniformly distributed mesopores having a diameter of 2 to 8 nm. A hollow double nanocapsule structure comprising a metal nanoparticle in a hollow interior and having a mesoporous outer shell. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노 입자는 금, 백금, 은 또는 코발트임을 특징으로 하는, 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체. The hollow double nanocapsule structure of claim 1, wherein the metal nanoparticles are gold, platinum, silver, or cobalt. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 고분자는 디비닐벤젠(DVB:divinylbenzene), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 페놀레진(phenolic resin), 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 푸르푸릴 알코올(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 우레아(urea), 멜라민(melamin), 설탕과 일반식 CH2=CRR'로 나타내어지는 화합물(여기서, R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기이다)의 중합체 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택된 것임을 특징으로 하는, 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체.According to claim 1, wherein the polymer is divinylbenzene (DVB: divinylbenzene), acrylonitrile (acrylonitrile), phenolic resin (phenolic resin), vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene Glycol dimethacrylate, furfuryl alcohol, resorcinol-formaldehyde (RF), urea, melamine, sugar and a compound represented by the general formula CH 2 = CRR ', wherein R and R 'is an alkyl group or an aryl group) or a mesophase pitch (hesophase pitch), characterized in that the hollow double nanocapsule structure comprising a metal nanoparticle in the hollow interior and having a mesoporous shell. 제1항에 있어서, 상기 세라믹은 SiO2, TiO2, SnO2, ZnO2, ZrO2 또는 Al2O3임을 특징으로 하는, 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체.The hollow double of claim 1, wherein the ceramic is SiO 2 , TiO 2 , SnO 2 , ZnO 2 , ZrO 2, or Al 2 O 3 . Nano capsule structure. A) 금속 나노입자를 합성하는 단계;A) synthesizing metal nanoparticles; B) 상기에서 합성한 금속 나노입자의 표면에 실리카를 코팅하여 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계;B) coating silica on the surface of the synthesized metal nanoparticles to synthesize silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein; C) 상기에서 합성한 M@실리카의 외부에 메조다공성 껍질을 형성하여 SCMS 실리카 입자를 합성하는 단계;C) synthesizing SCMS silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the M @ silica synthesized above; D) 상기 SCMS 실리카 입자의 외각의 메조세공에 고분자 전구체와 중합개시제를 주입하고 중합반응을 진행시켜 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계; 및D) injecting a polymer precursor and a polymerization initiator into the mesopores of the outer shell of the SCMS silica particles and proceeding the polymerization reaction to synthesize a polymer-M @ silica template complex; And E) 상기 고분자-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS(hollow core with mesoporous shell) 고분자 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하여, 외각이 고분자인 제1항 내지 제6 항중 어느 한 항에 따른 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체를 제조하는 방법.E) removing the silica from the polymer-M @ silica template composite to produce a hollow core with mesoporous shell (HCMS) polymer nanocapsule structure comprising a metal nanoparticle in the hollow interior, A method of manufacturing a hollow double nanocapsule structure comprising a metal nanoparticle in a hollow interior according to any one of claims 1 to 6, wherein the polymer has a mesoporous outer shell. A) 금속 나노입자를 합성하는 단계;A) synthesizing metal nanoparticles; B) 상기에서 합성한 금속 나노입자의 표면에 실리카를 코팅하여 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계;B) coating silica on the surface of the synthesized metal nanoparticles to synthesize silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein; C) 상기에서 합성한 M@실리카의 외부에 메조다공성 껍질을 형성하여 SCMS 실리카 입자를 합성하는 단계;C) synthesizing SCMS silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the M @ silica synthesized above; D) 상기 SCMS 실리카 입자의 외각의 메조세공에 고분자 전구체와 중합개시제를 주입하고 중합반응을 진행시켜 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계;D) injecting a polymer precursor and a polymerization initiator into the mesopores of the outer shell of the SCMS silica particles and proceeding the polymerization reaction to synthesize a polymer-M @ silica template complex; E) 상기 고분자-M@실리카 주형 복합체를 탄소화시켜 탄소-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계; 및E) carbonizing the polymer-M @ silica template composite to synthesize a carbon-M @ silica template composite; And F) 상기에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 탄소 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하여, 외각이 탄소인 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 따른 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체를 제조하는 방법.F) removing the silica from the carbon-M @ silica template composite synthesized above, and preparing the HCMS carbon nanocapsule structure including the metal nanoparticles in the hollow interior, wherein the outer shell is carbon. A method of manufacturing a hollow double nanocapsule structure comprising a metal nanoparticle in a hollow interior according to claim 6 and having a mesoporous outer shell. A) 금속 나노입자를 합성하는 단계;A) synthesizing metal nanoparticles; B) 상기에서 합성한 금속 나노입자의 표면에 실리카를 코팅하여 금속 나노입자를 내부에 포함하는 실리카 입자(M@실리카)를 합성하는 단계;B) coating silica on the surface of the synthesized metal nanoparticles to synthesize silica particles (M @ silica) containing metal nanoparticles therein; C) 상기에서 합성한 M@실리카의 외부에 메조다공성 껍질을 형성하여 SCMS 실리카 입자를 합성하는 단계;C) synthesizing SCMS silica particles by forming a mesoporous shell on the outside of the M @ silica synthesized above; D) 상기 SCMS 실리카 입자의 외각의 메조세공에 고분자 전구체와 중합개시제를 주입하고 중합반응을 진행시켜 고분자-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계;D) injecting a polymer precursor and a polymerization initiator into the mesopores of the outer shell of the SCMS silica particles and proceeding the polymerization reaction to synthesize a polymer-M @ silica template complex; E) 상기 고분자-M@실리카 주형 복합체를 탄소화시켜 탄소-M@실리카 주형 복합체를 합성하는 단계;E) carbonizing the polymer-M @ silica template composite to synthesize a carbon-M @ silica template composite; F) 상기에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체에서 실리카를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 탄소 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계;F) preparing a HCMS carbon nanocapsule structure including metal nanoparticles in the hollow by removing silica from the carbon-M @ silica template composite synthesized above; G) 상기에서 합성한 탄소-M@실리카 주형 복합체의 외각의 메조 세공에 세라믹 전구체를 주입하고 세라믹 전구체를 세라믹으로 전환시켜 세라믹-M@탄소 복합체를 합성하는 단계; 및 G) injecting a ceramic precursor into the mesopores of the outer surface of the synthesized carbon-M @ silica template composite and converting the ceramic precursor into a ceramic to synthesize the ceramic-M @ carbon composite; And H) 소결 반응을 통해 탄소를 제거하여 중공 내부에 금속 나노입자를 포함하는 HCMS 세라믹 나노 캡슐 구조체를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하여, 외각이 세라믹인 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 따른 중공 내부에 금속 나노 입자를 포함하며 메조 다공성 외각을 갖는 중공형 이중 나노 캡슐 구조체를 제조하는 방법.H) removing the carbon through the sintering reaction to produce a HCMS ceramic nanocapsule structure comprising the metal nanoparticles in the hollow interior, characterized in that the outer shell is a ceramic of any one of claims 1 to 6. Method for producing a hollow double nanocapsule structure comprising a metal nanoparticles in the hollow and having a mesoporous outer shell.
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