KR102292184B1 - Multifunctional porous inorganic nanotube aerogel, gas sensor member and gas sensor using the same, and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

According to various embodiments, the present invention relates to multifunctional porous inorganic nanotube aerogel, a gas sensor member using the same, a gas sensor and a method for manufacturing the same. The multifunctional porous inorganic nanotube aerogel includes tin oxide (SnO_2) nanoparticles and platinum (Pt) nanoparticles, and is obtained by binding the tin oxide nanoparticles and platinum nanoparticles with OH-functionalized single-walled carbon nanotube hydrogel platform as a matrix. In addition, the gas sensor member and the gas sensor may be provided and configured to detect nitrogen dioxide (NO_2) by using the multifunctional porous inorganic nanotube aerosol.

Description

다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조 방법{MULTIFUNCTIONAL POROUS INORGANIC NANOTUBE AEROGEL, GAS SENSOR MEMBER AND GAS SENSOR USING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Multifunctional porous inorganic nanotube airgel, member for gas sensor using same, gas sensor and manufacturing method thereof

다양한 실시예들은 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤 및 이를 이용한 가스센서용 부재, 가스센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.Various embodiments relate to a multifunctional porous inorganic nanotube airgel, a member for a gas sensor using the same, a gas sensor, and a method for manufacturing the same.

다기능성 다공성 무기 재료 에어로젤은 고표면적, 저밀도를 갖고, 전기적, 광학적, 자기적, 열적, 촉매 및 기계적 성질 조절이 용이해서 센서, 이종 촉매, 흡착, 이온 교환, 의료 요법, 에너지 흡수, 에너지 저장 분야 등의 광범위한 응용 분야에서 각광받고 있다. 그러나, 다기능 무기 재료를 3차원 다공성 구조체로 조립하는 제조 방법은 매우 제한적이다. 이러한 물질의 에어로젤은 원자층증착법(포토리소그래피에 의해 제조된 다공성 템플렛에 무기원자를 증착) 및 졸-겔 또는 수열 합성법을 사용하여 건식 및 습식 방법으로 나눌 수 있다. 이러한 방법들은 일반적으로 고온 및/또는 고압에서 수행되므로, 공정이 매우 복잡하고 고가 장비를 필요로 하며 온도에 민감한 무기 물질의 사용에 제한적이다. 더욱이, 상이한 무기 재료의 열 팽창 계수의 불일치로 인해 다기능 특성을 갖는 무기 재료를 결합하는데는 상당한 제약이 따른다. The multifunctional porous inorganic material airgel has a high surface area, low density, and is easy to control electrical, optical, magnetic, thermal, catalytic and mechanical properties in the fields of sensors, heterocatalysis, adsorption, ion exchange, medical therapy, energy absorption, and energy storage. It is in the spotlight in a wide range of applications such as However, a manufacturing method for assembling a multifunctional inorganic material into a three-dimensional porous structure is very limited. Airgels of these materials can be divided into dry and wet methods using an atomic layer deposition method (depositing inorganic atoms on a porous template prepared by photolithography) and a sol-gel or hydrothermal synthesis method. Since these methods are generally performed at high temperature and/or high pressure, the process is very complicated, requires expensive equipment, and the use of temperature-sensitive inorganic materials is limited. Moreover, the inconsistency of the coefficients of thermal expansion of different inorganic materials imposes significant limitations on combining inorganic materials with multifunctional properties.

다양한 실시예들은, 상이한 무기 재료가 용이하게 결합된 무기 재료 에어로젤 및 그의 제조 방법을 제공한다. Various embodiments provide an inorganic material airgel to which different inorganic materials are readily combined and a method of making the same.

다양한 실시예들은, 용이하게 제조될 수 있는 무기 재료 에어로젤 및 그의 제조 방법을 제공한다. Various embodiments provide an inorganic material airgel that can be easily prepared and a method for preparing the same.

다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 제조 방법은, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel) 플랫폼을 형성하는 단계, 상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 다기능성 무기 나노입자들을 결합시켜, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계, 및 상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤에 대한 건조를 통해, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The method for producing a multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to various embodiments comprises the steps of forming a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) hydrogel platform, the By binding multifunctional inorganic nanoparticles to the fSWNT hydrogel platform to form a tin oxide-platinum nanotube hydrogel, and drying the tin oxide-platinum nanotube hydrogel, the multifunctional porous inorganic nanotube airgel It may include the step of forming

다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은, 산화주석(SnO2) 나노입자들, 및 백금(Pt) 나노입자들을 포함하며, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel) 플랫폼을 기반으로, 상기 산화주석 나노입자들과 상기 백금 나노입자들을 결합시켜 제조될 수 있다.The multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to various embodiments includes tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles, and platinum (Pt) nanoparticles, and a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized Single-Walled) Based on a Carbon Nano Tube (fSWNT) hydrogel platform, it can be manufactured by combining the tin oxide nanoparticles and the platinum nanoparticles.

다양한 실시예들에 따른 가스센서는, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 이용하여, 이산화질소(NO2)를 감지하도록 구성될 수 있다. The gas sensor according to various embodiments may be configured to detect nitrogen dioxide (NO 2 ) using a multifunctional porous inorganic nanotube airgel.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤이 용이하게 제조될 수 있다. 이 때 fSWNT 하이드로젤 플랫폼을 기반으로, 상온 및 상압 하에서 다기능 무기 나노입자들을 결합함으로써, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤이 제조될 수 있다. According to various embodiments, a multifunctional porous inorganic nanotube airgel can be easily prepared. At this time, based on the fSWNT hydrogel platform, by combining multifunctional inorganic nanoparticles at room temperature and pressure, a multifunctional porous inorganic nanotube airgel can be prepared.

도 1은 다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤, 즉 Pt-SnO2 에어로젤의 구조적 특징을 설명하기 위한 도면들이다.
도 12 및 도 13은 다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤, 즉 Pt-SnO2 에어로젤의 동적 NO2 감지 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 14는 다양한 실시예들 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 이용한 감지 메커니즘을 도시하는 도면들이다.
1 is a view showing a method of manufacturing a multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to various embodiments.
2, 3 and 4 are views for explaining the characteristics of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel.
5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 are multifunctional porous inorganic nanotube airgels according to various embodiments, that is, Pt-SnO 2 It is a view for explaining the structural characteristics of the airgel. .
12 and 13 are diagrams for explaining the dynamic NO 2 sensing characteristics of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel, that is, the Pt-SnO 2 airgel according to various embodiments.
14 shows various embodiments; It is a drawing showing a sensing mechanism using a multifunctional porous inorganic nanotube airgel.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.

최근 몇 년간 탄소 기반 나노물질(carbon nanotube, graphene), 금속 산화물(MnO2, TiO2, Co2Fe3, RuO2), 금속(Cu, Ag), 반도체(SiO2, MoS2), 및 절연체(h-BN) 등의 다양한 나노물질을 이용한 고다공성 에어로젤을 제조하는 새로운 방법(형상 이방성 방법론; Shape An-Isotropy methodology)이 개발되었다. 이방성 나노입자(예를 들어, 1D 나노튜브/나노와이어 또는 2D 나노시트)들이 용매에 분산되어 있을때, 이 분산용액의 농도가 증가하게 되면, 나노튜브/나노시트들이 반데르발스힘에 의해 물리적으로 서로 접촉하고, 연결되어 3차원 젤 네트워크가 형성된다. 이러한 3차원 다공성 젤의 기공 구조를 유지하기 위해 초임계 건조법(젤내의 용매를 초임계점 이상에서 공기로 교체) 또는 동결 건조법(젤내의 용매를 냉각하고 그 결정을 승화시켜 공기로 교체)을 이용하여 에어로젤을 제조하였다. 이렇게 제조된 에어로젤은 고다공도, 저밀도, 고표면적을 갖는다. 또한 이방성 나노물질의 종횡비 및 젤 형성 농도를 조절하여 에어로젤의 형태, 화학적, 물리적 특성을 최적화함으로써, 다양한 분야(water filter/membrane, wicking materials, supercapacitor, Li-air battery)에 응용 가능하다. In recent years, carbon-based nanomaterials (carbon nanotube, graphene), metal oxides (MnO 2 , TiO 2 , Co 2 Fe 3 , RuO 2 ), metals (Cu, Ag), semiconductors (SiO 2 , MoS 2 ), and insulators have been A new method (shape anisotropy methodology; Shape An-Isotropy methodology) for manufacturing highly porous airgel using various nanomaterials such as (h-BN) was developed. When anisotropic nanoparticles (eg, 1D nanotubes/nanowires or 2D nanosheets) are dispersed in a solvent, when the concentration of the dispersion solution is increased, the nanotubes/nanosheets are physically physically affected by van der Waals force. They contact each other and connect to form a three-dimensional gel network. In order to maintain the pore structure of such a three-dimensional porous gel, supercritical drying (replacing the solvent in the gel with air above the supercritical point) or freeze-drying (replacing the solvent in the gel with air by cooling the solvent and sublimating the crystals) is used. Airgel was prepared. The airgel thus prepared has high porosity, low density, and high surface area. In addition, it can be applied to various fields (water filter/membrane, wicking materials, supercapacitor, Li-air battery) by optimizing the shape, chemical, and physical properties of the airgel by controlling the aspect ratio and gel-forming concentration of the anisotropic nanomaterial.

다양한 실시예들에서는, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized SWNT) 하이드로젤(젤의 용매가 물인 경우, 하이드로젤로 명명)을 플랫폼으로 이용해서, 다기능 무기나노입자들을 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 결합시키고, 초임계 건조시켜 다기능 무기나노튜브 에어로젤을 제조하였다. 이렇게 만들어진 다기능 무기나노튜브 에어로젤(Pt-SnO2이 결합된 fSWNT aerogel)은 초고다공도, 높은 표면적, 저밀도를 갖는 특징을 보이므로, 가스 센서로 응용 가능하다. In various embodiments, using a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized SWNT) hydrogel (when the solvent of the gel is water, it is called a hydrogel) as a platform, multifunctional inorganic nanoparticles are transferred to the fSWNT hydrogel platform. Combined and supercritically dried to prepare a multifunctional inorganic nanotube airgel. The multifunctional inorganic nanotube airgel ( fSWNT aerogel combined with Pt-SnO 2 ) made in this way has the characteristics of ultra-high porosity, high surface area, and low density, so it can be applied as a gas sensor.

여기서, fSWNT 하이드로젤은 높은 다공성, 초고 표면적, 저밀도, 견고성, 높은 전도도 및 열안전성을 가진다. 또한, fSWNT 하이드로젤 플랫폼은 비공유 흡착 또는 공유 혼입에 의해 fSWNT의 표면 기능화를 선택적으로 제어하기 용이해서, 다기능성 무기나노물질 결합을 위한 3D 플랫폼으로 사용하였다. 여기에서, SnO2 및 Pt 나노입자는 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 결합(코팅)되었고, 입자 크기 및 분포는 표면 반응 조건을 조절함으로써 제어되었다. SnO2 나노입자의 경우, fSWNT의 기능기(OH)들은 SnO2가 생성될 수 있는 핵심성장자리(nucleation site) 역할을 하므로, 기능화된 나노튜브 표면에 Sn2+ 이온이 SnO2입자로 산화된다. 기존의 경우, SnO2 나노입자를 나노튜브에 결합시키기 위해서는 고온에서 수열합성법이나, 화학증착법 등을 이용하였다. 그러나, 다양한 실시예들에서는, 상온, 상압 하에서 fSWNT 하이드로젤을 SnCl4 전구체용액에 담그고, 교반함으로써, 매우 균일하게 수나노미터 크기(1.5-3.5nm)의 SnO2를 fSWNT 하이드로젤에 결합시킬 수 있었다. 그리고, Pt 코팅의 경우, 상온, 상압 하에서 Pt 전구체용액에서 Pt 이온이 SnO2가 코팅된 fSWNT 하이드로젤 표면에 환원된다. 이때 Pt 나노입자의 크기는 2-2.5nm로 제어되었다. Here, the fSWNT hydrogel has high porosity, ultra-high surface area, low density, robustness, high conductivity and thermal stability. In addition, the fSWNT hydrogel platform was used as a 3D platform for multifunctional inorganic nanomaterial binding because it was easy to selectively control the surface functionalization of fSWNTs by non-covalent adsorption or covalent incorporation. Here, SnO 2 and Pt nanoparticles were bound (coated) to the fSWNT hydrogel platform, and the particle size and distribution were controlled by controlling the surface reaction conditions. In the case of SnO 2 nanoparticles, the functional groups (OH) of fSWNTs serve as a core growth site (nucleation site) where SnO 2 can be generated, so Sn 2+ ions are oxidized to SnO 2 particles on the surface of the functionalized nanotube. . In the conventional case, in order to bind the SnO 2 nanoparticles to the nanotubes, a hydrothermal synthesis method or a chemical vapor deposition method at a high temperature was used. However, in various embodiments, by immersing the fSWNT hydrogel in the SnCl 4 precursor solution and stirring it at room temperature and under normal pressure, SnO 2 having a size of several nanometers (1.5-3.5 nm) can be very uniformly bound to the fSWNT hydrogel. there was. And, in the case of Pt coating, Pt ions are reduced on the surface of the SnO 2 coated fSWNT hydrogel in the Pt precursor solution at room temperature and pressure. At this time, the size of the Pt nanoparticles was controlled to 2-2.5 nm.

다양한 실시예들에 따르면, 분산제로 탄소나노튜브를 번들없이 균일하게 분산시키고, 이 탄소나노튜브분산액의 농도를 증가시키면 탄소나논튜브들을 서로서로 크로스링킹(crosslinking)시켜 젤을 형성시킨다. 이때 subdiameter를 갖는 탄소나노튜브들이 인터링킹(interlinking)되어 있으므로 초고표면적을 가질 수 있다. 다양한 실시예들에서는, 탄소나노튜브 하이드로젤(젤내의 용매가 물)을 임계점 건조법 또는 동결건조범을 이용해서 물을 에어로 교체시켜 다공성 에어로젤을 제조한다. 이렇게 만들어진 다공성 에어로젤은 포어구조를 그대로 유지하고, 매우 높은 표면적을 갖는다. 다양한 실시예들은, 탄소나노튜브(CNT) 하이드로젤(처음부터 OH-SWNT를 사용) 표면의 OH기는 무기 나노입자가 형성될 수 있도록 핵심성장자리(nucleation site) 역할을 하고, SnCl4(SnCl2가 아닌)를 전구체(precursor)로 사용해서, 상온에서 반응촉진제 또는 산화제 없이도 자연산화되는 장점이 있다. 또한, 상온반응이 고온반응보다 무기입자 크기를 서브나노미터(subnanometer)로 용이하게 조절할 수 있다. Pt도 촉매 역할을 하므로, 최소한 작은 입자 크기로 낮은 농도 분포로 결합시키기 위해서, 상온에서 알코올에서 반응시킬 수 있다(추가적인 환원제 사용하지 않음).According to various embodiments, the carbon nanotubes are uniformly dispersed without bundles with a dispersant, and when the concentration of the carbon nanotube dispersion is increased, the carbon nanotubes are crosslinked to each other to form a gel. In this case, since carbon nanotubes having a subdiameter are interlinked, they may have an ultra-high surface area. In various embodiments, the carbon nanotube hydrogel (the solvent in the gel is water) is replaced with air using a critical point drying method or a freeze-drying method to prepare a porous airgel. The porous airgel made in this way maintains the pore structure and has a very high surface area. In various embodiments, the OH group on the surface of the carbon nanotube (CNT) hydrogel (using OH-SWNT from the beginning) serves as a key growth site so that inorganic nanoparticles can be formed, and SnCl 4 (SnCl 2 ) as a precursor, and has the advantage of being naturally oxidized at room temperature without a reaction accelerator or oxidizing agent. In addition, the room temperature reaction can easily control the inorganic particle size by subnanometer than the high temperature reaction. Since Pt also acts as a catalyst, it can be reacted in alcohol at room temperature (without the use of additional reducing agents) in order to bind at least to a low concentration distribution with a small particle size.

다공성 및 높은 활성 표면적(393 m2g-1)을 갖고, 초미세크기 Pt-SnO2이 결합된 fSWNT 에어로젤은 실온에서 우수한 NO2 감지 특성을 나타냈다. 특히, 실온에서 최첨단 SMO 기반 NO2 센서와 비교하여 Pt-SnO2 에어로젤은 민감하고 (5ppm에서 S = 14.77 %), 톨루엔, 수소, 에탄올, 암모니아, 아세톤에는 반응을 보이지 않는데 반해, NO2에는 매우 선택적으로 감도가 높으며, 매우 빠르고 안정적인 감지 거동을 나타냈다. 초고표면적과 고다공도를 갖도록 설계된 다기능 무기나노튜브 에어로젤은 고성능 가스 센서의 잠재적 재료 플랫폼이며 촉매, 생체조직공학 지지체 및 에너지 저장 장치를 포함한 광범위한 응용 분야로 광범위하게 확장될 수 있다.The fSWNT airgel with porosity, high active surface area (393 m 2 g −1 ), and ultrafine Pt-SnO 2 bound to it showed excellent NO 2 sensing properties at room temperature. In particular, compared to the state-of-the-art SMO-based NO 2 sensor at room temperature, Pt-SnO 2 aerogels are sensitive (S = 14.77% at 5 ppm), insensitive to toluene, hydrogen, ethanol, ammonia, and acetone, whereas very sensitive to NO 2 Selectively high sensitivity and very fast and stable detection behavior. Multifunctional inorganic nanotube airgels designed to have ultra-high surface area and high porosity are potential material platforms for high-performance gas sensors and can be broadly extended to a wide range of applications including catalysts, bio-engineered scaffolds, and energy storage devices.

이하 설명에서, 무기나노튜브 하이드로젤/에어로젤은 무기나노입자가 결합된 하이드로젤/에어로젤을 지칭할 수 있다. In the following description, the inorganic nanotube hydrogel/airgel may refer to a hydrogel/airgel to which inorganic nanoparticles are bound.

도 1은 다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 제조 방법을 도시하는 도면이다. 도 2, 도 3 및 도 4는 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 특성을 설명하기 위한 도면들이다. 1 is a view showing a method of manufacturing a multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to various embodiments. 2, 3 and 4 are views for explaining the characteristics of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel.

도 1을 참조하면, 110 단계에서, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel)이 형성될 수 있다. 이 때 fSWNT 하이드로젤은 SAI 전략을 통해, 다공성의 3D 구조로 형성된다. Referring to FIG. 1 , in step 110 , a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized single-walled carbon nanotube; fSWNT) hydrogel may be formed. At this time, the fSWNT hydrogel is formed into a porous 3D structure through the SAI strategy.

3D fSWNT 하이드로젤 플랫폼의 형성을 위해(SAI 방법을 통해), 하이드록실기(-OH) 가 기능화된 fSWNT와 분산제(도데실벤젠설페이트나트륨(SDBS))를 1:5 질량비로 증류수(Deionized water)에 넣고 팁-음파처리(tip-sonication)을 이용해서 균일하게 분산시켰다. fSWNT 서스펜션은 용매(물)를 313K에서 증발시켜 fSWNT 하이드로젤을 형성하였다. 이때, fSWNT 하이드로젤 농도는 0.4wt%이고, 탄소나노튜브 들이 서로 번들처럼 응집되어 있지 않고, 초미세 fSWNT가 반데르발스 힘에 의해 서로 물리적으로 결합되어서 3차원 다공성 네트워크 구조체를 형성하므로, 다른 CNT 네트워크와 비교했을 때 표면적이 매우 높은 fSWNT 에어로젤을 초래할 수 있다. 하이드로젤 플랫폼의 모양은 원하는 유형의 에어로젤을 얻기 위해 틀(mold)을 사용하여 원하는 모양으로 설계할 수 있었다. 예를 들면, 사각형 모양의 얇은 틀을 사용하여 하이드로젤을 성형(molding)하였고, 성형된 하이드로젤은 뜨거운 증류수로 여러 번 세척해서 SDBS를 완전히 제거했다. 중요한 것은 하이드로젤 플랫폼의 다공성, 밀도 및 기계적 특성이 특정 응용 분야에 맞게 설계될 수 있도록 하이드로젤 농도를 조정함으로써 fSWNT 하이드로젤 플랫폼의 형태를 제어할 수 있다는 점이다.For the formation of the 3D fSWNT hydrogel platform (via the SAI method), the hydroxyl group (-OH) functionalized fSWNT and the dispersant (sodium dodecylbenzene sulfate (SDBS)) were mixed in a 1:5 mass ratio in deionized water. and uniformly dispersed using tip-sonication. The fSWNT suspension was formed by evaporation of the solvent (water) at 313 K to form the fSWNT hydrogel. At this time, the fSWNT hydrogel concentration is 0.4wt%, the carbon nanotubes are not agglomerated like bundles with each other, and the ultrafine fSWNTs are physically bonded to each other by van der Waals force to form a three-dimensional porous network structure. This can result in fSWNT airgels with a very high surface area compared to the network. The shape of the hydrogel platform could be designed into a desired shape using a mold to obtain a desired type of aerogel. For example, the hydrogel was molded using a thin rectangular frame, and the molded hydrogel was washed several times with hot distilled water to completely remove SDBS. Importantly, the morphology of the fSWNT hydrogel platform can be controlled by adjusting the hydrogel concentration so that the porosity, density, and mechanical properties of the hydrogel platform can be designed for specific applications.

120 단계 및 130 단계에서, 전구체 용액의 다기능성 무기 나노입자가 3D fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 결합될 수 있다. 여기서, 무기 나노입자들은 산화주석(SnO2) 나노입자와 백금(Pt) 나노입자를 포함할 수 있다. 120 단계에서, SnO2 나노입자가 3D fSWNT 하이드로젤에 코팅되어, 3D SnO2 하이드로젤이 형성될 수 있다. 그런 다음, 130 단계에서, Pt 나노입자가 3D SnO2 하이드로젤에 코팅되어, 3D Pt-SnO2 하이드로젤이 형성될 수 있다. In steps 120 and 130, the multifunctional inorganic nanoparticles of the precursor solution can be bound to the 3D fSWNT hydrogel platform. Here, the inorganic nanoparticles may include tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles and platinum (Pt) nanoparticles. In step 120, SnO 2 nanoparticles may be coated on the 3D fSWNT hydrogel to form a 3D SnO 2 hydrogel. Then, in step 130, the Pt nanoparticles is coated on the 3D SnO 2 hydrogel, it may be a 3D Pt-SnO 2 hydrogel forming.

SnO2 코팅의 경우, SnCl4전구체를 증류수에 용해시킨 다음, fSWNT 하이드로젤을 주변 조건에서 2시간 동안 100 rpm으로 흔들어 전구체 용액에 담갔다. OH-fSWNT와 SnO2 나노입자의 표면에 흡착된 SnCl4 전구체는, 하기 [반응식 1]과 같은 반응에 의해 실온에서 fSWNT 하이드로젤에 화학적으로 결합되었다. 여기서, OH-fSWNT는 SnO2가 균일하게 형성되는 핵심성장자리(nucleation site)로 작용할 수 있다. 이후 H2PtCl6 전구체가 있는 에탄올에서, 음전하 SnO2-fSWNT 하이드로젤 표면에서 Pt 양이온(Pt4+)이 부분적으로 Pt 나노입자로 감소할 수 있는데, 이는 Sn에 비해 상대적으로 높은 Pt의 전자친화도 때문이다. For SnO 2 coating, SnCl 4 precursor was dissolved in distilled water, and then the fSWNT hydrogel was immersed in the precursor solution by shaking at 100 rpm at ambient conditions for 2 hours. OH-fSWNT and SnO 2 SnCl 4 precursor adsorbed on the surface of the nanoparticles was chemically bonded to the fSWNT hydrogel at room temperature by a reaction as shown in [Scheme 1] below. Here, OH-fSWNTs may act as a core growth site (nucleation site) in which SnO 2 is uniformly formed. Then, in ethanol with H 2 PtCl 6 precursor, Pt cations (Pt 4+ ) on the surface of negatively charged SnO 2 -fSWNT hydrogel can be partially reduced to Pt nanoparticles, which is a relatively high electron affinity of Pt compared to Sn. also because

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112020028595993-pat00001
Figure 112020028595993-pat00001

140 단계에서, 초임계 건조(critical point drying)에 의해 3D fSWNT 에어로젤이 형성될 수 있다. 3D Pt-SnO2 하이드로젤이 3D fSWNT 에어로젤, 즉 3D Pt-SnO2 에어로젤로 전환될 수 있다. 3D fSWNT 에어로젤은 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤로서, 초고다공도, 높은 표면적, 저밀도의 특징을 갖는다. In step 140, 3D fSWNT airgel may be formed by supercritical point drying. 3D Pt-SnO 2 hydrogel can be converted into 3D fSWNT airgel, ie, 3D Pt-SnO 2 airgel. 3D fSWNT airgel is a multifunctional porous inorganic nanotube airgel, which has the characteristics of ultra-high porosity, high surface area, and low density.

Pt-SnO2 하이드로젤은 임계점 건조에 의해 고다공성 Pt-SnO2 에어로젤로 전환되었다. Pt-SnO2 에어로젤의 전자방출계 전자현미경(FE-SEM) 이미지는 다공성이 높고 밀도가 16 mgcm-3인 3D 연동 Pt-SnO2 나노튜브 네트워크를 보여준다. 다공성 네트워크는, 도 2에 도시된 바와 같이 수 나노미터에서 수백 나노미터 사이의 범위에서 열린 기공 구조와 기공 크기를 보여준다(N2 흡탈착 분석으로 확인됨). 놀랍게도 Pt-SnO2 에어로젤의 표면적은, 도 3에 도시된 바와 같이 393m2g-1로 이전에 보고된 Pt-SnO2-SWNT 분말과 SnO2 나노튜브의 값보다 각각 8.3배와 25배 높다. 이러한 결과를 통해 fSWNT 하이드로젤 플랫폼의 다공성, 저밀도, 매우 높은 표면적이 Pt-SnO2 에어로젤의 형태학에 영향을 미쳤음을 확인했다. 여기서, 다공성 fSWNT 하이드로젤 플랫폼의 Pt 및 SnO2 나노입자의 존재와 잘 분산된 분포는, 도 4에 도시된 바와 같은 에너지 분산 스펙트럼 분석(EDS) 요소 매핑 영상에 의해 명확하게 확인되었다.The Pt-SnO 2 hydrogel was converted to a highly porous Pt-SnO 2 aerogel by critical point drying. Electron emission-based electron microscopy (FE-SEM) images of Pt-SnO 2 airgel show a 3D interlocking Pt-SnO 2 nanotube network with high porosity and a density of 16 mgcm -3 . The porous network shows an open pore structure and pore size in the range of several nanometers to several hundreds of nanometers as shown in FIG. 2 ( confirmed by N 2 adsorption/desorption analysis). Surprisingly, the surface area of the Pt-SnO 2 airgel was 8.3 and 25 times higher than those of Pt-SnO 2 -SWNT powder and SnO 2 nanotubes previously reported as 393 m 2 g −1 , respectively, as shown in FIG. 3 . Through these results, it was confirmed that the porosity, low density, and very high surface area of the fSWNT hydrogel platform affected the morphology of the Pt-SnO 2 airgel. Here, the presence and well-dispersed distribution of Pt and SnO 2 nanoparticles in the porous fSWNT hydrogel platform was clearly confirmed by an energy dispersive spectrum analysis (EDS) element mapping image as shown in FIG. 4 .

상기와 같이 제조된 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 구조적 특징이 후술된다. Structural characteristics of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel prepared as described above will be described below.

도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤, 즉 Pt-SnO2 에어로젤의 구조적 특징을 설명하기 위한 도면들이다. 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 are multifunctional porous inorganic nanotube airgels according to various embodiments, that is, Pt-SnO 2 It is a view for explaining the structural characteristics of the airgel. .

SnCl4와 H2PtCl6 전구체의 다양한 농도의 3D fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 SnO2와 Pt 나노입자를 결합하여 Pt-SnO2 에어로젤을 생산하였다. fSWNT 하이드로젤은, 도 5에 도시된 바와 같이 2~10 nm 직경의 초미세 나노튜브들이 3차원 하이드로젤 네트워크 구조체를 형성하고 있으므로, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같은 다공성 fSWNT 에어로젤은 저밀도(4mgcm-3) 및 초고표면적(1133 m2g-1, 이론치에 가까움)을 보였다. 또한 도 9의 (b)의 EDS 스펙트럼에 표시된 것처럼 fSWNT의 산소 함량은 9.4 wt%이다. SnCl4 농도가 5, 10, 20, 30wt%로 점차 증가함에 따라, SnO2가 결합된 fSWNT 에어로젤(이하 SnO2 에어로젤)에서 C에 대한 Sn의 질량비가 각각 1.3, 1.8, 3.1, 4.3로 증가하였다(C에 대한 Sn의 질량비는 WRSn/C는 표시한다). 도 6의 FE-SEM 이미지는 fSWNT 하이드로젤 플랫폼의 잔여 기공 구조를 가진 다공성 SnO2 에어로젤 네트워크를 보여준다.SnCl 4 and H 2 PtCl 6 Pt-SnO 2 airgel was produced by combining SnO 2 and Pt nanoparticles on a 3D fSWNT hydrogel platform of various concentrations of precursors. In the fSWNT hydrogel, as shown in FIG. 5, ultrafine nanotubes with a diameter of 2 to 10 nm form a three-dimensional hydrogel network structure, so the porous fSWNT airgel as shown in FIG. (4mgcm -3 ) and ultra-high surface area (1133 m 2 g -1 , close to the theoretical value). Also, as shown in the EDS spectrum of FIG. 9(b), the oxygen content of fSWNTs is 9.4 wt%. SnCl was 4 concentration is increased to 5, 10, 20, 30wt% gradually increased, SnO 2 is bonded fSWNT airgel (hereinafter SnO 2 aerogels), respectively the mass ratio of Sn to C 1.3, 1.8, 3.1, 4.3, as in (The mass ratio of Sn to C is indicated by WR Sn/C). The FE-SEM image of FIG. 6 shows the porous SnO 2 airgel network with the residual pore structure of the fSWNT hydrogel platform.

SnClSnCl 44 ·5H・5H 22 OO
Concentration (wt%)Concentration (wt%)
Weight %Weight % Weight ratio of Sn to CWeight ratio of Sn to C
(WR(WR Sn/CSn/C ))
CC OO SnSn 55 34.834.8 19.319.3 45.945.9 1.31.3 1010 28.328.3 21.321.3 50.450.4 1.81.8 2020 19.119.1 21.521.5 59.459.4 3.13.1 3030 15.1215.12 19.7419.74 65.1465.14 4.34.3

또한, 도 7에 도시된 바와 같은 고해상도 전송 전자현미경(HR-TEM) 특성화에 의해 fSWNT에 통합된 SnO2 나노입자의 분포를 조사했다. 도 7의 상측(f)에 도시된 바와 같이, 1.3 WRSn/C의 낮은 Sn 함량에서 SnO2 나노입자는 fSWNT의 표면에 나선 구조와 평균 지름 1.52 nm로 코팅되었다. 도 7의 하측(g)에 도시된 바와 같이, 최대 4.3 WRSn/C까지 Sn이 증가하면, fSWNT 플랫폼 네트워크 표면에서 직경 2~3.5 nm의 SnO2 나노입자가 결합되었다. 다음으로, Pt 나노입자 (2~2.5 nm)가 3.1 WRSn/C SnO2 에어로젤에 결합되었다. 도 10의 EDS 분석에서 보듯이, Pt-SnO2 에어로젤의 Pt 함량은 H2PtCl6 농도를 0.01에서 0.1wt%로 증가시킴으로써 0.1에서 0.5wt%로 증가하였다. 앞서 언급했듯이, Pt-SnO2 에어로젤은, 도 6에 도시된 바와 같이 개별적으로 정렬된 Pt-SnO2 나노튜브가 상호 연결되는 고다공성 네트워크를 보였다. 또한 개별 fSWNT와 fSWNT 네트워크에서 Pt와 SnO2 나노입자의 분포는, 도 8에 도시된 바와 같이 HR-TEM 이미지와 EDS 매핑 이미지로 확인되어 잘 분포된 기능화를 드러냈다.In addition, the distribution of SnO 2 nanoparticles incorporated into fSWNTs was investigated by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) characterization as shown in FIG. 7 . As shown in the upper part (f) of FIG. 7 , SnO 2 nanoparticles at a low Sn content of 1.3 WR Sn/C were coated on the surface of fSWNTs with a helical structure and an average diameter of 1.52 nm. As shown in the lower (g) of FIG. 7, when Sn increased up to a maximum of 4.3 WR Sn/C , SnO 2 nanoparticles having a diameter of 2 to 3.5 nm were combined on the surface of the fSWNT platform network. Next, Pt nanoparticles (2-2.5 nm) were bound to the 3.1 WR Sn/C SnO 2 airgel. As shown in the EDS analysis of FIG. 10 , the Pt content of the Pt-SnO 2 airgel was increased from 0.1 to 0.5 wt% by increasing the H 2 PtCl 6 concentration from 0.01 to 0.1 wt%. As mentioned earlier, the Pt-SnO 2 airgel exhibited a highly porous network in which individually aligned Pt-SnO 2 nanotubes were interconnected, as shown in FIG. 6 . Also, the distribution of Pt and SnO 2 nanoparticles in individual fSWNTs and fSWNT networks was confirmed by HR-TEM images and EDS mapping images as shown in FIG. 8, revealing well-distributed functionalization.

Pt-SnO2 에어로젤(0.1 wt% Pt, 3.1 WRSn/C)의 결정 구조는, 도 8의 일부 도면(i, j)들에 도시된 바와 같이 각각 HR-TEM과 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴으로 특징 지어진다. HR-TEM 이미지에서 Pt(111)와 SnO2(101)의 격자 평면이 관찰되었다. SAED 이미지는 SnO2(110), (101), (211)의 격자면이 루타일 구조를 나타냈고, Pt(111)의 회절 링 패턴도 SAED 영상에서 관찰되었다.The crystal structure of Pt-SnO 2 airgel (0.1 wt% Pt, 3.1 WR Sn/C ) was analyzed by HR-TEM and selective-area electron diffraction (SAED), respectively, as shown in some figures (i, j) of FIG. 8 , respectively. characterized by a pattern. The lattice planes of Pt(111) and SnO 2 (101) were observed in the HR-TEM image. In the SAED image , the lattice plane of SnO 2 (110), (101), and (211) showed a rutile structure, and the diffraction ring pattern of Pt (111) was also observed in the SAED image.

더욱이 fSWNT 플랫폼에 결합된 Pt-SnO2 에어로젤 화학적 구성과 결합 상태가, 도 11에 도시된 바와 같이 X선 광전자 분광기(XPS)에 의해 조사되었다. Sn 3d와 Pt 4f의 고해상도 특성 피크는 각각 도 11의 (a)와 (b)에 나타나 있다. 도 11의 (a)에 따르면, 두 개의 뚜렷한 피크는 Sn 3d5/2 및 Sn 3d3/2에 해당하는 486.5 및 494.9 eV에 위치하며, 스핀-오비트 커플링 에너지는 각각 8.4 eV이다. 피크에는 SnO2의 격자에서 Sn4+에 할당할 수 있는 이항파 특성이 있다. 도 11의 (b)에 따르면, 71.2 및 74.5 eV의 주 피크는 3.3 eV의 스핀 커플링 에너지인 Pt 4f7/2 및 Pt 4f5/2에 대응한다. 72.6 및 75.5 eV의 추가 소형 피크는 PtO 4f7/2 및 PtO 4f5/2를 나타내며, Pt 나노입자가 fSWNT 하이드로젤 표면의 PtO로 부분적으로 산화되었음을 보여주었다. 부분 산화 Pt 나노입자는 SnO2와의 p-n 접합부의 형성에 의한 가스 반응의 향상에 필수적인 역할을 할 수 있다. 도 11의 (c)와 (d)는 각각 C 1s와 O 1s의 스펙트럼을 표시한다. Pt-SnO2 에어로젤의 디콘볼루션 C 1s 스펙트럼에는 네 가지 유형의 탄소 결합이 나타난다. 도 11의 (c)에 따르면, 284.0, 285.0, 286.2, 287.7 eV에 위치한 피크는 각각 C=C, C-C, C-O, C=O에 해당한다. O 1s의 스펙트럼에는 SnO2 (530.4 eV), 화학적으로 흡착된 O- (531.5 eV), O2 - 상태 (532.4 eV)의 O2 - 이온에 해당하는 피크가 표시된다. 화학적으로 흡착된 피크는 fSWNT 표면에 연결된 Sn-O-C뿐만 아니라 Sn-O-Pt의 산소 조정에 의해 설명된다.Furthermore, the chemical composition and binding state of the Pt-SnO 2 airgel bound to the fSWNT platform were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) as shown in FIG. 11 . The high-resolution characteristic peaks of Sn 3d and Pt 4f are shown in (a) and (b) of FIG. 11 , respectively. According to (a) of FIG. 11, two distinct peaks are located at 486.5 and 494.9 eV corresponding to Sn 3d 5/2 and Sn 3d 3/2 , and the spin-orbit coupling energy is 8.4 eV, respectively. The peak has a binomial characteristic that can be assigned to Sn 4+ in the lattice of SnO 2 . According to (b) of FIG. 11 , the main peaks of 71.2 and 74.5 eV correspond to spin coupling energies of 3.3 eV, Pt 4f 7/2 and Pt 4f 5/2 . Additional small peaks at 72.6 and 75.5 eV indicate PtO 4f 7/2 and PtO 4f 5/2 , indicating that the Pt nanoparticles were partially oxidized to PtO on the surface of the fSWNT hydrogel. Partially oxidized Pt nanoparticles may play an essential role in enhancing the gas reaction by the formation of a pn junction with SnO 2 . 11 (c) and (d) show spectra of C 1s and O 1s, respectively. The deconvolution C 1s spectrum of Pt-SnO 2 airgel shows four types of carbon bonds. According to (c) of FIG. 11, the peaks located at 284.0, 285.0, 286.2, and 287.7 eV correspond to C=C, CC, CO, and C=O, respectively. The spectrum of O 1s shows peaks corresponding to SnO 2 (530.4 eV), chemically adsorbed O (531.5 eV), and O 2 ions in the O 2 state (532.4 eV). The chemically adsorbed peak is explained by the oxygen coordination of Sn-O-Pt as well as Sn-OC linked to the fSWNT surface.

상기와 같이 제조된 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 동적 NO2 감지 특성이 후술된다. The dynamic NO 2 sensing characteristics of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel prepared as described above will be described below.

상기와 같이 초미세 SnO2와 Pt 나노입자가 fSWNT의 표면에 성공적으로 결합되었음을 입증했다. 이렇게 잘 고정되어 있는 나노 크기의 SnO2와 Pt 나노입자는 촉매, 감지, 바이오 스케폴드(bio-scaffold), 에너지 저장 등과 같은 광범위한 응용 분야에서 시너지 효과와 계면 안정성을 얻는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 특히 반도체 금속 산화물(semiconducting metal oxide; SMO)인 SnO2는 화학 가스 센서로서 높은 감도와 낮은 전력 소비량과 같은 놀라운 이점을 제공한다. 더욱이, 새로운 금속(Pt, Pd, Au) 나노입자는 SMO 가스 센서의 민감성과 선택성을 향상시키기 위해 예감제(sensitizer) 또는 촉매 역할을 한다. 더구나, 다양한 실시예들에 따른 에어로젤은 매우 높은 표면적과 높은 다공성을 제공하며, 표면 반응에 대해 풍부한 반응 부지를 제공함으로써 민감도를 높이는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 장점을 고려하여 다기능성 다공성 무기 에어로젤을 화학 센서 응용 분야의 활성 감지 물질로 선정하였다. As described above, it was demonstrated that ultrafine SnO 2 and Pt nanoparticles were successfully bound to the surface of fSWNTs. These well-immobilized nano-sized SnO 2 and Pt nanoparticles can play an important role in obtaining synergistic effects and interfacial stability in a wide range of applications such as catalysis, sensing, bio-scaffold, and energy storage. . In particular, SnO 2 , a semiconductor metal oxide (SMO), offers surprising advantages such as high sensitivity and low power consumption as a chemical gas sensor. Moreover, novel metal (Pt, Pd, Au) nanoparticles serve as sensitizers or catalysts to improve the sensitivity and selectivity of SMO gas sensors. Moreover, the airgel according to various embodiments provides a very high surface area and high porosity, and plays an important role in increasing the sensitivity by providing a rich reaction site for surface reactions. Considering these advantages, a multifunctional porous inorganic airgel was selected as an active sensing material for chemical sensor applications.

도 12 및 도 13은 다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤, 즉 Pt-SnO2 에어로젤의 동적 NO2 감지 특성을 설명하기 위한 도면들이다.12 and 13 are diagrams for explaining the dynamic NO 2 sensing characteristics of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel, that is, the Pt-SnO 2 airgel according to various embodiments.

먼저, fSWNT 에어로젤과 SnO2 에어로젤의 감지 특성을 조사하기 위해 에어로젤을 알루미나 기질 절반 크기로 준비한 후 은박지를 사용하여 알루미나 기질에 있는 금 전극에 접촉했다. 상온에서 H2, C2H5OH, NH3, CH3COCH3, C7H8 및 NO2 (1-5 ppm)의 세 가지 다른 Sn 내용물을 가진 fSWNT 에어로젤 및 SnO2 에어로젤 센서의 감지 특성을 평가했다. 도 12는 상온에서 1~5 ppm 범위에서 fSWNT 에어로젤 및 세 가지 다른 SnO2 센서의 동적 NO2 감지 특성을 나타낸다. fSWNT 에어로젤 센서는 NO2의 1~5 ppm 범위에서 거의 무시할 수 있는 감지 특성을 보였다. 그러나, 도 12의 (a)에 도시된 바와 같이, SnO2 에어로젤 센서는 NO2에 민감했으며, 특히 3.1 WRSn/C SnO2 에어로젤 센서는 fSWNT 에어로젤 센서(S = 1.70%)에 비해 NO2 감도(S = 9.28%)가 5.5배 향상되었다. 새로운 금속 촉매가 감지 속성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 0.1, 0.3, 0.5wt% Pt의 다른 함량을 가지고 있는 Pt 촉매를 3.1 WRSn/C SnO2 에어로젤에 균일하게 결합하였다. 그 결과, 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 Pt-SnO2 에어로젤(0.1 wt% Pt) 센서가 가장 높은 민감도(S = 14.77%)를 보이며 SnO2 에어로젤, fSWNT 에어로젤 센서에 비해 1.60배, 8.69배 향상됐다. NO2에 대한 반응 속도론의 경우, fSWNT 에어로젤 센서는 공기 중 기저 저항의 드리프트와 함께 매우 느린 반응 및 복구 속도를 보였다. 반면, SnO2와 Pt-SnO2 에어로젤 센서는 fSWNT 에어로젤 센서에 비해 훨씬 빠른 반응과 복구 속도를 보였다. 여기서는 fSWNT, SnO2, Pt-SnO2 등 에어로젤 센서의 향상된 반응 및 복구 속도를 정량적으로 조사하기 위해, 민감도 곡선을 하기 [수학식 1]과 [수학식 2]에 맞추어, NO2 흡착 상수(kads)와 탈착 상수(kdes)를 계산했다. 여기서, NO2가 탈착될 때의 민감도, Smax가 최대 감도이며, Ca는 목표 가스 농도이다. First, to investigate the sensing properties of fSWNT airgel and SnO 2 airgel, the airgel was prepared in half the size of an alumina substrate, and then, silver foil was used to contact the gold electrode on the alumina substrate. H 2, C 2 H 5 OH , NH 3, CH 3 COCH 3, C 7 H 8 NO 2 and three kinds fSWNT airgel with different Sn contents and detection characteristics of the sensor of the SnO 2 airgel (1-5 ppm) at room temperature evaluated. 12 shows the dynamic NO 2 sensing properties of fSWNT airgel and three different SnO 2 sensors in the range of 1-5 ppm at room temperature. The fSWNT airgel sensor showed almost negligible detection characteristics in the range of 1-5 ppm of NO 2 . However, as shown in Fig. 12(a), the SnO 2 airgel sensor was sensitive to NO 2 , and in particular, the 3.1 WR Sn/C SnO 2 airgel sensor was NO 2 sensitivity compared to the fSWNT airgel sensor (S = 1.70%). (S = 9.28%) was improved by 5.5 times. In order to confirm the effect of the new metal catalyst on the sensing properties, Pt catalysts with different contents of 0.1, 0.3, and 0.5 wt% Pt were uniformly combined with 3.1 WR Sn/C SnO 2 airgel. As a result, as shown in FIG. 12(b), the Pt-SnO 2 airgel (0.1 wt% Pt) sensor showed the highest sensitivity (S = 14.77%), 1.60 times compared to the SnO 2 airgel, fSWNT airgel sensor, 8.69 times improved. In the case of reaction kinetics for NO 2 , the fSWNT airgel sensor showed very slow response and recovery rates with drift of basal resistance in air. On the other hand, SnO 2 and Pt-SnO 2 airgel sensor showed much faster response and recovery rate compared to fSWNT airgel sensor. Here, in order to quantitatively investigate the improved response and recovery rate of airgel sensors such as fSWNT, SnO 2 , and Pt-SnO 2 , the sensitivity curve is fitted to the following [Equation 1] and [Equation 2], and the NO 2 adsorption constant (k ads ) and the desorption constant (k des ) were calculated. Here, the sensitivity when NO 2 is desorbed, S max , is the maximum sensitivity, and C a is the target gas concentration.

Figure 112020028595993-pat00002
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Figure 112020028595993-pat00003
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계산된 흡착 및 탈착률 상수는 지원 정보의 도 13과 하기 [표 2] 및 [표 3]에 요약되어 있다. 그 결과 SnO2 에어로젤 (3.1 WRSn/C)의 반응 및 복구율 상수는 0.23 ppm-1s-1과 0.23s-1로 fSWNT 에어로젤 센서 값(0.11 ppm-1s-1, 0.09s-1)보다 각각 2.09배와 2.56배 높은 것으로 나타났다. 도 12의 (c), (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이, 0.1 wt% Pt 촉매 통합 SnO2 에어로젤 (3.1 WRSn/C) 센서의 경우, fSWNT 에어로젤 센서에 비해 반응률과 복구율 상수가 각각 0.50 ppm-1과 0.27s-1로 더욱 강화되었다. 안정성과 선택성은 고성능과 신뢰할 수 있는 가스 센서에도 중요한 요소다. 도 12의 (f)에 따르면, Pt-SnO2 에어로젤 (3.1 WRSn/C, 0.1 wt% Pt) 센서의 경우, NO2 1 ppm에 대한 반응은 11 구동 시간의 반복 노출에 대해 매우 신뢰할 수 있었다. 더욱 중요한 것은, 이 센서는 도 12의 (g)에 도시된 바와 같이 수소, 에탄올, 암모니아, 아세톤, 톨루엔 가스 등과 같은 몇 가지 간섭 가스에 대한 무시할 만한 감지 동작을 보인 반면, NO2에 대해서의 감지 동작은 명백히 빠른 반응과 복구를 보여주었다.The calculated adsorption and desorption rate constants are summarized in Figure 13 of the supporting information and in Tables 2 and 3 below. As a result, the reaction and recovery rate constants of SnO 2 airgel (3.1 WR Sn/C ) were 0.23 ppm -1 s -1 and 0.23s -1, which were higher than the fSWNT airgel sensor values (0.11 ppm -1 s -1 , 0.09s -1 ). They were found to be 2.09 times and 2.56 times higher, respectively. As shown in (c), (d) and (e) of FIG. 12 , in the case of the 0.1 wt% Pt catalyst-integrated SnO 2 airgel (3.1 WR Sn/C ) sensor, the reaction rate and recovery rate constant were higher than that of the fSWNT airgel sensor. They were further strengthened to 0.50 ppm -1 and 0.27s -1 respectively. Stability and selectivity are also important factors for high-performance and reliable gas sensors. According to Fig. 12(f), for the Pt-SnO 2 airgel (3.1 WR Sn/C , 0.1 wt% Pt) sensor , the response to 1 ppm of NO 2 was very reliable for repeated exposures of 11 driving hours. . More importantly, this sensor showed negligible sensing behavior for several interfering gases such as hydrogen, ethanol, ammonia, acetone, toluene gas, etc., as shown in Fig. 12(g), while sensing for NO 2 . The action clearly showed rapid response and recovery.

CompositeComposite kads
[ppm-1s-1]
k ads
[ppm -1 s -1 ]
kdes
[s-1]
k des
[s -1 ]
K (kads/kdes)K (k ads /k des )
fSWNT aerogelfSWNT aerogel 0.110.11 0.090.09 1.221.22 SnO2 aerogel (1.3 WRSn/C)SnO 2 aerogel (1.3 WR Sn/C ) 0.120.12 0.110.11 1.091.09 SnO2 aerogel (1.8 WRSn/C)SnO 2 aerogel (1.8 WR Sn/C ) 0.200.20 0.170.17 1.181.18 SnO2 aerogel (3.1 WRSn/C)SnO 2 aerogel (3.1 WR Sn/C ) 0.230.23 0.230.23 1.001.00 SnO2 aerogel (4.3 WRSn/C)SnO 2 aerogel (4.3 WR Sn/C ) 0.250.25 0.170.17 1.471.47

CompositeComposite kads
[ppm-1s-1]
k ads
[ppm -1 s -1 ]
kdes
[s-1]
k des
[s -1 ]
K(kads/kdes)K(k ads /k des )
SnO2 aerogel (3.1 WRSn/C )SnO 2 aerogel (3.1 WR Sn/C ) 0.230.23 0.230.23 1.001.00 Pt-SnO2 aerogel (0.1 wt% Pt)Pt-SnO 2 aerogel (0.1 wt% Pt) 0.500.50 0.270.27 1.851.85 Pt-SnO2 aerogel (0.3 wt% Pt)Pt-SnO 2 aerogel (0.3 wt% Pt) 0.860.86 0.290.29 2.962.96 Pt-SnO2 aerogel (0.5 wt% Pt)Pt-SnO 2 aerogel (0.5 wt% Pt) 0.360.36 0.230.23 1.561.56

상기와 같이 제조된 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 이용한 감지 메커니즘이 후술된다. A sensing mechanism using the multifunctional porous inorganic nanotube airgel prepared as described above will be described below.

도 14는 다양한 실시예들 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 이용한 감지 메커니즘을 도시하는 도면들이다. 14 shows various embodiments; It is a drawing showing a sensing mechanism using a multifunctional porous inorganic nanotube airgel.

감지 메커니즘의 관점에서, 향상된 감지 특성은 i) p형 fSWNT와 n형 SnO2 사이의 p-n 접합부의 형성과 ii) Pt 나노입자의 유출 효과에 기인한다. 일반적으로, fSWNT의 베이스 저항은 기체 분자들의 p타입 감지 속성을 보여 줌으로써 흡착에 의해 변할 수 있다. 보다 상세하게는, fSWNT가 공기에 노출될 때, 산소 분자의 흡착으로 fSWNT의 표면에 홀 축적이 발생한다. NO2는 매우 전기적인 분자로서 하기 [반응식 2]와 같이 흡착된 산소 종과의 반응 중에 전자를 포착하기 때문에 NO2에 노출되면 홀 축적의 두께가 커진다. 그러므로, 홀 축적의 변환은 fSWNT에 저항 변화를 가져오고, 따라서 주변 NO2의 저항을 낮추고 주변 공기의 저항을 증가시킨다.In terms of the sensing mechanism, the improved sensing properties are attributed to i) the formation of a pn junction between the p-type fSWNT and the n-type SnO 2 and ii) the efflux effect of Pt nanoparticles. In general, the base resistance of fSWNTs can be changed by adsorption by showing the p-type sensing properties of gas molecules. More specifically, when fSWNTs are exposed to air, hole accumulation occurs on the surface of fSWNTs due to adsorption of oxygen molecules. NO 2 is a very electrical molecule and captures electrons during a reaction with adsorbed oxygen species as shown in [Reaction Equation 2] below. Therefore , when exposed to NO 2 , the thickness of hole accumulation increases. Therefore, the conversion of hole accumulation leads to a change in resistance in fSWNTs, thus lowering the resistance of the surrounding NO 2 and increasing the resistance of the surrounding air.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112020028595993-pat00004
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SnO2가 결합된 fSWNT 에어로젤의 경우, 도 14의 (c)에 도시된 바와 같이 SnO2(ф=4.44 eV)와 fSWNT(ф=4.77 eV)의 일함수 차이로 인해 SnO2와 fSWNT 사이에 p-n 접속부가 형성된다. 따라서, SnO2에서 fSWNT로 전자가 전달되어 SnO2와 fSWNT 모두에서 반송파 농도가 감소하고, 이로 인해 도 14의 (a)에 도시된 바와 같이 fSWNT에 비해 저항이 높아진다. SnO2 복합체에서 전자를 추출할 수 있는 SnO2 표면에 있는 흡착 산소 분자는 NO2와의 표면 반응성을 개선한다. SnO2가 NO2에 노출되면, 도 14의 (b)에 도시된 바와 같이 SnO2 나노입자가 fSWNT의 표면을 부분적으로 덮으면서 SnO2가 p형 감지 특성을 보였다. 반응하는 동안 전자는 SnO2 분자에서 NO2 분자로 전달되어 저항이 감소한다. SnO2와 fSWNT 사이의 p-n 접합부는 주변 공기와 NO2 사이의 큰 저항 변화를 가능하게 한다. 더욱이, Pt 촉매 통합 SnO2 에어로젤은, 도 14의 (d)에 도시된 바와 같이 일함수의 차이로 인해 Pt 나노입자의 유출 효과와 SnO2와 Pt 나노입자 사이의 작은 장벽 형성에 의해 저항을 더욱 증가시킨다. Pt는 산소 분자를 쉽게 분리하고, 전기적 NO2 분자와 더 많은 반응 부지를 제공하는 SnO2로 산소 분자를 확산시킬 수 있다.In the case of the SnO 2 bound fSWNT airgel, as shown in FIG. 14(c), pn between SnO 2 and fSWNT due to the work function difference between SnO 2 (ф=4.44 eV) and fSWNT (ф=4.77 eV) A connection is formed. Therefore, the electrons are passed from the SnO 2 in the fSWNT higher resistance than the fSWNT as shown in Figure 14, the carrier density decreases in both SnO 2 and fSWNT and, thereby (a). Adsorbed oxygen molecules on the SnO 2 surface that can extract electrons from the SnO 2 complex improve the surface reactivity with NO 2 . When SnO 2 was exposed to NO 2 , as shown in FIG. 14(b) , SnO 2 nanoparticles partially covered the surface of the fSWNT, and SnO 2 exhibited p-type sensing properties. During the reaction, electrons are transferred from the SnO 2 molecule to the NO 2 molecule, which reduces the resistance. The pn junction between SnO 2 and fSWNTs enables a large resistance change between the ambient air and NO 2 . Moreover, the Pt catalyst-integrated SnO 2 airgel further increases the resistance by the efflux effect of Pt nanoparticles and the formation of a small barrier between SnO 2 and Pt nanoparticles due to the difference in work function, as shown in FIG. 14(d). increase Pt can easily dissociate oxygen molecules and diffuse oxygen molecules into SnO 2 providing more reactive sites with electrically NO 2 molecules.

또한 부분적으로 산화된 Pt는 SnO2와 p-n 접합부를 형성할 수 있어 반응 중 저항 변화가 크다. 더욱이, 에어로젤 구조의 높은 다공성과 넓은 표면적은 NO2 분자가 감지 계층에 쉽게 침투하고 빠르게 반응할 수 있도록 보장한다. 결과적으로, Pt-SnO2 에어로젤 센서는 특히 높고 빠른 감도와 초고선택성 등 주목할 만한 상온 NO2 감지 특성을 보였다. 많은 NO2 감지 소재가 상온에서 심각한 기저 저항 드리프트, 저감도 및 느린 동작을 보였다는 점을 고려할 때, Pt-SnO2 에어로젤 센서는 매우 안정적인 감지 동작과 무시할 수 있는 베이스 저항 드리프트 및 심지어 상온에서도 반응 및 감지 속도 측면에서 주목할 만한 감지 성능을 가지고 있다. In addition, partially oxidized Pt can form a pn junction with SnO 2 , resulting in a large resistance change during the reaction. Moreover, the high porosity and large surface area of the airgel structure ensure that NO 2 molecules can easily penetrate the sensing layer and react quickly. As a result, the Pt-SnO 2 airgel sensor showed remarkable room temperature NO 2 sensing characteristics, such as particularly high and fast sensitivity and ultra-high selectivity. Considering that many NO 2 sensing materials showed significant base resistance drift, low sensitivity, and slow operation at room temperature, the Pt-SnO 2 airgel sensor has a very stable sensing action and negligible base resistance drift and response and even at room temperature. It has remarkable detection performance in terms of detection speed.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은 무기 전구체 용액과 OH-fSWNT 하이드로젤 플랫폼 사이의 표면 반응에 의해 최초로 달성되었다. 입자 크기가 1.5-3.5 nm인 Pt와 SnO2 나노입자는 표면 반응 조건을 조정하여 fSWNT 하이드로젤에 균일하게 결합되었다. 그 결과 Pt-SnO2 에어로젤은 높은 다공성, 낮은 밀도, 높은 표면적(393 m2g-1) 및 fSWNT 하이드로젤 플랫폼의 형태와 특성에 따른 견고성을 보였다. 잠재적 응용분야의 경우 Pt-SnO2 에어로젤의 화학적 감지 특성을 평가하였다. 다른 RT NO2 센서와 비교했을 때, Pt-SnO2 에어로젤은 (i) 매우 안정적이고 민감한 감지(반응/복구) NO2 (S = 25°C에서 5 ppm까지 14.77%)와 (ii) H2, C2H5OH, NH3, CH3COCH3 및 C7H8과 같은 여러 방해 가스에 대하여 NO2 초고선택성이라는 두 가지 장점을 가지고 있다. 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤이 촉매, 흡착제, 생체조직공학지지체, 에너지 저장, 특히 미래의 센서와 같은 다양한 응용 분야에 대해 이 간단하고 강력하며 저비용의 공정에 의해 생산될 수 있을 것이다. According to various embodiments, the multifunctional porous inorganic nanotube airgel was first achieved by the surface reaction between the inorganic precursor solution and the OH-fSWNT hydrogel platform. Pt and SnO 2 nanoparticles with a particle size of 1.5-3.5 nm were uniformly bound to the fSWNT hydrogel by adjusting the surface reaction conditions. As a result, the Pt-SnO 2 airgel showed high porosity, low density, high surface area (393 m 2 g -1 ), and robustness according to the shape and characteristics of the fSWNT hydrogel platform. For potential applications, the chemical sensing properties of Pt-SnO 2 airgels were evaluated. Compared with other RT NO 2 sensors, Pt-SnO 2 aerogels are (i) very stable and sensitive sensing (reaction/recovery) NO 2 (14.77% to 5 ppm at S = 25 °C) and (ii) H 2 , C 2 H 5 OH, NH 3 , CH 3 COCH 3 and C 7 H 8 NO 2 has two advantages of ultra-high selectivity for interfering gases. Multifunctional porous inorganic nanotube airgels could be produced by this simple, robust and low-cost process for a variety of applications such as catalysts, adsorbents, biotissue scaffolds, energy storage, and especially future sensors.

다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 제조 방법은, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel) 플랫폼을 형성하는 단계, fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 다기능성 무기 나노입자들을 결합시켜, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계, 및 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤에 대한 건조를 통해, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The method for producing a multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to various embodiments includes forming a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) hydrogel platform, fSWNT Forming a tin oxide-platinum nanotube hydrogel by binding the multifunctional inorganic nanoparticles to the hydrogel platform, and drying the tin oxide-platinum nanotube hydrogel to form a multifunctional porous inorganic nanotube airgel may include the step of

다양한 실시예들에 따르면, 나노입자들은, 산화주석(SnO2) 나노입자들과 백금(Pt) 나노입자들을 포함하고, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계는, fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 산화주석 나노입자들을 결합시켜, 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계, 및 산화주석 나노튜브 하이드로젤에 백금 나노입자들을 결합시켜, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the nanoparticles include tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles and platinum (Pt) nanoparticles, and the step of forming the tin oxide-platinum nanotube hydrogel is performed on the fSWNT hydrogel platform. binding the tin oxide nanoparticles to form a tin oxide nanotube hydrogel, and binding the platinum nanoparticles to the tin oxide nanotube hydrogel to form a tin oxide-platinum nanotube hydrogel. have.

다양한 실시예들에 따르면, fSWNT 하이드로젤 플랫폼은, 다공성의 3D 구조로 형성될 수 있다. According to various embodiments, the fSWNT hydrogel platform may be formed in a porous 3D structure.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 형성하는 단계는, 초임계 건조법 또는 동결 건조법 중 적어도 어느 하나를 통해, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤로 전환시키는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the forming of the multifunctional porous inorganic nanotube airgel comprises at least one of a supercritical drying method or a freeze drying method, converting the tin oxide-platinum nanotube hydrogel into a multifunctional porous inorganic nanotube airgel. conversion may be included.

다양한 실시예들에 따르면, 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계는, 상온 및 상압 하에서, fSWNT 하이드로젤 플랫폼을 염화주석(SnCl4)의 전구체용액에 담그고 교반시킴으로써, fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 산화주석 나노입자들을 결합시키는 단계를 포함할 수 있다. According to various embodiments, the forming of the tin oxide nanotube hydrogel comprises immersing the fSWNT hydrogel platform in a precursor solution of tin chloride (SnCl 4 ) and stirring at room temperature and pressure, thereby forming the tin oxide on the fSWNT hydrogel platform. It may include binding nanoparticles.

다양한 실시예들에 따르면, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계는, 상온 및 상압 하에서, 상가 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 백금(Pt) 전구체용액에 담금으로써, 백금 이온이 산화주석 나노튜브 하이드로젤의 표면에 환원되고, 따라서 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성할 수 있다. According to various embodiments, the step of forming the tin oxide-platinum nanotube hydrogel comprises immersing the additive tin oxide nanotube hydrogel in a platinum (Pt) precursor solution at room temperature and pressure, so that platinum ions are converted into tin oxide nanotubes. It can be reduced on the surface of the tube hydrogel, thus forming a tin oxide-platinum nanotube hydrogel.

다양한 실시예들에 따른 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은, 산화주석(SnO2) 나노입자들, 및 백금(Pt) 나노입자들을 포함하며, 기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel) 플랫폼을 기반으로, 산화주석 나노입자들과 백금 나노입자들을 결합 시켜 제조될 수 있다. The multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to various embodiments includes tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles, and platinum (Pt) nanoparticles, and a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized Single-Walled) Based on the Carbon Nano Tube (fSWNT) hydrogel platform, it can be manufactured by combining tin oxide nanoparticles and platinum nanoparticles.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은, fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 산화주석 나노입자들을 결합시켜, 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 형성하고, 산화주석 나노튜브하이드로젤에 백금 나노입자들을 결합시켜, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하고, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 건조시키는 것에 의해, 제조될 수 있다. According to various embodiments, the multifunctional porous inorganic nanotube airgel combines tin oxide nanoparticles on an fSWNT hydrogel platform to form a tin oxide nanotube hydrogel, and adds platinum nanoparticles to the tin oxide nanotube hydrogel. binding to form a tin oxide-platinum nanotube hydrogel, and drying the tin oxide-platinum nanotube hydrogel.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은, 초임계 건조법 또는 동결 건조법 중 적어도 어느 하나를 통해, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤로 부터 전환될 수 있다. According to various embodiments, the multifunctional porous inorganic nanotube airgel may be converted from a tin oxide-platinum nanotube hydrogel through at least one of a supercritical drying method or a freeze drying method.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은, 가스센서용 부재 또는 가스센서에 이용될 수 있다. According to various embodiments, the multifunctional porous inorganic nanotube airgel may be used as a member for a gas sensor or a gas sensor.

다양한 실시예들에 따른 가스센서는, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 이용하여, 이산화질소(NO2)를 감지하도록 구성될 수 있다. The gas sensor according to various embodiments may be configured to detect nitrogen dioxide (NO 2 ) using a multifunctional porous inorganic nanotube airgel.

다양한 실시예들에 따르면, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤이 용이하게 제조될 수 있다. 이 때 fSWNT 하이드로젤 플랫폼을 기반으로, 상온 및 상압 하에서 다기능 무기 나노입자들을 결합함으로써, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤이 제조될 수 있다. According to various embodiments, a multifunctional porous inorganic nanotube airgel can be easily prepared. At this time, based on the fSWNT hydrogel platform, by combining multifunctional inorganic nanoparticles at room temperature and pressure, a multifunctional porous inorganic nanotube airgel can be prepared.

본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.It should be understood that the various embodiments of this document and the terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and include various modifications, equivalents, and/or substitutions of the embodiments. In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like components. The singular expression may include the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this document, expressions such as “A or B”, “at least one of A and/or B”, “A, B or C” or “at least one of A, B and/or C” refer to all of the items listed together. Possible combinations may be included. Expressions such as "first", "second", "first" or "second" can modify the corresponding elements regardless of order or importance, and are used only to distinguish one element from another element. The components are not limited. When an (eg, first) component is referred to as being “connected (functionally or communicatively)” or “connected” to another (eg, second) component, that component is It may be directly connected to the component or may be connected through another component (eg, a third component).

다양한 실시예들에 따르면, 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다. According to various embodiments, each component (eg, a module or a program) of the described components may include a singular or a plurality of entities. According to various embodiments, one or more components or operations among the above-described corresponding components may be omitted, or one or more other components or operations may be added. Alternatively or additionally, a plurality of components (eg, a module or a program) may be integrated into one component. In this case, the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component among the plurality of components prior to integration. According to various embodiments, operations performed by a module, program, or other component are executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or one or more of the operations are executed in a different order, omitted, or , or one or more other operations may be added.

Claims (10)

다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤의 제조 방법에 있어서,
기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel) 플랫폼을 형성하는 단계;
상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 다기능성 무기 나노입자들을 결합시켜, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계; 및
상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤에 대한 건조를 통해, 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 나노입자들은,
산화주석(SnO2) 나노입자들과 백금(Pt) 나노입자들을 포함하고,
상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계는,
상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 상기 산화주석 나노입자들을 결합시켜, 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계; 및
상기 산화주석 나노튜브 하이드로젤에 상기 백금 나노입자들을 결합시켜, 상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
In the method for producing a multifunctional porous inorganic nanotube airgel,
Forming a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) hydrogel (hydrogel) platform;
binding multifunctional inorganic nanoparticles to the fSWNT hydrogel platform to form a tin oxide-platinum nanotube hydrogel; and
Through drying the tin oxide-platinum nanotube hydrogel, comprising the step of forming a multifunctional porous inorganic nanotube airgel,
The nanoparticles are
It contains tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles and platinum (Pt) nanoparticles,
The step of forming the tin oxide-platinum nanotube hydrogel,
binding the tin oxide nanoparticles to the fSWNT hydrogel platform to form a tin oxide nanotube hydrogel; and
binding the platinum nanoparticles to the tin oxide nanotube hydrogel to form the tin oxide-platinum nanotube hydrogel.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼은,
다공성의 3D 구조로 형성되는 방법.
According to claim 1, wherein the fSWNT hydrogel platform,
A method of being formed into a porous 3D structure.
제 1 항에 있어서, 상기 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 형성하는 단계는,
초임계 건조법 또는 동결 건조법 중 적어도 어느 하나를 통해, 상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 상기 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤로 전환시키는 단계를 포함하는 방법.
According to claim 1, wherein the step of forming the multifunctional porous inorganic nanotube airgel,
A method comprising converting the tin oxide-platinum nanotube hydrogel into the multifunctional porous inorganic nanotube airgel through at least one of a supercritical drying method or a freeze drying method.
제 1 항에 있어서, 상기 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계는,
상온 및 상압 하에서, 상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼을 염화주석(SnCl4)의 전구체용액에 담그고 교반시킴으로써, 상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 상기 산화주석 나노입자들을 결합시키는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 1, wherein the forming of the tin oxide nanotube hydrogel comprises:
A method comprising binding the tin oxide nanoparticles to the fSWNT hydrogel platform by immersing the fSWNT hydrogel platform in a precursor solution of tin chloride (SnCl 4 ) and stirring under normal temperature and pressure.
제 1 항에 있어서, 상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 단계는,
상온 및 상압 하에서, 상가 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 백금(Pt) 전구체용액에 담금으로써, 백금 이온이 상기 산화주석 나노튜브 하이드로젤의 표면에 환원되고, 따라서 상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하는 방법.
According to claim 1, wherein the step of forming the tin oxide-platinum nanotube hydrogel,
By immersing the additive tin oxide nanotube hydrogel in a platinum (Pt) precursor solution under normal temperature and pressure, platinum ions are reduced on the surface of the tin oxide nanotube hydrogel, and thus the tin oxide-platinum nanotube hydrogel is How to form.
다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤에 있어서,
산화주석(SnO2) 나노입자들; 및
백금(Pt) 나노입자들을 포함하며,
기능화된 단일벽 탄소나노튜브(OH-functionalized Single-Walled Carbon Nano Tube; fSWNT) 하이드로젤(hydrogel) 플랫폼을 기반으로, 상기 산화주석 나노입자들과 상기 백금 나노입자들을 결합시켜 제조되는 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤.
In the multifunctional porous inorganic nanotube airgel,
tin oxide (SnO 2 ) nanoparticles; and
Contains platinum (Pt) nanoparticles,
Based on a functionalized single-walled carbon nanotube (OH-functionalized single-walled carbon nanotube; fSWNT) hydrogel platform, a multifunctional porous inorganic material manufactured by combining the tin oxide nanoparticles and the platinum nanoparticles nanotube airgel.
제 7 항에 있어서, 상기 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤은,
상기 fSWNT 하이드로젤 플랫폼에 상기 산화주석 나노입자들을 결합시켜, 산화주석 나노튜브 하이드로젤을 형성하고,
상기 산화주석 나노튜브 하이드로젤에 상기 백금 나노입자들을 결합시켜, 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 형성하고,
상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤을 건조시키는 것에 의해, 제조되는 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤.
The method of claim 7, wherein the multifunctional porous inorganic nanotube airgel,
By binding the tin oxide nanoparticles to the fSWNT hydrogel platform to form a tin oxide nanotube hydrogel,
By binding the platinum nanoparticles to the tin oxide nanotube hydrogel, to form a tin oxide-platinum nanotube hydrogel,
A multifunctional porous inorganic nanotube airgel produced by drying the tin oxide-platinum nanotube hydrogel.
제 8 항에 있어서,
초임계 건조법 또는 동결 건조법 중 적어도 어느 하나를 통해, 상기 산화주석-백금 나노튜브 하이드로젤로부터 전환되는 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤.
9. The method of claim 8,
A multifunctional porous inorganic nanotube airgel converted from the tin oxide-platinum nanotube hydrogel through at least one of a supercritical drying method or a freeze drying method.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 다기능성 다공성 무기나노튜브 에어로젤을 이용하여, 이산화질소(NO2)를 감지하도록 구성되는 가스센서. Using the multifunctional porous inorganic nanotube airgel according to any one of claims 7 to 9, a gas sensor configured to detect nitrogen dioxide (NO 2 ).
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US20140127490A1 (en) * 2011-04-04 2014-05-08 Carnegie Mellon University Carbon nanotube aerogels, composites including the same, and devices formed therefrom
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Sensors and Actuators B 210 (2015) 742-747* *

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