1. 서 론
금속 나노입자는 양자 사이즈 효과, 광학적 특성 및 전자 특성 때문 에 광학, 광전자 공학, 촉매, 나노 구조 제조 및 화학⋅생화학 센서 등 의 영역에서 오랫동안 광범위하게 연구되었다[1-9]. 특히 금속 나노입 자는 Fermi potential이 높기 때문에 활성이 높은 촉매로 쓰일 수 있다 [10]. 금속 나노입자는 hydrogenation, hydroformylation, carbonylation, redox 반응 등에 높은 촉매 활성을 보이며[11-16], 그 중에서도 금과 은 나노입자는 다양한 산화환원 반응의 촉매로 사용되었다[17-19].
촉매로 이용하는 금속 나노입자의 크기와 형상을 제어하기 위해서 colloidal synthesis, 예를 들어 polyol method를 많이 사용하고 있다 [20,21]. Colloidal synthesis는 다른 합성법에 비해 환원제, capping agent, shape directing agent 등의 양을 쉽게 조절할 수 있는 장점과 나노입자 합성 속도와 수율이 높은 장점이 있다[22-24]. 하지만 이렇 게 합성된 나노입자의 표면은 capping agent, shape directing agent 등 이 흡착되어 있다. 따라서 나노입자 표면의 active site에 합성에 사용 된 capping agent와 shape directing agent가 surface poisoning을 일으 켜 촉매로 이용할 경우 촉매의 특성이 낮아질 수 있다. Capping agent 가 없는 나노입자는 높은 표면장력으로 가지므로 표면적을 줄이기 위 해 응집해 큰 입자를 형성한다[25-28]. 따라서 colloidal synthesis로는 surface poisoning이 거의 없는 나노입자 합성하기 어렵다. 또한 최근 나노입자 합성에서 합성에 이용하는 유해폐기물을 줄이려는 세계적 노력으로 green chemistry 또는 green chemical process가 과학과 산업 분야에서 대두되고 있어 적은 양의 첨가제를 이용하여 합성하는 방법 에 대한 연구가 필요하다[29]. 이 연구에서는 surface poisoning이 거 의 없는 방법으로 colloidal 나노입자를 합성하고 이러한 나노입자의 촉매 특성을 확인하기 위해 resazurin 산화환원 반응을 수행하였다. 전 통적인 colloidal synthesis로 합성된 금 나노입자의 경우에서는 상온에 서 반응이 진행되고 반응 메커니즘이 연구되었지만[30] 은 나노입자 에서는 활성이 낮아 photocatalysis를 통해 반응시켰다[31]. 개발된 합 성법은 결정화 기술을 이용하는 것으로 환원제인 단당류와 이당류를 소량 이용하고 capping agent 없이 colloidal 나노입자를 합성하는 방 법이다. 이 방법으로 합성된 나노입자는 surface poisoning이 적기 때 문에 은 나노입자 resazurin의 redox 반응에 이용할 수 있으며 이 반응 을 수행하고 메커니즘을 확인하였다. 이 반응 실험으로 은 나노입자 에 대한 resazurin redox 반응의 반응차수, 반응속도 상수(k)와 활성화 에너지(Ea)를 확인하였다.
2. 실 험
2.1. Materials
Silver (I)nitrate (AgNO3, 99.9999% trace material base), resazurin sodium salt, hydroxylamine solution (50 wt% in H2O)을 Sigma Aldrich 에서 구매하였다. Potassium nitrate (KNO3, assay 99.0%), dextrose (98.0%), D (-)-fructose (98.0%), lactose monohydrate를 대정화금에서 구입하였다. Maltose monohydrate (99.0%), D (+)-sucrose를 Junsei에 서, D (+)-galactose (98.0%)를 Wako에서 각각 구입하였다.
2.2. Synthesis of Ag nanoparticles
AgNO3 (13.38 mM) 수용액과 환원제로 사용하는 단당류와 이당류 수용액을 AgNO3 수용액 농도의 2배인 26.76 mM 농도로 제조하였다. AgNO3 수용액 0.6 mL와 saccharide 수용액 0.6 mL를 혼합한 용액을 KNO3 (3.21 M) 수용액에 첨가하였다. 이렇게 만들어진 용액을 액체질 소를 이용해 급속냉각을 한 다음 동결건조기를 통해 18 h 건조시켰다. 아세톤을 이용해 결정을 세척하고 오븐에서 50 ℃로 12 h 동안 건조 시켰다. 그 후 전기로에서 200 ℃에서 2 h 동안 thermal reduction을 시켰다.
2.3. Catalysis using Ag nanoparticles
Resazurin (256 μM) 4 mL와 hydroxylamine (640 mM) 4 mL, 은 나 노입자(표면 원자 농도 0.158 mM) 0.4 mL를 준비하였다. 촉매의 혼 합물이 든 반응기를 60, 70, 80, 90 ℃으로 유지된 oil bath를 이용해 redox 반응을 진행하였다. 매 10 min 간격으로 UV-vis를 통해 반응물 의 농도를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. Characterization of Ag nanoparticles
Figure 1은 각각의 사용된 환원제에 따라 합성된 은 나노입자의 XRD 패턴이다. XRD 결과는 은의 111, 200, 220 면과 일치하는 2θ 값을 얻었고 따라서 합성된 나노입자는 순수한 금속성 은 입자가 합성되었 다는 것을 알 수 있다. Scherrer equation[32,33]을 통해 결정의 크기를 추측할 수 있으며 그 크기는 Table 1에 요약되어 있다. Scherrer equation을 통해 구해진 나노입자의 크기는 단당류를 환원제로 합성하였 을 경우의 나노입자의 크기(10~25 nm)는 이당류를 환원제로 하여 합 성하였을 경우에는 나노입자의 크기(6~11 nm)에 비해 클 것으로 예측 된다.
Figure 2는 단당류와 이당류를 환원제로 이용하여 합성한 은 나노 입자의 TEM 이미지를 보여준다. 단당류의 경우 Figure 2(a~c)에서와 같이 dextrose, galactose, fructose의 크기는 각각 12.5 ± 4.0, 12.6 ± 3.5, 13.3 ± 4.5 nm이다. 이당류의 경우에는 maltose, sucrose, lactose에 서 각각 10.4 ± 4.1, 10.5 ± 3.5, 11.7 ± 4.3nm의 size의 나노입자가 합 성되었다[Figure 2(d~f)]. Figure 1에서 XRD를 통한 결정크기의 경향 성과 마찬가지로 이당류를 환원제로 이용했을 때 은 나노입자의 크기 가 작다는 것이 확인되었다. 또한 Figure 2를 보면 가우시안 분포를 보이고 있으며, 단당류를 환원제로 사용하였을 경우 물질에 관계없이 은 나노입자가 ~12.8 nm로 비슷한 크기를 가진다, 이당류에서도 환원 제에 관계없이 ~10.9 nm 크기로 은 나노입자가 합성된다. 이 결과는 은 나노입자 합성에 있어 saccharide를 환원제로 사용할 때 saccharide 의 free aldehyde group 또는 free ketone group이 비슷하게 silver ion 을 환원시키지만 큰 분자량을 가지는 이당류가 capping을 더 잘 하는 것으로 보인다. Figure 3에서는 합성된 은 나노입자를 UV-vis spectroscopy를 사용하여 흡수파장을 측정하였고 단당류와 이당류의 peak의 위치가 구분된다. 단당류인 dextrose, fructose와 galactose의 흡수파장 의 peak을 관찰했을 때 각각 405.5, 401.5, 405.5 nm 흡수 peak이 관찰 되었다. 이당류인 lactose, maltose 그리고 sucrose의 흡수 peak이 각각 416.0, 417.0, 416.0 nm로 비슷한 값을 가지는 것이 관찰되었다. UV-vis spectroscopy에서도 단당류와 이당류를 환원제로 사용했을 때는 물질 과 관계없이 각각 비슷한 흡수 peak을 보인다. 하지만 이당류를 환원 제로 사용하였을 경우 단당류를 사용하였을 때에 비해 흡수 peak이 더 크게 측정되었다. 일반적으로 흡수 peak은 입자의 크기가 증가할 수록 red-shift한다. 하지만 TEM에서 분석한 크기를 보았을 때 이당류 로 합성한 은 나노입자가 더 작은 wavelength에서 peak이 나와야 하지 만 주변 환경, 즉 용매, 리간드에 따라서 흡수 peak이 shift 할 수 있다 [34]. 따라서 단당류와 이당류에서 각 그룹에서는 크기가 증가함에 따 라 흡수 파장이 red-shift하는 것을 보이며 순수하게 나노입자 크기에 따라 흡수 파장이 증가하지는 않았다.
3.2. Catalysis of resazurin redox reaction using Ag NPs
합성된 은 나노입자는 용매, 환원제, capping agent의 양이 colloidal 합성법을 통합 나노입자 합성에 비해 상대적으로 적기 때문에 surface poisoning이 낮아 높은 촉매활성을 기대할 수 있다. 따라서 photocatalysis가 아닌 방법을 통해 산화환원 촉매 반응을 시행하였다. 여러 환원제를 이용하여 나노입자를 합성하고 입자의 크기도 이에 따라 달 라졌기 때문에 촉매의 무게가 아닌 표면의 은 원자의 수를 동일하게 하였다. TEM을 통해 얻은 입자의 크기로 particle당 원자의 수를 구하 고 표면에 있는 원자를 계산하여, 표면에 있는 은 원자의 농도를 계산 하였다. 모든 입자의 모양을 구형이라고 가정을 하고 난 후에 평균 크 기를 기반으로 하여 입자당 Ag atom의 수를 계산한 후 표면에 있는 atom의 수를 계산하여 표면 농도를 구하였다. 그리고 Ag의 표면 원자 농도를 같은 값(0.158 mM)으로 맞춘 후 산화환원반응을 진행하였다. Resazurin의 산화환원반응을 진행하여 10 min 간격으로 UV-vis spectroscopy를 통해 resazurin의 peak의 변화를 관찰하였다. Figure 4에서 알 수 있듯이 resazurin의 peak은 601.0 nm에서 나타나고 반응이 진행 됨에 따라 감소했다. 반면, 583.0 nm에서 resorufin의 peak이 증가하였 다. Resazurin (256 μM)이 과량의 hydroxylamine (640 mM)과 촉매반 응을 진행하였다. Figures 4~7을 보면 단당류인 dextrose, fructose galactose를 이용하여 합성한 은 나노입자를 촉매로 한 반응은 이당류인 lactose, maltose, sucrose를 이용하여 합성한 은 나노입자를 촉매로 한 반응에 비해 반응 속도가 느렸다. 그리고 반응온도를 60, 70, 80, 90 ℃로 증가할수록 반응 속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 온도가 증가 함에 따라 단당류로 합성한 은 나노입자의 촉매의 경우 반응속도 증 가율이 작고, 이당류로 합성한 은 나노입자를 사용하여 반응을 했을 때, 반응속도 증가율이 큰 것이 관찰되었다. 은 나노입자 촉매에 resazurin의 산화환원 반응은 알려져 있지 않아 적분법을 통해 그 메커 니즘을 확인하였다. 은 나노입자 촉매를 이용한 resazurin 산화환원반 응 메커니즘 다음과 같은 가정을 통해 구할 수 있다. 첫째로 resazurin 을 resorufin으로의 산화환원 반응 실험은 수용액 상에서 진행되므로 정적 회분식 반응이다. 둘째로 resazurin에서 resorufin 으로의 산화환 원반응은 전환율이 거의 100%이므로 역반응은 무시한다. 셋째로 hydroxylamine은 과량을 사용하고 은 나노입자 촉매의 양을 고정하여 산 화환원반응은 resazurin의 농도에만 의존한다. 이 가정으로 산화환원 반응은 다음과 같이 설정할 수 있다.
여기서 은 resazurin의 농도, 는 관측반응속도상수, n은 반응 차수이다.
식 (1)을 바탕으로 적분법을 통해서 시간에 따른 농도 결과를 선형 화 하여 반응의 차수를 구하였다. 반응 차수에 대해 0~2차까지 적용 하였고 농도에 따른 선형화된 식은 다음과 같다.
0차 반응속도식을 따르면 식 (2)와 같이 y축을 농도, x축을 시간으 로 도식할 때 기울기가 k값이고 절편은 초기 resazurin의 농도( )로 나타난다.
1차 반응속도식을 따르면 y축을 , x축을 시간으로 도식 하였을 때 기울기, 를 구할 수 있다.
2차 반응속도식을 따르면 y축을 x축을 시간으로 도식하 였을 때 기울기로 를 구할 수 있다. 식 (2)~(4)를 이용하여 반응 차 수를 확인하였다. Figure 8은 다양한 환원제를 이용해 합성한 은 나노 입자의 촉매 반응에 대한 0~2차반응의 선형화 그래프이다. 0차와 1차 에 대한 그래프는 선형의 모습이 아닌 곡선의 모습을 보이고 있고, 2 차반응의 선형화 그래프에서 직선 형태로 잘 나타나는 것을 알 수 있다. 이를 통해 resazurin에서 resorufin의 환원반응이 2차반응인 것을 확인 할 수 있다. 반응 속도상수, 는 Table 2에 요약되어 있다. 온도가 60 ℃에서 90 ℃로 증가할 때 단당류인 dextrose, fructose, galactose를 환원제로 사용하였을 때의 반응속도상수는 각각 약 5에서 600, 12에 서 350, 18에서 400으로 120, 30, 20배 증가하였다. 이당류의 경우에 는 lactose, maltose, sucrose를 사용하였을 때 온도에 따라 약 23에서 2200, 22에서 2700, 28에서 2230으로 약 100, 120, 80배 증가하였다. 단당류를 환원제로 사용하였을 때는 이당류를 사용하였을 때보다 합 성된 은 나노입자의 resazurin redox 반응에 대한 온도 의존성이 낮으 며 물질에 따라 그 차이가 크다. Arrhenius plot을 이용해 온도 의존성 을 정량적으로 확인하였다.
Figure 9는 은 나노입자를 이용한 resazurin redox 반응의 Arrhenius plot이며 이로부터 pre-exponential factor와 activation energy를 얻을 수 있다. 은 나노입자 합성에서 환원제에 따른 pre-exponential factor 와 activation energy는 Table 3에 요약되어 있다. 환원제가 단당류일 경우 activation energy의 크기순서는 dextrose (173.8 kJ/mol) > fructose (138.7 kJ/mol) > galactose (96.6 kJ/mol)로 온도 의존성이 가장 낮은 galactose가 가장 작은 activation energy를 가지는 것을 확인하였 다. 이당류를 환원제로 이용할 경우에는 lactose (164.5 kJ/mol), maltose (171.3 kJ/mol), sucrose (156.5 kJ/mol)로 비슷한 크기의 activation energy를 가지며 단당류를 이용하였을 때보다 값이 크다.
4. 결 론
KNO3의 결정화를 이용해 은 나노입자를 합성하였다. Colloidal 나 노입자 합성법과 다르게 소량의 환원제를 사용하여 금속 나노입자를 합성할 수 있었다. 환원제로 단당류(dextrose, galactose, fructose)와 이 당류(lactose, maltose, sucrose)를 사용하였다. 같은 합성조건에서 단당 류를 환원제로 사용했을 때의 나노입자의 크기는 약 12~13 nm이고 이당류를 이용하였을 때에는 약 10~12 nm로 이당류를 사용하였을 때 더 작은 크기의 나노입자를 얻을 수 있다. 이것은 환원제이자 capping agent로 사용되는 saccharide 중 이당류가 비슷한 aldehyde 또는 ketone의 양에 비해 capping 능력이 뛰어난 것으로 보인다. 이 합성법으 로 합성된 나노입자는 surface poisoning이 거의 없어 합성된 입자를 세척 후 촉매로 이용할 수 있고 촉매특성을 확인하기 위해 resazurin의 redox 반응을 통해 확인하였다. 은 나노입자에 대한 resazurin의 redox 환원 반응은 resazurin에 대한 2차 반응속도식을 따른다. 단당류를 환 원제로 합성한 은 나노입자를 촉매로 사용했을 때는 입자의 크기가 비 슷하지만 activation 에너지가 dextrose, galactose, fructose에 대해 각각 173.8, 138.7, 96.6 kJ/mol로 서로 다른 값을 가진다. 반면 이당류를 환 원제로 합성한 은 나노입자를 촉매로 사용하였을 경우 입자의 크기가 유사할 때 activation energy도 약 160 kJ/mol 로 비슷한 값을 가진다.
