화학환원법을 이용한 철 나노입자의 합성

Theories and Application of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

서원식, 이수한, 송기창

건양대학교 화학공학과

Synthesis of Iron Nanoparticles by Chemical Reduction Method

Won Sik Seo, Su Han Lee, Ki Chang Song

Department of Chemical Engineering, Konyang University

서론

21세기 핵심산업으로 일컬어지는 나노, 정보통신, 생명공학 및 환경 친화적 화학 산업의 발전은 여러 학문간 제휴 및 기술산업간의 교류를 통하여 새로운 전기를 마련하고 있다. 이에 신화학 개념을 근간으로 출범한 21세기 산업의 발전은 향후 생물학분야, 의학분야, 재료공학분야, 생명공학기술분야, 나노기술분야 등의 발전에 큰 기여를 할것으로 전망된다. 나노 기술의 발전을 위해서는, 특히 화학관련 분야에서 새로운 나노 물질을 합성하고 그 특성을 응용하는 연구가 활성화 되어야 할 것이다 [1]. 입자의 크기가 나노미터의 크기까지 작아져 나노 입자가 되면 입자의 총 에너지, 표면에너지, 체적에 대한 표면적의 비율이 커져 입자의 물성이 크게 향상되어지는 것을 볼 수 있다.

Fe 분말은 금속재료나 의학분야, 촉매분야, 요업공업, 환경분야 등 사회 전반의 여러 분야에 널리 사용되고 있다 [2]. 또한 Fe 입자는 자기 기록 장치나 자기 유동체에 많이 쓰이고 있는데, 이중 자기 유동체는 밀폐된 공간에서의 넓은 충격 흡수 역할을 하거나 의학장비, 음향조정, 광 디스 플레이, 마이크로파 흡수재료로 사용된다. 이러한 용도로 사용되는 Fe 분말의 성능을 향상시키기 위해서는 분말의 크기를 나노입자화 하여야 한다. 현재 산업적으로 사용되는 Fe 입자는 주로 광석을 분쇄하여 만든 10□이상 크기의 분말이 사용되고 있다. 본 연구에서는 FeCl3를 출발물질로 사용하여 화학환원법을 이용해 1□이하 크기의 Fe 나노 입자를 제조한 내용을 보고하고자 한다.

실험

본실험에서는 출발물질로 FeCl3·6H2O(Aldrich, 98%)시약을 사용하였고 환원제로서 NaBH4(Aldrich, 98%)를 사용하였다. 일정량의 FeCl3·6H2O와 NaBH4에 증류수를 가하여 0.1M, 0.3M의 수용액을 각각 제조하였다. 제조된 FeCl3·6H2O수용액에 NaBH4수용액을 서서히 첨가시키면 FeCl3·6H2O수용액 안에서 환원반응이 진행되면서 Fe침전물이 생성되게 된다. 생성된 Fe 침전물 용액을 8500rpm에서 15분간 원심분리를 시켜서 침전물을 얻었고, 얻어진 침전물에 함유된 불순물을 제거하기 위하여 일정량의 증류수를 첨가하여 4회 세척을 하였다. 세척된 분말을 100℃의 건조 오븐에서 건조시킨 후 막자사발로 분쇄하여 미분말을 제조하였다.

분말이 합성되는 과정을 pH곡선을 이용해 살펴보았고, 건조된 분말의 기공특성을 보기 위하여 BET흡착법을 사용하였다. 또한 입자의 형상과 분포상태를 Scanning electron microscopy(SEM)과 Transmission electron microscopy(TEM)을 사용해 측정하였다.

화학공학의 이론과 응용 제 8권 제1호 2002년

결과 및 토론

FeCl3수용액에 환원제인 NaBH4를 첨가시 다음과 같은 환원반응에 의해 Fe 입자가 생성되게 된다 [3].

Fe(H2O)63++3BH4-+3H2O□→ FeO↓+3B(OH)3+10.5H2

Fig.1은 FeCl3·6H2O수용액에 NaBH4수용액을 10□단위로 첨가시 NaBH4첨가량의 증가에 따른 FeCl3·6H2O수용액의 pH를 나타낸 것으로 초기의 pH는 약간 떨어지다가 점점 증가하였고 pH2에서부터 빠른 속도로 pH6까지 증가하였고 이후 다시 pH7에서부터 pH9까지 증가한 뒤 서서히 평형을 이루는 것을 알 수 있다. 본 연구에서 pH변화가 분말의 특성에 미치는 영향을 보기 위해서 첫 반응이 끝난 상태인 NaBH4첨가량이 100□인 경우와 두 번째 반응이 끝난 200□ 그리고 환원반응이 끝나 평형을 이룬 300□의 세 조건에서 분말을 각각 제조하였다. Fig.2는 Fig.1의 세 조건에서 각각 제조된 분말의 형상 및 크기를 나타내는 SEM사진이다. 세 경우 모두 대체적으로 분말끼리의 응집이 많이 일어난 것을 알 수 있고 입자의 형상이 구형인 것을 확인할 수 있었으며 입자의 크기는 대략적으로 0.2□로 추정되었으나, NaBH4의 첨가량에 따른 뚜렷한 변화는 보이지 않았다. Fig.3은 NaBH4가 200□ 첨가되었을 때 제조된 분말의 TEM을 측정한 사진으로 입자의 크기가 약 10nm 정도인 것을 볼 수 있다. Fig.4는 Fig.1의 세가지 조건으로 제조된 분말의 비표면적을 나타낸 그림으로 NaBH4수용액의 첨가량이 100□, 300□일 때보다 200□첨가된 분말의 비표면적이 높은 것을 볼 수 있다.  전체적으로 화학적 방법으로 합성된 분말의 비표면적은 25∼41m2/g으로 기존의 광석을 분쇄하여 제조된 분말의 비표면적 측정결과인 0.9m2/g보다 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 이러한 사실은 화학환원법으로 합성된 분말의 크기가 기존의 광석을 분쇄하여 제조된 분말의 크기보다 훨씬 작음을 의미한다.

화학공학의 이론과 응용 제 8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol.8, No.1

화학공학의 이론과 응용 제 8권 제1호 2002년

Theories and Application of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

참고문헌

1. Dong Woo Shin, Bub Jin Kim, Yong Tae Kim, Prospectives of Industrial Chemistry, 4(6),    18 (2001).

2. E. Bermejo, T. Becue, C. Lacour and M. Quarton, Powder Technology, 94(1), 29 (1997).   3. Chuan-Bao Wong, Wei-Xian Zhang, Environmental&Technology, 31(7), 2154 (1997).

Fig.1 Variation of pH curve of the FeCl3 solution as a function of

the amount of NaBH4 solution.

Fig.2 SEM images of iron powders prepared with different amounts of NaBH4 solution.

a)100□, b)200□, c)300□

Fig.3 TEM image of iron powder prepared at the condition of NaBH4 200□.

Fig.4 BET curve of iron powders prepared with different amounts of NaBH4 solution.