[논문]Fe- 및 Co-질산염을 이용한 Fe-50 wt% Co 나노분말의 합성 및 특성 평가

류도형; 오승탁

doi:10.3740/mrsk.2010.20.10.508

Fe- 및 Co-질산염을 이용한 Fe-50 wt% Co 나노분말의 합성 및 특성 평가
Fabrication and Characterization of Nano-sized Fe-50 wt% Co Powder from Fe- and Co-nitrate 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.20 no.10, 2010년, pp.508 - 512

류도형 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 오승탁 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The optimum route to fabricate nano-sized Fe-50 wt% Co and hydrogen-reduction behavior of calcined Fe-/Conitrate was investigated. The powder mixture of metal oxides was prepared by solution mixing and calcination of Fe-/Co-nitrate. A DTA-TG and microstructural analysis revealed that the nitrates mixture by the calcination at $300^{\circ}C$ for 2 h was changed to Fe-oxide/$Co_3O_4$ composite powders with an average particle size of 100 nm. The reduction behavior of the calcined powders was analyzed by DTA-TG in a hydrogen atmosphere. The composite powders of Fe-oxide and Co3O4 changed to a Fe-Co phase with an average particle size of 40 nm in the temperature range of $260-420^{\circ}C$. In the TG analysis, a two-step reduction process relating to the presence of Fe3O4 and a CoO phase as the intermediate phase was observed. The hydrogen-reduction kinetics of the Fe-oxide/Co3O4 composite powders was evaluated by the amount of peak shift with heating rates in TG. The activation energies for the reduction, estimated by the slope of the Kissinger plot, were 96 kJ/mol in the peak temperature range of $231-297^{\circ}C$ and 83 kJ/mol of $290-390^{\circ}C$, respectively. The reported activation energy of 70.4-94.4 kJ/mol for the reduction of Fe- and Co-oxides is in reasonable agreement with the measured value in this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Fe- 및 Co-질산염을 원료분말로하여, slurry혼합, 하소 및 수소환원으로 나노크기의 Fe50 wt% Co분말을 합성하고자 하였다. DTA-TG를 이용한 열분석을 통하여 최적의 하소 및 수소환원 온도를 결정하고 환원거동과 미세조직을 정량적으로 분석하여 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다. 또한 다양한 승온속도를 적용한 TG 분석을 통하여 수소환원 거동을 속도론적 관점에서 해석하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 Fe- 및 Co-질산염을 원료분말로하여, slurry혼합, 하소 및 수소환원으로 나노크기의 Fe50 wt% Co분말을 합성하고자 하였다. DTA-TG를 이용한 열분석을 통하여 최적의 하소 및 수소환원 온도를 결정하고 환원거동과 미세조직을 정량적으로 분석하여 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다.
DTA-TG를 이용한 열분석을 통하여 최적의 하소 및 수소환원 온도를 결정하고 환원거동과 미세조직을 정량적으로 분석하여 최적의 공정조건을 제시하고자 하였다. 또한 다양한 승온속도를 적용한 TG 분석을 통하여 수소환원 거동을 속도론적 관점에서 해석하고자 하였다.
본 연구에서는 Fe- 및 Co-질산염 원료분말의 하소 및 수소환원 공정으로 나노크기의 Fe-50 wt% Co분말을 합성하기 위한 최적의 공정조건을 제시하고 수소환원 거동을 정량적으로 해석하고자 하였다. DTA-TG 분석을 통하여 하소조건을 결정하였으며, 원료분말은 300℃에서 2시간 동안의 하소처리로 약 100 nm크기의 Fe-oxide/Co₃O₄복합분말로 제조할 수 있었다.

제안 방법

하소한 분말의 수소환원 거동은 TG를 이용하여 수소분위기에서 각각 1, 5, 10, 20℃/min의 승온속도로 가열하며 중량변화를 측정하여 해석하였으며, 수소환원의 활성화에너지는 Kissinger방법을 이용하여 계산하였다.⁹⁾ 하소 및 수소환원 한 혼합분말의 미세조직 분석은 XRD와 SEM 및 TEM을 이용하여 행하였다.
Fe-oxide/Co₃O₄ 복합분말의 수소환원 거동을 정량적으로 해석하기 위하여 승온속도에 따른 TG 거동을 분석하였다. Fig.
수소환원 공정에 따른 상 변화를 확인하기 위하여 400℃ 및 600℃에서 30분 동안 환원 처리한 Fe-oxide/Co₃O₄ 복합분말의 XRD 분석을 행하였다. Fig.
원료분말의 하소조건을 결정하기 위하여 DTA-TG 분석을 수행하였다. Fig.
, Japan)을 원료분말로 사용하였다. 최종조성이 Fe-50 wt% Co가 되도록 금속질산염을 칭량하여 증류수에 충분히 용해한 후 이를 건조하여 혼합도가 높고 미세한 혼합분말로 제조하였다. 혼합분말의 하소조건을 결정하기 위하여 DTA(differential thermal analysis) - TG (thermogravimetry) 분석을 실시하였고, 이러한 분석결과를 바탕으로 300℃, 대기 중에서 2시간 동안 하소하였다.
400℃에서 30분 동안 환원 처리한 Fe-oxide/Co₃O₄복합분말은 Fe-Co 합금상으로만 존재하며 평균입자크기는 40 nm를 나타내었다. 하소한 복합분말의 수소환원 거동은 승온속도에 따른 TG 거동을 분석하여 평가하였다. Kissinger 식으로 계산한 수소환원 반응의 활성화 에너지는 96 kJ/mol 및 83 kJ/mol이며, 이는 기존에 보고된 Fe- 및 Co-산화물의 수소환원에 관한 값과 유사한 경향을 나타내었다.
최종조성이 Fe-50 wt% Co가 되도록 금속질산염을 칭량하여 증류수에 충분히 용해한 후 이를 건조하여 혼합도가 높고 미세한 혼합분말로 제조하였다. 혼합분말의 하소조건을 결정하기 위하여 DTA(differential thermal analysis) - TG (thermogravimetry) 분석을 실시하였고, 이러한 분석결과를 바탕으로 300℃, 대기 중에서 2시간 동안 하소하였다. 하소한 분말의 수소환원 거동은 TG를 이용하여 수소분위기에서 각각 1, 5, 10, 20℃/min의 승온속도로 가열하며 중량변화를 측정하여 해석하였으며, 수소환원의 활성화에너지는 Kissinger방법을 이용하여 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fe- 및 Co-질산염 원료분말의 하소 및 수소환원 공정으로 나노크기의 Fe-50 wt% Co분말을 합성하기 위한 최적의 공정조건을 제시하고 수소환원 거동을 정량적으로 해석하고자 하였다. DTA-TG 분석을 통하여 하소조건을 결정하였으며, 원료분말은 300℃에서 2시간 동안의 하소처리로 약 100 nm크기의 Fe-oxide/Co₃O₄복합분말로 제조할 수 있었다. 수소분위기에서의 TG분석으로 복합분말은 약 260℃에서 420℃ 사이에서 환원이 일어나며, 환원 중 중간상의 형성 때문에 2단계의 과정을 거쳐 최종적으로 금속으로 변환됨을 확인하였다.
본 연구에서는 Fe-nitrate (Fe(NO3)3·9H2O)와 Co-nitrate(Co(NO3)2·6H2O) (High Purity Chemetals Lab., Japan)을 원료분말로 사용하였다.

이론/모형

혼합분말의 하소조건을 결정하기 위하여 DTA(differential thermal analysis) - TG (thermogravimetry) 분석을 실시하였고, 이러한 분석결과를 바탕으로 300℃, 대기 중에서 2시간 동안 하소하였다. 하소한 분말의 수소환원 거동은 TG를 이용하여 수소분위기에서 각각 1, 5, 10, 20℃/min의 승온속도로 가열하며 중량변화를 측정하여 해석하였으며, 수소환원의 활성화에너지는 Kissinger방법을 이용하여 계산하였다.⁹⁾ 하소 및 수소환원 한 혼합분말의 미세조직 분석은 XRD와 SEM 및 TEM을 이용하여 행하였다.

성능/효과

한편, 1차 미분곡선에서도 2개의 무게감소 피크가 뚜렷이 관찰되며 이는 각 금속산화물의 단계환원 때문으로 설명할 수 있다. 따라서 본 실험조건에서 Fe-oxide/Co₃O₄ 복합분말의 수소환원반응 시작온도는 260℃이며, 420℃에서 금속으로의 환원반응이 종료된다고 결론지을 수 있다.
6은 400℃에서 환원한 Fe-Co 분말의 TEM 미세조직사진으로서 약 40 nm 크기의 입자가 응집체를 형성하며 존재함을 알 수 있다. 따라서, 본 연구결과는 금속질산염의 하소 및 수소환원 공정을 이용하여 나노크기를 갖는 Fe50 wt% Co 분말을 성공적으로 제조할 수 있음을 나타낸다.
DTA-TG 분석을 통하여 하소조건을 결정하였으며, 원료분말은 300℃에서 2시간 동안의 하소처리로 약 100 nm크기의 Fe-oxide/Co₃O₄복합분말로 제조할 수 있었다. 수소분위기에서의 TG분석으로 복합분말은 약 260℃에서 420℃ 사이에서 환원이 일어나며, 환원 중 중간상의 형성 때문에 2단계의 과정을 거쳐 최종적으로 금속으로 변환됨을 확인하였다. 400℃에서 30분 동안 환원 처리한 Fe-oxide/Co₃O₄복합분말은 Fe-Co 합금상으로만 존재하며 평균입자크기는 40 nm를 나타내었다.

후속연구

^10-12,14)Lin 등의 연구결과에 의하면 Fe₂O₃ 및 Fe₃O₄의 최대 환원반응 온도는 각각 326^oC 및 450^oC이며, Co₃O₄및 CoO의 온도는 각각 299^oC 및 366^oC이다. 따라서 본 연구에서 계산한 활성화 에너지 값은 기존에 보고된 Fe- 및 Co산화물의 수소환원에 관한 값과 유사한 경향을 보이고 있으나, 명확한 환원거동의 설명을 위해서는 단계별 반응의 환원기구 및 복합분말에서의 환원기구에 대한 후속연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노구조를 갖는 분말을 제조하는 방법은 어떤 것이 있는가?	나노구조를 갖는 분말의 제조방법으로는 기계적합금화법(mechanical alloying), 화학기상응축법 (chemical vapor condensation) 및 전착 (electrodeposion) 등이 있다.5-6) 기계적합금화법은 미세한 분말제조와 대량생산을 할 수 있다는 장점이 있으나 제조과정 중에 혼입되는 불순물의 제어에 어려움이 있고, 화학기상응축법 및 전착 등은 제조 비용이 비싼 단점 등이 있다.
	수소환원공정을 거쳐 나노크기의 분말로 제조하는 화학적 합성법은 무엇을 출발원료로 하는가?	5-6) 기계적합금화법은 미세한 분말제조와 대량생산을 할 수 있다는 장점이 있으나 제조과정 중에 혼입되는 불순물의 제어에 어려움이 있고, 화학기상응축법 및 전착 등은 제조 비용이 비싼 단점 등이 있다. 따라서 최근에는 금속염화물 이나 금속질화물을 출발원료로 하여 수소환원 공정을 거쳐 나노크기의 분말로 제조하는 화학적 합성법에 관한 연구들이 진행되고 있다.7-8) 그러나 요구되는 자성특성을 구현하기 위해서는 입자크기 및 반응상 등의 정밀한 제어가 필요하며 이는 합성거동에 대한 정량적인 해석과 공정의 최적화에 관한 연구를 통하여 이루어질 수 있다.
	나노구조를 갖는 분말을 제조하는 방법으로 기계적합금화법의 한계점은?	나노구조를 갖는 분말의 제조방법으로는 기계적합금화법(mechanical alloying), 화학기상응축법 (chemical vapor condensation) 및 전착 (electrodeposion) 등이 있다.5-6) 기계적합금화법은 미세한 분말제조와 대량생산을 할 수 있다는 장점이 있으나 제조과정 중에 혼입되는 불순물의 제어에 어려움이 있고, 화학기상응축법 및 전착 등은 제조 비용이 비싼 단점 등이 있다. 따라서 최근에는 금속염화물 이나 금속질화물을 출발원료로 하여 수소환원 공정을 거쳐 나노크기의 분말로 제조하는 화학적 합성법에 관한 연구들이 진행되고 있다.

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M. V. C. Sastri, R. P. Viswanath, B. Viswanathan, Int. J.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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