Layered-double hydroxide (LDH)-based nanostructures offer the two-fold advantage of being active catalysts with incredibly large specific surface areas. As such, they have been studied extensively over the last decade and applied in roles as diverse as light source, catalyst, energy storage mechanis...
Layered-double hydroxide (LDH)-based nanostructures offer the two-fold advantage of being active catalysts with incredibly large specific surface areas. As such, they have been studied extensively over the last decade and applied in roles as diverse as light source, catalyst, energy storage mechanism, absorber, and anion exchanger. They exhibit a unique lamellar structure consisting of a wide variety of combinations of metal cations and various anions, which determine their physical and chemical performances, and make them a popular research topic. Many reviewed papers deal with these unique properties, synthetic methods, and applications. Most of them, however, are focused on the form-factor of nanopowder, as well as on the control of morphologies via one-step synthetic methods. LDH nanostructures need to be easy to control and fabricate on rigid substrates such as metals, semiconductors, oxides, and insulators, to facilitate more viable applications of these nanostructures to various solid-state devices. In this review, we explore ways to grow and control the various LDH nanostructures on rigid substrates.
Layered-double hydroxide (LDH)-based nanostructures offer the two-fold advantage of being active catalysts with incredibly large specific surface areas. As such, they have been studied extensively over the last decade and applied in roles as diverse as light source, catalyst, energy storage mechanism, absorber, and anion exchanger. They exhibit a unique lamellar structure consisting of a wide variety of combinations of metal cations and various anions, which determine their physical and chemical performances, and make them a popular research topic. Many reviewed papers deal with these unique properties, synthetic methods, and applications. Most of them, however, are focused on the form-factor of nanopowder, as well as on the control of morphologies via one-step synthetic methods. LDH nanostructures need to be easy to control and fabricate on rigid substrates such as metals, semiconductors, oxides, and insulators, to facilitate more viable applications of these nanostructures to various solid-state devices. In this review, we explore ways to grow and control the various LDH nanostructures on rigid substrates.
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문제 정의
본 논문에서는 Layered double hydroxide의 응용성 확대를 위해 다양한 기판 위에서 성장시키는 방법에 대한 최근의 연구결과들에 대해 리뷰 하였다. 기판 위에 성장시키는 방법에는 seed의 종류 및 성분에 따라 크게 세 가지로 나눌 수 있으며, 그로 인해 LDH 나노 구조의 다양한 특성이 제어가능함을 알 수 있다.
본 논문에서는 다양한 기판 위에 LDH 나노 구조를 성장하는 방법과 다양한 성장 변수에 따른 성장 거동을 정리하여 연구자들로 하여금 목적에 따라 LDH의 형상, 조성과 위치 등을 제어할 방법을 찾고 합성하는 데 있어 용이하게 할 수 있는 방안을 기술하고자 LDH 나노 구조의 성장 기술에 관한 연구 동향을 정리하였다.
가설 설정
(A) XRD pattern of the NiCo-LDH nanosheets arrays on Ni foam. (B) Surface morphologies of the NiCo-LDH nanosheets on Ni foam. (C) TEM image of the NiCo-LDH nanosheets and the insert is the SAED pattern.
대상 데이터
에 따르면 수열 합성법으로 성장되는 ZnAl-LDH에 Eu를 도핑하여 Eu의 atomic transition현상을 관찰하였다[17]. 10 nm 두께의 Al2O3박막이 형성된 Si 기판을 seed로 이용하였으며, Zn(NO3)2, HMT, Eu(NO3)3 수용액을 사용하여 저온 수열 합성법으로 Eu이 도핑 된 ZnAl-LDH 나노 구조를 형성하였다. Fig.
이론/모형
2에서 보는 바와 같이 Ni foam에 NiCo-LDH를 간단한 방법을 통해 성장시킬 수 있는 방법이 보고된 바 있다 [12]. 다공성의 Ni Foam을 세척한 후 solvothermal method를 이용하여 Ni foam 위에 NiCo-LDH를 형성한다. CoCl2, Ni(NO3)2, cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)을 H2O와 methanol에 용해하여 제조한 용액에 Ni foam을 침적하여 오토클레이브(Autoclave) 내에서 140oC에서 18시간 동안 유지하여 형성한다.
은 박막형 seed의 조성 제어를 통해 ZnAl-LDH의 형성은 물론, ZnO nanorods(NRs) 나노로드 형상을 동시에 제어할 수 있는 기술을 보고한 바있다[15]. 얇은 박막형 seed의 형성을 위해 Atomic layer deposition system(ALD) 법을 이용하여 10 nm 두께의 Al2O3 층을 증착하고, 그 위에 0~15nm 두께의 ZnO 층을 형성한 bilayer 산화물 seed 층을 적용하였다. Al2O3/ZnO bilayer seed 층이 증착된 실리콘 기판을 Zinc nitrate hexahydrate와 hexamethylenetetramine (HMT) 수용액에 담지하여 90oC의 온도에서 저온 수열합성법을 통해 형성한다.
금속 박막 외에도 금속 산화물 박막을 사용하기도 한다. 이와 같이 실리콘이나 유리 등과 같은 단단한 기판에 LDH 나노 구조를 성장시키기 위해서는 먼저 기판에 핵 형성층의 역할을 하는 물질을 수십 나노미터 두께의 박막으로 증착시킨 뒤에 금속 전구체와 음이온이 포함된 수용액을 이용해 성장시키는 방법인 two-step 성장 방법을 사용한다. 이때 사용되는 핵 형성층의 금속 이온은 LDH 구조 내에서 2가 혹은 3가 양이온 금속수산화물층을 형성한다.
성능/효과
LDH는 얇고 불규칙한 판상형의 결정이 모여서 형성되었다. 균일한 Al 금속 박막을 seed로 사용함에 따라 기판 전면에 균일한 CoAl-LDH 나노구조가 형성되는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 8). 소스 농도가 낮은 경우에는 2~3 μm 크기의 넓은 입자 구조를 보이다가 농도가 증가함에 따라 입자의 크기는 작아지고 더욱 조밀하게 형성되어 고농도의 소스에서는 표면에 완벽하게 수직으로 배열되어 성장하는 경향을 나타낸다.
ZnAl-LDH양의 감소는 성장하는 부분 근처 용액의 Al 수산화물량의 감소에 영향을 받는다. 따라서 seed 층의 조성에 따라 다른 물질이 성장하는 것을 관찰할 수 있으며, 순수한 Al2O3와 Al-rich AZO에서는 ZnAl-LDH가 성장하며, 순수한 ZnO 또는 Zn-rich AZO seed 층을 사용할 경우에는 ZnO NRs가 성장한다. 따라서 Fig.
즉, 수용액의 농도가 증가함에 따라 Co2+ 또는 Co3+ 이온이 Al3+이온보다 LDH에 더 많이 들어갈 수 있음을 보여준다. 이러한 결과를 XPS와 UV-Vis spectroscopy 분석을 통해서 종합적으로 분석하면 저농도에서는 Co2+Al3+-LDH가 생성되지만, 고농도의 수용액 내에서는 Co2+Co3+-LDH가 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 특히 Fig.
일반적으로 이러한 저온 수열합성법에 의해 제조된 CdAl-LDH는 3R2 poly-type이 잘 발달되는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 Al 금속을 seed 층으로 사용하여 저온 수열합성시 CdAl-LDH 나노 구조가 성장될 수 있음을 확인할 수 있다. 이와 함께, 전이 금속이 함유된 LDH 나노 구조의 경우 전이금속의 전자가를 제어할 수 있으며, 이를 통해 LDH의 다양한 특성을 변화시킬 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
two-step 성장 방법은 무엇인가?
금속 박막 외에도 금속 산화물 박막을 사용하기도 한다. 이와 같이 실리콘이나 유리 등과 같은 단단한 기판에 LDH 나노 구조를 성장시키기 위해서는 먼저 기판에 핵 형성층의 역할을 하는 물질을 수십 나노미터 두께의 박막으로 증착시킨 뒤에 금속 전구체와 음이온이 포함된 수용액을 이용해 성장시키는 방법인 two-step 성장 방법을 사용한다. 이때 사용되는 핵 형성층의 금속 이온은 LDH 구조 내에서 2가 혹은 3가 양이온 금속수산화물층을 형성한다.
nanoporous 구조를 만들기 위해 실리콘이나 유리 기판 표면에 증착시키는 금속 박막의 두께는 어느정도로 하는가?
또 다른 방법은 실리콘이나 유리 기판 표면에 금속 박막을 증착시켜 핵 형성 층으로 사용하는 것이다. 이때 핵 형성층의 두께는 보통 100 nm 이하로 아주 얇게 증착하여 사용한다. 금속 박막 외에도 금속 산화물 박막을 사용하기도 한다.
전기적 특성을 제어하기 위해 LDH 나노구조에 무엇을 첨가하여야 하는가?
이외에도 다양한 금속 2가와 3가 양이온이 첨가될 수 있으며, 이로 인해 무수히 많은 음이온과 양이온의 다양한 조합이 가능하므로, 이러한 조합에 따른 LDH 나노 구조의 물리적, 화학적 특성을 자유롭게 제어할 수 있다. 이와 함께 LDH 나노구조내에 Co, Ni, Fe, Cr 등과 같은 전이 금속이 첨가되면 전이 금속에 따라 전기적 특성이 제어될 수 있음이 보고된 바 있다[5, 9, 10].
참고문헌 (17)
L. Mohapatra and K. Parida: J. Mater. Chem. A, 4 (2016) 10744.
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