초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
플라즈모닉 나노갭 내부에 Pt, Pd와 같은 촉매활성이 있는 촉매 기질을 나노클러스터 형태로 담지하여 플라즈몬 유도 촉매 반응을 분자 수준에서 관측하고, 근접장 (near-field) 또는 핫전자 (hot-electron)에 의해 발생할 것으로 예상되는 플라즈모닉 촉매 메커니즘을 규명하고, 고효율의 플라즈모닉 촉매를 개발하고자 한다.

◼ 전체 내용
-1차년도 목표 : 나노갭 제조 및 촉매 기질 담지
플라즈몬 유도 촉매 활용을 위한 나노갭 디자인 및 근접장 계

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
플라즈모닉 나노갭 내부에 Pt, Pd와 같은 촉매활성이 있는 촉매 기질을 나노클러스터 형태로 담지하여 플라즈몬 유도 촉매 반응을 분자 수준에서 관측하고, 근접장 (near-field) 또는 핫전자 (hot-electron)에 의해 발생할 것으로 예상되는 플라즈모닉 촉매 메커니즘을 규명하고, 고효율의 플라즈모닉 촉매를 개발하고자 한다.

◼ 전체 내용
-1차년도 목표 : 나노갭 제조 및 촉매 기질 담지
플라즈몬 유도 촉매 활용을 위한 나노갭 디자인 및 근접장 계산을 수행하였으며 플라즈몬 형성이 잘되지 않는 2 nm 크기의 미세한 Pd 나노입자의 경우에도 40 nm 금 나노입자와 1 nm의 나노갭을 형성하는 경우 나노갭 쪽에 위치한 Pd 나노입자의 표면에서 |E|/|E0| = ~18 정도로 전기장이 증폭되는 것을 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다. 또한, Pd 및 Pt와 Au 나노입자 사이에 나노갭을 갖는 촉매용 헤테로 나노구조체를 합성하였고 메탄올산화 촉매 효과를 파악하는 초기 연구를 수행하였다.

-2차년도 목표 : 나노갭 및 촉매 표면 제조와 촉매활성 연구
강한 전자기장을 형성하여 고효율 플라즈몬 유도 촉매 활용에 사용될 수 있도록 거친 표면을 가지면 다량의 정션을 갖는 새로운 나노갭 구조체 합성을 수행하였다. 또한, 각 금속의 전기화학적 환원 전위와 환원제의 종류에 따라 나노구조체의 크기 및 형태를 조절하는 연구도 수행하였으며, 금전극 표면에 얇은 Pt, Pd 막을 입혀 메탄올 산화반응을 전기화학적 방법인 순환전류법을 활용하여 촉매활성 연구를 진행하였다.

-3차년도 목표 : 나노갭 촉매 활용 및 메커니즘 연구
금나노입자에 촉매활성 물질인 Pd의 양을 조절하면서 Pd@Au 코어/쉘을 합성하였고 Pd 양에 따른 플라즈몬 촉매반응 메커니즘 연구를 진행하였다. Pd쉘 두께와 가시광선 영역에서 플라즈몬 공명의 관계를 관측하였다. Pd@Au 코어/쉘 구조체와 Au film 사이에 촉매반응 물질인 4-NTP (4-nitrothiophenol)를 고정화하고 나노갭을 형성하여 플라즈몬 촉매 반응을 SERS 신호로 실시간 분석하였다. Bare AuNP의 경우가 플라즈몬 효과가 가장 강하였지만 촉매반응의 경우 얇은 Pd 쉘을 입혔을 경우 촉매 반응이 훨씬 빨리 일어나는 것을 관측하였다. 이를 통해 Pd 물질에 의한 촉매반응과 AuNP와 Au film 사이의 플라즈모닉 커플링의 시너지효과에 의해 플라즈몬 유도 촉매반응이 일어남을 확인할 수 있었다.
또한 금 나노큐브를 활용한 플라즈몬 전기변색 연구도 진행하여 전압을 인가함에 따라 플라즈모닉 나노입자에 전하 캐리어 밀도를 변화시켜 변색되는 메커니즘을 파악하였고, 촉매현상과 광학적인 현상을 연결하는 가교로서 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
본 연구에서는 플라즈모닉 나노갭을 합성하고 나노갭 내부의 표면 플라즈몬 증강에 따라 발생하는 강한 근접장과 핫전자를 활용하여 나노갭 내부에 석출된 Pt 또는 Pd 나노클러스터에서 일어나는 촉매 현상을 모니터링하고 반응 속도를 관찰하여 가장 최적의 촉매효과를 내는 헤테로 플라즈모닉 나노입자 구조체와 반응 메커니즘을 규명하였다. 본 연구를 통해 개발된 플라즈모닉 나노구조체 합성 전략 및 플라즈몬 유도 촉매 반응에 대한 이해를 바탕으로 새로운 고효율의 플라즈몬 촉매가 개발될 것으로 전망된다. 또한 고유가 시대에 태양에너지와 같은 신재생에너지에 대한 수요가 확대됨에 따라 태양에너지를 활용할 수 있는 플라즈몬 기반 촉매가 각광받을 것으로 판단되며, 플라즈몬 기반 촉매 반응을 활용하여 물분해 및 연료전지 등 재생에너지 생산으로도 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 촉매 반응을 나노갭 내에서만 일어나도록 조절하는 것을 이용하여 복잡한 폴리머 나노구조체 합성 및 국소적인 특정 위치에서 반응 조절이 가능한 나노 스위치 개발 등 다양한 산업분야에서도 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 뿐만 아니라 나노갭에 바이오 물질들을 도입하여 바이오 촉매 개발 및 메커니즘 분석에도 활용될 수 있을 것이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1) 플라즈몬 유도 촉매 활용을 위한 나노갭 디자인 및 근접장 계산 ... 4
• 2) 거친 표면의 나노구조체에 새로운 나노갭 생성 및 나노 구조체 표면에 다량의 나노갭 생성 ... 5
• 3) Au 위에 Pt, Pd 레이어를 석출하여 전기화학 촉매반응에 응용 ... 6
• 4) Au 코어 나노입자위의 Pd 쉘 두께를 조절한 Pd@Au 코어/쉘 나노입자 합성 ... 6
• 5) Pd@AuNP 코어/쉘 나노입자를 활용한 플라즈몬 촉매 효과 검증 ... 7
• 6) 금 나노큐브를 활용한 플라즈몬 전기변색 연구 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 9
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 10
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 10
• 1) 연구성과 ... 10
• 2) 연구성과 활용계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 12
• 끝페이지 ... 12