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요약
본 발명은 전이금속이 증착된 헤마타이트 나노큐브 제조방법과 이를 활용한 니트로페놀 환원 촉매에 관한 것입니다. 이 기술은 금, 팔라듐, 또는 금-팔라듐 합금이 입혀진 헤마타이트 나노큐브를 제작하며, 이를 통해 니트로페놀을 덜 유해한 형태로 분해하거나 제거하는 방법을 제공합니다. 이 촉매는 환경 보호와 산업 폐수 처리에 적용 가능하며, 쉽게 분리 및 정제할 수 있는 특성으로 인해 촉매 비용을 낮추는 데 기여합니다. 이 연구 결과는 산업 및 환경 보호 분야에서의 촉매 활용과 환경오염물질 처리 기술 개선에 기여할 것으로 기대됩니다.
기본 정보
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특허명: 전이금속이 증착된 헤마타이트 나노큐브 제조방법 및 상기 나노큐브를 포함하는 니트로페놀 환원 촉매
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대표 발명자: 김규원 교수
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출원번호: 10-2023-0019362
발명의 배경 및 필요성
기술 배경과 문제점
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니트로페놀은 염료, 살충제, 의약품 등의 제조 과정에서 널리 사용되는 화합물로, 환경과 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있음
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농업 및 산업 공정에서 발생하는 폐수에 포함된 PNP는 주요 환경 오염 물질로 알려져 있음
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PNP를 p-아미노페놀(PAP)로 환원하면 독성이 크게 감소하며, 파라세타몰 등의 유도체를 얻을 수 있음
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그러나 GD 반응의 성장 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않아 효율적인 환원 방법이 필요함
기술 개발의 중요성
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니트로페놀을 덜 유해한 형태로 분해하거나 제거하는 방법을 개발하는 것은 환경 보호에 중요한 과제임
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본 연구팀은 반응 후 복합체를 재활용하는 가능성을 탐구하였음
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p-니트로페놀(PNP)의 촉매 환원은 단일 금속 Au 및 Pd에 대한 현재의 이중 금속 AuPd 시스템의 촉매 활성을 나타내기 위한 모델 시스템으로 선택되었음
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이 발명은 전이금속이 증착된 헤마타이트 나노큐브 제조방법과 이를 활용한 니트로페놀 환원 촉매에 관한 것임
기술 구현 방법
기술 원리 및 구현 과정
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금속 사이아나이드를 산성 용액에 섞어 프루시안블루 나노큐브를 제작하고, 이에 금이나 팔라듐을 입혀 나노물질을 만드는 기술임.
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금속 이온이 자연스럽게 금속 입자나 코팅으로 변하는 과정을 활용함.
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프루시안블루 나노큐브 제작, 금, 팔라듐, 또는 금-팔라듐 합금 입혀나가는 과정, 그리고 가열하는 단계를 포함함.
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이 기술을 통해 나노물질의 표면을 깨끗하게 유지하면서, 유해한 환원제나 안정화제를 사용하지 않아도 됨.
기술의 장점
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금, 팔라듐, 또는 금-팔라듐 합금이 입혀진 헤마타이트 나노큐브를 제작하는 방법을 제공함.
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Au, Pd, AuPd의 단일 및 이중 금속과 다양한 구성(Au 25Pd75, Au50Pd50 및 Au 75Pd25) 시스템 간의 작동 시너지 효과를 활용하여 효율적인 촉매를 사용하는 데 가장 적합함.
실험 과정 및 결과
실험 목적 및 방법
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헤마타이트 나노큐브에 전이금속을 증착시키는 방법을 개발하였으며, 이 과정에서 '무전해 증착'이라는 방법을 활용하였음.
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공기 중에서 PB/AuPd를 어닐링하여 적철광 큐브에 내장된 AuPd 합금 NP를 제작하였으며, 이 큐브는 GD 반응의 전구체로 사용되어 Au, Pd 및 AuPd NS를 증착하였음.
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ICP-OES 분석을 통해 Hematite/Au 100, Hematite/Pd 100, Hematite/Au 25-Pd75, Hematite/Au 50-Pd50 및 Hematite/Au 75-Pd25에서 Fe, Au 및 Pd의 원자 조성이 특정 비율로 확인되었음.
실험 결과
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반응 속도 상수인 'k' 값은 Hematite/Au 50Pd50 촉매에서 상대적으로 더 높게 나왔음.
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SEM-EDX 분석을 통해 촉매에 들어있는 원소인 철(Fe), 금(Au), 팔라듐(Pd)이 활성 상태로 존재함을 확인하였음.
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촉매를 여러 번 사용하는 과정에서 촉매의 손실이 거의 없었음. 이는 정전류 방식으로 증착된 AuPd NS가 반응 과정에서 적철광 표면에서 빠져나가지 않았음을 보여줌.
발명의 활용 방안
산업 및 환경 보호 분야 적용
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나노큐브는 니트로페놀 환원 촉매로 활용 가능하며, 이를 통해 환경오염물질 처리 기술을 개선하고 산업 폐수 처리에 적용할 수 있음
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적철광/AuPd 촉매는 물리적으로 안정적이고 쉽게 분리 및 정제 가능하여, 산업용 재사용 및 내구성 있는 실용적인 응용 분야에 적합함
기대효과
기술 혁신 및 사회적 가치
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이 연구는 적철광/AuPd 촉매의 우수성을 입증하며, 헤마타이트 나노큐브를 통한 니트로페놀 환원은 환경 보호를 위한 새로운 방법론을 제시함
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산업 폐수 처리 등의 분야에서 이 촉매 시스템을 적용하면 환경오염물질 처리 기술의 효율성을 높일 수 있음
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쉽게 분리 및 정제할 수 있는 특성으로 인해 촉매 비용을 낮추는 데 기여, 이는 산업적 관점에서 큰 이점을 제공함
장래적인 전망
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이 연구 결과를 바탕으로 산업 및 환경 보호 분야에서의 촉매 활용과 환경오염물질 처리 기술 개선에 기여할 것으로 기대됨
시장 동향
환경 보호 시장 동향
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산업 폐기물 처리 시장 동향
기술 SWOT 분석
Strengths
환경 친화적인 촉매 제조
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니트로페놀을 덜 유해한 형태로 분해하거나 제거하는 방법을 개발하여 환경 보호에 기여합니다.
효율적인 촉매 활성
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Au, Pd, AuPd의 단일 및 이중 금속과 다양한 구성(Au 25Pd75, Au50Pd50 및 Au 75Pd25) 시스템 간의 작동 시너지 효과를 활용하여 효율적인 촉매를 사용하는 데 가장 적합합니다.
재활용 가능성
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촉매를 여러 번 사용하는 과정에서 촉매의 손실이 거의 없어 재활용이 가능합니다.
Weaknesses
제조 과정 복잡성
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금속 사이아나이드를 산성 용액에 섞어 프루시안블루 나노큐브를 제작하고, 이에 금이나 팔라듐을 입혀 나노물질을 만드는 과정이 복잡할 수 있습니다.
제조 시간 소요
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나노물질 제작 과정에서 금, 팔라듐, 또는 금-팔라듐 합금을 입혀나가는 단계와 가열하는 단계가 포함되어 상당한 시간이 소요될 수 있습니다.
Opportunities
산업 및 환경 보호 분야 적용
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나노큐브는 니트로페놀 환원 촉매로 활용 가능하며, 이를 통해 환경오염물질 처리 기술을 개선하고 산업 폐수 처리에 적용할 수 있습니다.
경제적 이점
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쉽게 분리 및 정제할 수 있는 특성으로 인해 촉매 비용을 낮추는 데 기여, 이는 산업적 관점에서 큰 이점을 제공합니다.
Threats
기존 촉매와의 경쟁
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기존에 널리 사용되고 있는 다른 촉매 제품들과의 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.
제조 과정의 복잡성
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제조 과정의 복잡성으로 인해 대량 생산에 어려움이 있을 수 있습니다.
Summary
Strengths
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환경 친화적인 촉매 제조 방법과 효율적인 촉매 활성, 그리고 재활용 가능성을 갖추고 있습니다.
Weaknesses
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제조 과정의 복잡성과 시간 소요가 단점으로 작용할 수 있습니다.
Opportunities
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산업 및 환경 보호 분야에 적용 가능하며, 경제적 이점을 제공합니다.
Threats
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기존 촉매와의 경쟁과 제조 과정의 복잡성이 위협 요소로 작용할 수 있습니다.
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