탄소 나노튜브(carbon nanotubes, CNT)의 성장은 1500 K의 조건에서 금속 나노입

자에 의해 촉진되지만, 이러한 성장 메커니즘은 여전히 모호한 실정이다. 다중 벽 나

노튜브의 경우 일반적으로 얘기되는 메커니즘은 흡착-확산-침전(adsorption-

diffusion-precipitation) 모델로써, Cn 종이 금속 입자의 표면에 흡착한 후 금속 입자

를 통해 확산되어, 결정성 튜브 형태로 침전되는 것이다. 이때 침전되는 모든 Cn 종

은 금속 입자를 만나게 된다. 하지만 이러한 상황은 화학 증착법(chemical vapor 

deposition, CVD)의 조건에선 잘 이해되지 않는 부분이다. 탄소 및 금속 종의 생성

과 침착이 거의 동시에 발생하고, 탄소 대 금속의 원자 비율이 50 이상이기 때문에 

밀집된 Cn 종의 상호작용은 분산된 금속 입자에 의해 붙잡히는 것보다 더 가능성이 

크다.

 

나노튜브의 자기 촉매에 대한 직접적인 관찰은 성장 환경이 너무 무질서해 금속 촉

매 작용과 튜브 촉매 작용을 구별하기 어려워 쉽지 않다. 그렇다고 미리 합성된 튜브

를 사용하여 촉매적 거동을 관찰하기 또한 만만치는 않은 작업이다. 예를 들어, 

CVD 시스템에서 CNT는 고유의 형태를 유지하지만, Cn 종은 금속 촉매 없이는 가

용하지 않다. 역으로 레이저 및 아크-방전 공정에선 흑연 물질에 미리 혼합된 튜브형

태의 탄소는 남아 있지 못해 작은 Cn 종으로 증발하게 된다.

 

이러한 시스템의 단점을 보완하여 최근 중국의 석탄화학연구원(Institute of Coal 

Chemistry)의 지안펭 젱(Jianfeng Zheng) 연구진은 성장하는 튜브를 모방하기 위

한 촉매로써 짧은 나노튜브 파이프(CNTcatal)를 사용하였다. 파이프는 상용의 

CVD 튜브를 볼-밀링 기술로 잘라 제조된 후 금속 촉매 작용에 방해를 미치는 오염

물을 제거하기 위해 염산과 농축된 질산으로 처리하였다. 파이프는 200-800 nm의 

길이와 10-40 nm의 직경을 갖는다(그림 1 참조).

 

연구진은 트리니트로페놀-씨클로헥산(trinitrophenol-cyclohexane) 혼합 용액에 나

노튜브 파이프를 첨가하여 새로운 나노튜브의 형성을 확인하였다(그림 2 참조). 형

성된 나노튜브는 파이프와 달리 수십 마이크로미터의 길이와 평균 70 nm의 직경을 

나타냈다. 또한 내부 채널은 넓고, 채널 직경 대 튜브 벽 두께의 비율은 2 이상의 수

치를 보였다. CNTcatal에 의한 소량의 철은 튜브 성장을 효과적으로 촉진할 수 없

기 때문에 위와 같은 결과는 탄소 나노튜브 자체가 뛰어난 자기 촉매 성질을 지닌다

는 것을 의미한다.

 

또한 끝이 막힌 금속 촉매 작용에 의해 성장된 나노튜브와 비교했을 때, 자기 촉매

에 의해 생성된 나노튜브의 끝이 개방된 형태는 나노튜브의 막힘이 금속 촉매에 의

해 도움을 받는다는 것을 의미한다.

 

다중 벽 탄소 나노튜브의 자기 촉매 거동이 최초로 보고된 것이고, 또한 금속 촉매 

작용의 거동 조건에서 실험적으로 증명된 것이라고 젱은 말했다.

 

[원문 정보]

J. Am. Chem. Soc., 127 (45), 15698 -15699, 2005.

10.1021/ja053844x S0002-7863(05)03844-8.

 

[저자 정보]

State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese 

Academy of Sciences, Taiyuan 030001, China.

e-mail: zpzhu@sxicc.ac.cn

 

[그림]

1.산으로 처리된 나노튜브 파이프의 TEM 이미지.

 

 

2.새로이 형성된 나노튜브의 TEM 이미지 및 이에 대한 미소구조.

 

 

  정보출처   J. Am. Chem. Soc., 127 (45), 15698 -15699, 2005.  

  원문언어   영어 

  출판날짜   2005년 11월 16일 

  국      가   중국 

  주제분야   화학일반(C11)