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비정질 규산염 나노입자의 입자 크기에 따른 원자 구조 변화 : 고상 핵자기공명 분석 및 양자화학계산 연구
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  • 비정질 규산염 나노입자의 입자 크기에 따른 원자 구조 변화 : 고상 핵자기공명 분석 및 양자화학계산 연구
  • Effect of Particle Size on the Atomic Structure of Amorphous Silica Nanoparticles: Solid-state NMR and Quantum Chemical Calculations
저자명
김현나,이성근,Kim. Hyun-Na,Lee. Sung-Keun
간행물명
韓國鑛物學會誌
권/호정보
2008년|21권 3호|pp.321-329 (9 pages)
발행정보
한국광물학회
파일정보
정기간행물|
PDF텍스트
주제분야
기타
이 논문은 한국과학기술정보연구원과 논문 연계를 통해 무료로 제공되는 원문입니다.
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기타언어초록

비정질 규산염 나노입자는 지각에 풍부한 규소와 산소로 이루어진 비다공성 나노입자로서 광물학을 포함한 지구환경과학과 산업적 측면에서 모두 중요한 물질이다. 본 연구에서는 $^{1}H$과 $^{29}Si$ MAS NMR분광분석을 통해 7 nm와 14 nm 규산염 나노입자의 규소와 수소 원자 환경을 측정하고, 입자 크기에 따른 규산염 나노입자 원자 환경 변화를 규명하였다. NMR 스펙트럼의 화학적 이동 값의 이론적 배경을 이해하기 위해 양자화학계간을 통해 $Si_{3}O_{6}H_6,;Si_{4}O_{5}H_{10},;Si_{5}O_{4}H_{12}$ 분자계간모델의 화학 차폐를 계산하였다. $^{29}Si$ MAS NMR의 결과, 이중 실라놀(geminal silanol)과 단일 실라놀(single silanol), 실록산(siloxane) 구조의 Si 원자 환경에 해당하는 $Q^2,;Q^3,;O^4$가 구분되어 나타나며 입자 크기에 따라 $Q^2,;Q^3,;O^4$가 7 nm규산염 나노입자에는 $7{pm}1%,;27{pm}2%,;66{pm}2%$, 14 nm 규산염 나노입자에는 $6{pm}1%,;21{pm}2%,;73{pm}2%$의 분포를 갖는다. $Q^2,;Q^3$ 구조는 나노 입자의 표면적에 대부분 존재하는 것으로 예상되었으나, 두 규산염 나노입자의 표면적 차이에 비해 $Q^2,;Q^3$ 양의 차이가 적으며, 이는 입자 표면 뿐 아니라 입자 내부에도 $Q^2,;Q^3$ 구조가 존재함을 의미한다. $^{1}H$ MAS NMR 스펙트럼은 물리흡착 된 물(physisorbed water), 수소결합 된 수산기(hydrogen bended silanol), 비 수소결합 된 수산기(non-hydrogen bonded silanol)를 구분하여 나타낸다. 14 nm 비정질 규산염 나노입자에 비해 7nm 나노입자에 약 3.4 배의 수소 원자가 존재하며, 더 강한 수소결합 세기를 갖는다. 전체 수산기 중에서 비 수소결합 된 수산기가 차지하는 비율이 7 nm 규산염 나노입자 보다 14 nm 규산염 나노입자에서 더 높으며, 이는 수소 원자간의 상대적 거리(proximity)가 14 nm 임자에서 더 긴 것을 지시한다. 본 연구결과를 통하여 현재까지 알려지지 않은 규산염 나노입자의 입자의기에 의한 다양한 원자 구조의 변화를 규명하였다.

기타언어초록

Amorphous silica nanoparticles are among the most fundamental $SiO_2$ compounds, having implications in diverse geological processes and technological applications. Here, we explore structural details of amorphous silica nanoparticles with varying particle sizes (7 and 14 nm) using $^{29}Si$ and $^{1}H$ MAS NMR spectroscopy together with quantum chemical calculations to have better prospect for their size-dependent atomic structures. $^{29}Si$ MAS NMR spectra at 9.4 T resolve $Q^2,;Q^3$ and $Q^4$ species at -93 ppm, -101 ppm, -110 ppm, respectively. The fractions of $Q^2,;Q^3,;O^4$ species are $7{pm}1%,;27{pm}2%$, and $66{pm}2%$ for 7 nm amorphous silica nanoparticles and $6{pm}1%,;21{pm}2%$, and $73{pm}2%$ for 14 nm amorphous silica nanoparticles. Whereas it has been suggested that $Q^2$ and $Q^3$ species exist on particles surfaces, the difference in $Q^{2};+;Q^{3}$ fraction in both 7 and 14 nm particles is not significant, suggesting that $Q^2$ and $Q^3$ species could exist inside particles. $^{1}H$ MAS NMR spectra at 11.7 T shows diverse hydrogen environments, including physisorbed water, hydrogen bonded silanol, and non-hydrogen bonded silanol with varying hydrogen bond strength. The hydrogen contents in the 7nm silica nanoparticles (including water and hydroxyl groups) are about 3 times of that of 14 nm particles. The larger chemical shills for proton environments in the former suggest stronger hydrogen bond strength. The fractions of non-hydrogen bonded silanols in the 14 nm amorphous silica nanoparticles are larger than those in 7 nm amorphous silica nanoparticles. This observation suggests closer proximity among hydrogen atoms in the nanoparticles with smaller diameter. The current results with high-resolution solid-state NMR reveal previously unknown structural details in amorphous silica nanoparticles with particle size.