Shape-Controlled Syntheses of Metal Oxide Nanoparticles using Rare-Earth Metal Complexes

Abstract

모양 조절에 관한 연구는 나노입자가 특정한 모양으로 성장하는 요인을 확인할 수 있고, 이러한 모양 변화에 따라 나노입자의 촉매적, 광학적 특성 등이 달라지기 때문에 응용 분야에서도 활용될 수 있어 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 연구 배경을 바탕으로 이 논문에서는 희토류 금속을 전구체로 이용하여 나노입자의 크기와 모양조절 방법을 다루었다. 이전의 다른 논문들에서는 주로 계면 활성제나 음이온 부산물들을 이용하여 모양 조절에 관한 연구를 진행하였다면, 이 논문에서는 모양 조절제로 희토류 금속을 사용하여 모양 변화를 관찰하였다. 산화철 나노입자에 가돌리늄 올레산염을 넣어 합성한 후에 다양한 분석을 통하여 구형에서 육면체 형태로의 모양 변화와 가돌리늄이 나노입자 표면을 둘러싸고 있는 형태를 확인할 수 있었다. 또한 더불어 밀도범함수이론 계산을 통해, 전이금속산화물이 자라는 과정에서 진행되는 희토류 금속 착화합물과의 상호작용에 의하여 메커니즘을 설명할 수 있었다. 이러한 모양 변화 메커니즘이 일반적으로 적용되는지 알아본 결과, 다른 희토류 금속 (가돌리늄, 유로퓸, 세륨)이나 다른 전이금속산화물 (산화철, 산화망가니즈, 망간 페라이트) 나노입자에도 적용된다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 방법을 통해 합성된 나노입자는 희토류 금속이 표면에 존재하기 때문에, 희토류 금속의 여러 특성(자성, 소수성, 광학적 특성)이 함께 발현되는 나노입자로 사용될 수 있을 것이라 기대된다.;Here, we report the size- and shape-controlled synthesis of metal oxide nanoparticles through the introduction of rare-earth metals. The addition of gadolinium oleate in the synthesis of iron oxide nanoparticles induced sphere-to-cube shape changes of nanoparticles and generated iron oxide nanocubes coated with gadolinium. Based on experimental investigations and density functional theory (DFT) calculations, we attribute the shape change to the facet-selective binding of undecomposed gadolinium oleates. While many previous studies on the shape-controlled syntheses of nanoparticles rely on the stabilization of specific crystal facets by anionic surfactants or their decomposition products, this study shows that the interaction between growing transition metal oxide nanoparticles and rare-earth metal complexes can be used as a robust new mechanism for shape-controlled syntheses. Indeed, we demonstrated that this approach was applicable to other transition metal oxide nanoparticles (i.e., manganese oxide and manganese ferrite) and rare earth metals (i.e., gadolinium, europium, and cerium). This study also demonstrates that the nature of metal–ligand bonding can play an important role in the shape control of nanoparticles.