PtPd 나노입자와 카본나노튜브를 이용한 옥살산 검출용 전기화학센서 개발

Abstract

이 논문에서는 백금-팔라듐 합금 나노입자를 전기적으로 증착한 SWCNT 전극을 기반으로 효소를 사용하지 않는 전기화학적 옥살산 측정 센서를 개발했다. 센서를 이루는 투명한 SWCNT 필름은 감압 여과법을 이용하여 만들었으며, 평균 표면 저항은 250 Ω sq-1 로 측정되었고 투명도는 80%로 측정되었다. 센서 전극은 SWCNT 필름에 부분적으로 감광제 코팅을 한 후 표준 포토리소그래피 과정을 통해 만들었다. 표준 포토리소그래피 과정 이후 감광제 코팅 부분에 순환전압전류법을 사용하여 백금-팔라듐 합금 나노입자를 전기적으로 증착한다. 이렇게 백금-팔라듐 나노입자가 전착된 전극을 FE-SEM과 EDS를 통해 외형적 성질과 구성을 분석했다. 이 때 백금과 팔라듐의 조성비는 1 : 1.3으로 나타났고, 50 ~ 100 nm 크기의 나노입자가 균일하게 구성되어 있는 것을 확인했다. 만들어진 백금-팔라듐/SWCNT 전극의 옥살산의 측정을 위해 전기화학적 방법을 사용했다. 순환전압전류법(CV), 시차펄스 전압전류법(DPV)과 선형 훑음 전압전류법(LSV)을 사용하여 전극의 옥살산 산화를 측정했다. 순환전압전류법 실험을 통해 백금-팔라듐/SWCNT 전극이 +0.95 V에서 옥살산의 산화 신호를 가진다는 것을 알 수 있었다. 이는 백금 혹은 팔라듐만 전기적으로 증착한 SWCNT 전극과 비교했을 때보다 1.4배 높은 전류신호를 보였으며, 측정된 전압의 위치를 통해 다른 두 전극의 중간에 해당하는 전기화학촉매 성질을 띠고 있지만 더 우수한 전기촉매 성능을 가진 것을 확인했다. 또한 옥살산 측정 성능을 보다 면밀하게 확인하기 위해 시차펄스 전압전류법과 선형 훑음 전압전류법을 사용하여 산성 용매에 존재하는 다양한 농도의 옥살산을 전기화학적으로 측정했다. 그 결과 시차펄스 전압전류법의 경우 상관계수(R2)가 0.9916로 나타났고, 선형 훑음 전압전류법은 0.9780의 상관계수를 가진 농도에 따른 선형 그래프를 얻었다. 농도에 따른 옥살산 측정 시 낮은 농도에서 측정한 전류 값과 비교했을 때 높은 농도에서 측정한 전류 값의 증가 폭이 약간 줄었고, 신호가 측정된 전압이 옥살산의 농도가 증가할수록 양의 방향으로 증가하는 것을 확인하여 옥살산의 농도가 높아질수록 전극의 옥살산 감지 성능이 낮아지는 것을 확인했다. 이런 측정 변화는 옥살산과 백금-팔라듐 나노입자 표면이 반응을 하면서 나노입자 표면에 간섭분자들이 달라붙어 측정 감도에 영향을 미치는 때문인 것으로 파악된다. 이 연구를 통해 구성한 백금-팔라듐/SWCNT 전극은 풍부한 옥살산 촉매 반응 공간을 제공하고 높은 전기전도도를 가진 작고 균일한 백금-팔라듐 합금 나노입자와 SWCNT 덕분에 작은 크기와 간단한 구조를 가지는 옥살산 검출 휴대용 센서로서의 역할이 유망하다고 생각된다.