층상이중수화물(layered double hydroxide ; LDH, hydrotalcite-like compounds)은 2종의 양이온으로 구성된 양하전을 띠는 이온층과 교환 가능한 음이온으로 전하균형을 이루는 2차원 층상구조물이다. LDH의 음이온층은 다양한 유·무기 이온들로 교환 가능한 구조적 특성에 의한 음이온 교환제, 흡착제, 촉매로 환경분야에 적용하는 연구 뿐 아니라, DDS(Drug Delivery System)와 같은 의학적인 응용에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히 LDH 입자 크기의 제어를 통해 비표면적을 높이고 흡착 성능이 향상되면 응용분야가 더욱 확대될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 나노크기의 LDH를 합성하기 위한 최적화된 조건을 제시하는 것과 경제적인 LDH의 합성에 관한 연구 및 이의 특성을 관찰하였다. 양이온 ...
층상이중수화물(layered double hydroxide ; LDH, hydrotalcite-like compounds)은 2종의 양이온으로 구성된 양하전을 띠는 이온층과 교환 가능한 음이온으로 전하균형을 이루는 2차원 층상구조물이다. LDH의 음이온층은 다양한 유·무기 이온들로 교환 가능한 구조적 특성에 의한 음이온 교환제, 흡착제, 촉매로 환경분야에 적용하는 연구 뿐 아니라, DDS(Drug Delivery System)와 같은 의학적인 응용에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히 LDH 입자 크기의 제어를 통해 비표면적을 높이고 흡착 성능이 향상되면 응용분야가 더욱 확대될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 나노크기의 LDH를 합성하기 위한 최적화된 조건을 제시하는 것과 경제적인 LDH의 합성에 관한 연구 및 이의 특성을 관찰하였다. 양이온 전구체 물질로 Mg(NO3)2.6H2O와 Al(NO3)3.9H2O를 사용하고 OH-와 CO32-를 음이온 종으로 사용한 공침법에서 나노크기 LDH 제조의 최적화된 조건을 얻을 수 있었으며 나노화 된 입자가 이온교환능에 미치는 영향을 관찰하였다. 그 결과 Mg/Al 양이온의 몰 비가 2 이고, 24시간 동안 80℃로 숙성시킨 LDH 슬러리를 100℃에서 건조시킨 경우 LDH의 분말의 평균 입도가 가장 작아지는 결과를 얻을 수 있었다. 양이온의 몰 비와 공침 시 pH, 숙성온도, 합성된 LDH 슬러리의 세척조건, 그리고 건조 조건 등의 변화에 따라 LDH 분말의 1차 입자(TEM) 평균 크기는 5～50 nm 이며, 2차 입자의 평균크기(전기영동광산란법)가 130 ～ 200 nm 인 범위에서 얻어지는 것을 관찰하였다. Salt를 전구체로 한 공침법에서 입자의 크기를 나노화하는 최적의 생성 조건을 얻을 수 있었지만, 제산제와 고분자의 열안정제 등 저가형 응용목적으로는 경제성이 떨어진다. 따라서 LDH의 생산 단가를 낮추는 한 가지 방안으로 출발물질을 달리하여 LDH를 합성하기 위하여 Mg(OH)2와 Al(OH)3를 양이온 전구체로 한 Hydroxide법으로 LDH를 합성하고 그 특성을 관찰하였다. Hydroxide법은 수산화물 형태의 전구체를 혼합하여 170 ～ 190 ℃에서 2 ～ 3 시간동안 수열처리하여 분말을 합성하는 방법으로 얻어진 LDH는 TG-DSC 곡선 상에서 450 ～ 500 ℃ 탈수와 함께 흡열 반응이 일어났다. 이러한 결과는 무기계 난연제로써 대표적으로 사용되는 Mg(OH)2와 Al(OH)3보다 더 효과적인 난연제로 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 공침법으로 얻은 LDH 보다 응집된 큰 입자 크기를 가지고 있어 이를 해결하기 위하여 전구체 물질의 습식 분쇄 과정을 거쳐 초기 입도를 낮추고 MgCO3 중간생성물의 형성을 통해 Mg(OH)2의 이온화를 가속화하여, 비정질상의 MgAl-OH를 생성하고 최종생성물에서 미반응물을 최소화하며, 생성물의 형상 및 입도가 낮아지는 현상을 관찰하였다. 각각의 합성에서 얻은 LDH의 입도 변화와 음이온 교환능과의 상관관계를 조사한 결과 salt를 전구체로 합성한 LDH가 hydroxide로 합성한 LDH의 입자크기보다 더 작았으며 음이온 교환능은 입자의 크기가 작을수록 큰 값을 나타내는 경향을 보였으나, hydroxide법으로 합성한 LDH는 salt법과는 달리 입자의 표면 특성으로 입자의 평균 크기에 따른 음이온 교환능 변화량이 크지 않았다.
층상이중수화물(layered double hydroxide ; LDH, hydrotalcite-like compounds)은 2종의 양이온으로 구성된 양하전을 띠는 이온층과 교환 가능한 음이온으로 전하균형을 이루는 2차원 층상구조물이다. LDH의 음이온층은 다양한 유·무기 이온들로 교환 가능한 구조적 특성에 의한 음이온 교환제, 흡착제, 촉매로 환경분야에 적용하는 연구 뿐 아니라, DDS(Drug Delivery System)와 같은 의학적인 응용에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히 LDH 입자 크기의 제어를 통해 비표면적을 높이고 흡착 성능이 향상되면 응용분야가 더욱 확대될 것으로 기대된다. 본 연구에서는 나노크기의 LDH를 합성하기 위한 최적화된 조건을 제시하는 것과 경제적인 LDH의 합성에 관한 연구 및 이의 특성을 관찰하였다. 양이온 전구체 물질로 Mg(NO3)2.6H2O와 Al(NO3)3.9H2O를 사용하고 OH-와 CO32-를 음이온 종으로 사용한 공침법에서 나노크기 LDH 제조의 최적화된 조건을 얻을 수 있었으며 나노화 된 입자가 이온교환능에 미치는 영향을 관찰하였다. 그 결과 Mg/Al 양이온의 몰 비가 2 이고, 24시간 동안 80℃로 숙성시킨 LDH 슬러리를 100℃에서 건조시킨 경우 LDH의 분말의 평균 입도가 가장 작아지는 결과를 얻을 수 있었다. 양이온의 몰 비와 공침 시 pH, 숙성온도, 합성된 LDH 슬러리의 세척조건, 그리고 건조 조건 등의 변화에 따라 LDH 분말의 1차 입자(TEM) 평균 크기는 5～50 nm 이며, 2차 입자의 평균크기(전기영동광산란법)가 130 ～ 200 nm 인 범위에서 얻어지는 것을 관찰하였다. Salt를 전구체로 한 공침법에서 입자의 크기를 나노화하는 최적의 생성 조건을 얻을 수 있었지만, 제산제와 고분자의 열안정제 등 저가형 응용목적으로는 경제성이 떨어진다. 따라서 LDH의 생산 단가를 낮추는 한 가지 방안으로 출발물질을 달리하여 LDH를 합성하기 위하여 Mg(OH)2와 Al(OH)3를 양이온 전구체로 한 Hydroxide법으로 LDH를 합성하고 그 특성을 관찰하였다. Hydroxide법은 수산화물 형태의 전구체를 혼합하여 170 ～ 190 ℃에서 2 ～ 3 시간동안 수열처리하여 분말을 합성하는 방법으로 얻어진 LDH는 TG-DSC 곡선 상에서 450 ～ 500 ℃ 탈수와 함께 흡열 반응이 일어났다. 이러한 결과는 무기계 난연제로써 대표적으로 사용되는 Mg(OH)2와 Al(OH)3보다 더 효과적인 난연제로 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 공침법으로 얻은 LDH 보다 응집된 큰 입자 크기를 가지고 있어 이를 해결하기 위하여 전구체 물질의 습식 분쇄 과정을 거쳐 초기 입도를 낮추고 MgCO3 중간생성물의 형성을 통해 Mg(OH)2의 이온화를 가속화하여, 비정질상의 MgAl-OH를 생성하고 최종생성물에서 미반응물을 최소화하며, 생성물의 형상 및 입도가 낮아지는 현상을 관찰하였다. 각각의 합성에서 얻은 LDH의 입도 변화와 음이온 교환능과의 상관관계를 조사한 결과 salt를 전구체로 합성한 LDH가 hydroxide로 합성한 LDH의 입자크기보다 더 작았으며 음이온 교환능은 입자의 크기가 작을수록 큰 값을 나타내는 경향을 보였으나, hydroxide법으로 합성한 LDH는 salt법과는 달리 입자의 표면 특성으로 입자의 평균 크기에 따른 음이온 교환능 변화량이 크지 않았다.
Layered double hydroxide(LDH) is a class of ionic lamellar solids with positively charged layers with two kinds of metallic cations and exchangeable hydrated gallery anions. Interest in hydrotalcites and derived materials arises from the wide applications as catalyst supports, processing of selectiv...
Layered double hydroxide(LDH) is a class of ionic lamellar solids with positively charged layers with two kinds of metallic cations and exchangeable hydrated gallery anions. Interest in hydrotalcites and derived materials arises from the wide applications as catalyst supports, processing of selective chemical nanoreators, separation and membrane technology, filtration, scavenging and controlled release of anions, electroactive and photoactive materials, etc for the environmental and biomedical field due to the anion exchange capabilities with organic or inorganic anions. In this study, the optimum synthesis condition for nano-sized LDH and its characterization through coprecipitation and hydroxide method have been studied. In the coprecipitation method, the salt mixture of magnesium nitrate and aluminum nitrate were mixed with the mixture of sodium hydroxide and sodium carbonate at maintaining pH condition with molar ratio of Mg/Al = 1.5 ～ 3, 25 ～ 150 ℃ aging for 24 hrs, and drying at 25 - 100 ℃, which produced nano-size LDH in the range of 5 ～ 50 nm of prinmary particles and 130 ～ 200 nm of secondary particles, which was measured by transmission electron microscope (TEM) and electrophoretic light scattering method. LDH preparation from starting materials of magnesium hydroxide and aluminum hydroxides has been studied as well as co-precipitation for the economical production of LDH. It was sucessfully synthesized by hydrothermal treatment at 170 ～ 190 ℃ for 2 ～ 3 hrs. The thermo- gravimetric(TG) analysis revealed the endothermic peak at around 450 ～ 500 ℃ by dehydroxylation, which could be the indication of the possibility of LDH as more effective flame retardant than magnesium hydroxide or aluminum hydroxide. The effect of milling on the starting materials and the mixture slurry have been tested with regular ball mill and high energy planetary mill. The milling method was effective to mix homogeneously, to reduce the size of starting materials, and also to induce mechanochemical reaction. The intermediate phase of magnesium carbonate was observed, which is supposed to speed up the dissolution of magnesium hydroxide and finally disappearred by emerging amorphous phase of magnesium aluminum hydroxide. The residual reactants in the final product was reduced and also there was decrease in final average particle size of LDH. However, the LDH prepared from hydroxides was not as small as that from co-precipitation method. The anion exchange capacity was decreased with increase of particle size of LDHs prepared from nitrates by co-precipitation but it was not as distinct in LDH prepared from hydroxide precursors.
Layered double hydroxide(LDH) is a class of ionic lamellar solids with positively charged layers with two kinds of metallic cations and exchangeable hydrated gallery anions. Interest in hydrotalcites and derived materials arises from the wide applications as catalyst supports, processing of selective chemical nanoreators, separation and membrane technology, filtration, scavenging and controlled release of anions, electroactive and photoactive materials, etc for the environmental and biomedical field due to the anion exchange capabilities with organic or inorganic anions. In this study, the optimum synthesis condition for nano-sized LDH and its characterization through coprecipitation and hydroxide method have been studied. In the coprecipitation method, the salt mixture of magnesium nitrate and aluminum nitrate were mixed with the mixture of sodium hydroxide and sodium carbonate at maintaining pH condition with molar ratio of Mg/Al = 1.5 ～ 3, 25 ～ 150 ℃ aging for 24 hrs, and drying at 25 - 100 ℃, which produced nano-size LDH in the range of 5 ～ 50 nm of prinmary particles and 130 ～ 200 nm of secondary particles, which was measured by transmission electron microscope (TEM) and electrophoretic light scattering method. LDH preparation from starting materials of magnesium hydroxide and aluminum hydroxides has been studied as well as co-precipitation for the economical production of LDH. It was sucessfully synthesized by hydrothermal treatment at 170 ～ 190 ℃ for 2 ～ 3 hrs. The thermo- gravimetric(TG) analysis revealed the endothermic peak at around 450 ～ 500 ℃ by dehydroxylation, which could be the indication of the possibility of LDH as more effective flame retardant than magnesium hydroxide or aluminum hydroxide. The effect of milling on the starting materials and the mixture slurry have been tested with regular ball mill and high energy planetary mill. The milling method was effective to mix homogeneously, to reduce the size of starting materials, and also to induce mechanochemical reaction. The intermediate phase of magnesium carbonate was observed, which is supposed to speed up the dissolution of magnesium hydroxide and finally disappearred by emerging amorphous phase of magnesium aluminum hydroxide. The residual reactants in the final product was reduced and also there was decrease in final average particle size of LDH. However, the LDH prepared from hydroxides was not as small as that from co-precipitation method. The anion exchange capacity was decreased with increase of particle size of LDHs prepared from nitrates by co-precipitation but it was not as distinct in LDH prepared from hydroxide precursors.
주제어
#음이온 교환[陰--交換] 공침법 층상이중수화물 합성 SYNTHESIS CHARACTERIZATION LAYERED DOUBLE HYDROXIDE PRECIPITATION 화학 음이온교환능
학위논문 정보
저자
강미라
학위수여기관
慶南大學校 大學院
학위구분
국내박사
학과
化學科
발행연도
2005
총페이지
xii, 122p.
키워드
음이온 교환[陰--交換] 공침법 층상이중수화물 합성 SYNTHESIS CHARACTERIZATION LAYERED DOUBLE HYDROXIDE PRECIPITATION 화학 음이온교환능
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