[논문]숙성조건 의한 메조포러스 SBA-15 실리카의 기공구조와 특성

김한호; 박현; 김경남

doi:10.3740/mrsk.2010.20.5.252

숙성조건 의한 메조포러스 SBA-15 실리카의 기공구조와 특성
Characterization and Pore Structure of Ordered Mesoporous SBA-15 Silica by Aging Condition 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.20 no.5, 2010년, pp.252 - 256

김한호 (강원대학교 신소재공학과) , 박현 (강원대학교 신소재공학과) , 김경남 (강원대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The study was done to change the morphology and pore size of SBA-15 silica, and the characteristics of SBA-15 silica were investigated with TG-DSC, XRD, SEM, TEM and N2 adsorption-desorption under changing aging conditions. SBA-15 silica having a 2D-hexagonal structure was synthesized and confirmed by SEM and TEM. The structure of mesoporus silica SBA-15 showed a pore having regularly formed hexagonal structure and a passage having a cylindrical shape. This result is in good agreement with the pore forming in XRD and cylindrical shape of the structure in $N_2$ adsorption-desorption isotherm. SBA-15 silica showed a large BET surface area of $603-698\;m^2/g$, a pore volume of $0.673-0.926\;cm^3/g$, a large pore diameter of 5.62-7.42 nm, and a thick pore wall of 3.31-4.37 nm. This result shows that as the aging temperature increases, the BET surface area, pore volume, and pore diameter increase but the pore wall thickness decreases. The BET surface areas in SM-2 and SM-3 are as large as $698\;m^2/g$. However, SM-2 has a large surface area and forms a thick pore wall, when the aging temperature is $100^{\circ}C$ and is synthesized into stable mesoporous SBA-15 silica.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 MCM, SBA, KIT등의 여러 메조포러스 물질 중 수열 안정성이 가장 뛰어나 산업적인 측면에서 바로 응용 가능한 SBA-15을 합성하기 위한 숙성조건과 균일한 형태의 메조포러스 물질을 합성하고자 하였다.

제안 방법

Vol. 30 kV, 20 mA로 monochrometer를 사용하여 조사하였다. 면간거리 dhkl는 Bragg's law(nλ = 2dsinθ)에 의해 계산되었으며 격자상수(a₀)는 (100)면을 주 피크로 하는 SBA-15 실리카의 #에 의해 계산되었다.
N2 흡·탈착 분석은 시료의 비표면적, 기공부피, 기공크기을 측정하기 위하여 실시하였으며, aging 온도에 의한 시료의 N2 흡·탈착 등온선을 Fig. 5에 나타내었다.
SBA-15 silica의 합성은 aging 온도와 시간을 변화시켜 시료를 제작하였으며 Fig. 1에 도식화 하였다. SBA15를 합성하기 위하여 먼저 4g의 P123을 2M의 HCl 120 g 과 30 ml의 증류수에서 완전히 용해시킨 후, 8.
1에 도식화 하였다. SBA15를 합성하기 위하여 먼저 4g의 P123을 2M의 HCl 120 g 과 30 ml의 증류수에서 완전히 용해시킨 후, 8.4 g의 TEOS를 강한 교반 하에서 천천히 첨가하였다. 이 혼합물들은 38℃에서 20시간 동안 교반하여 졸을 얻었다.
이 혼합물들은 38℃에서 20시간 동안 교반하여 졸을 얻었다. 그리고 70℃(SM-1), 100℃(SM-2), 130℃(SM-3) 각각의 aging 온도에서 24시간 동안 aging하였으며, 또한 100℃의 온도에서 12시간(SM-4), 24시간(SM-5), 32시간(SM6)의 aging시간을 변화 시켰다. Aging이 끝난 시료는 membrane filter로 여과 후 물과 에탄올로 세척, 70℃에서 24시간 동안 건조하였다.
합성된 메조포러스 실리카 입자의 크기와 구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM, JSM-5410, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 또한 합성된 메조포러스 실리카의 내부 기공 형성 여부와 구조를 위하여 투과전자현미경(TEM, JEM-2010, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
본 실험에서는 잘 정렬된 2D-hexagonal 메조포러스 실리카 SBA-15의 합성하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
시료의 비표면적, 기공부피, 기공크기를 조사하기 위하여 질소 흡·탈착 분석을 실시하였다.
온도변화에 따른 메조포러스 실리카 입자의 크기와 구조를 관찰하기 위하여 SEM, TEM을 이용하였으며 Fig. 7과 Fig. 8에 각각 나타내었다.
합성된 메조포러스 물질의 열적 거동을 관찰하기 위해 TG-DSC(STA409, Netzsch, Germany)를 사용하였으며, 분석 조건은 900℃까지 승온속도 5℃/min으로 분위기 가스는 고순도 O₂를 20 ml/min으로 하였다.
합성된 메조포러스 실리카 입자의 크기와 구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM, JSM-5410, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 또한 합성된 메조포러스 실리카의 내부 기공 형성 여부와 구조를 위하여 투과전자현미경(TEM, JEM-2010, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
합성된 시료는 200℃에서 12시간 동안 degassing 작업 후 77K에서 질소 흡·탈착 분석기(ASAP 2020 Analyzer, Micromeritics, USA)을 이용하여 질소 흡·탈착 등온선을 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 Pluronic P123(Tribl℃k-co-polymer; poly(ethylene oxide)-b-poly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide), BASF, MW = 5800, EO₂₀PO₇₀EO₂₀), TEOS(98% Tetraethyl orthosilicate; C₈H₂₀O₄Si, Sigma-Aldrich, FW = 208.33)등을 사용하였다.

이론/모형

비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법을 사용하였다. 기공크기는 흡착등온선으로 부터, BJH(Barrett-JoynerHalanda)법에 의해 측정되었으며, 기공부피는 상대압력 p/p₀ = 0.99에서의 흡착 가스량으로 부터 측정되었다. 또한 기공벽 두께(T_wall)는 격자상수(α₀) 와 기공직경(d_pore)으로 부터 T_wall= α₀ - d_pore에 의해 계산되었다.
합성된 시료는 200℃에서 12시간 동안 degassing 작업 후 77K에서 질소 흡·탈착 분석기(ASAP 2020 Analyzer, Micromeritics, USA)을 이용하여 질소 흡·탈착 등온선을 측정하였다. 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller)법을 사용하였다. 기공크기는 흡착등온선으로 부터, BJH(Barrett-JoynerHalanda)법에 의해 측정되었으며, 기공부피는 상대압력 p/p₀ = 0.

성능/효과

이는 분석시 주입되는 고순도 O₂에 의한 주형물질 P-123의 산화에 의한 것으로 알 수 있으며, 큰 기공 구조가 산소의 유입을 빠르게 하고 이에 의해 발생되는 산화물(CO₂ 와 H₂O)의 확산통로를 제공하여 급격한 무게 감소가 나타나는 것으로 생각된다.⁸⁾ 또한, 550℃이상에서 더 이상 무게 감소가 나타나지 않는 것으로 보아 주형물질 P-123가 제거 되었음을 알 수 있었다. 시료의 무게감소는 55%까지 진행되었다.
각 시료들은 603~698 m²/g의 비교적 큰 BET surface areas, 0.673~0.926 cm³/g의 pore volume, 5.62~7.42 nm의 pore diameter이 측정되었다. Pore wall thickness는 T_wall=α₀ - dpore에 의해 3.
각 시료의 히스테리시스 곡선에서 나타나는 모세관 응축(Capillary condensation)영역은 명확히 관찰되었으며 온도의 증가에 따라 각각 상대압력(p/p₀) 영역에서 0.55~0.75, 0.6~0.75, 0.6~0.85로 점차 증가하는 추세를 보인다. 이것은 aging 온도가 상승함에 따라 기공크기가 증가하는 Fig.
모든 시료에서 상대압력의 증가와 함께 질소의 흡착량이 증가하다가 상대압력의 감소와 함께 탈착이 관찰되는 히스테리시스 상이 관찰되었다. 이는 IUPAC 분류에 따라 IV타입의 히스테리시스 곡선과 일치하는 N₂ 흡·탈착 등온선으로 SBA-15가 갖는 cylindrical-like pore 구조를 갖는다.
상기 결과로 부터 시료의 비표면적, 기공부피, 기공크기는 aging 온도에 의존적으로 점차 증가하였으며 그와는 반대로 기공벽 두께는 감소하였다. 비표면적은은 시료 SM-2와 SM-3에서 698 m²/g로 높게 나타났다.
이것은 감소된 기공벽 두께와 일치하며 130℃의 aging 조건은 SBA-15의 미세구조에 영향을 미칠것으로 생각한다. 이 결과로 100℃의 aging 온도에서 가장 잘 정렬된 hexagonal 구조를 갖는 것을 알 수 있다. N₂ adsorption-desorption 결과와 비교하면 70℃의 aging시 메조포러스 실리카의 응축반응이 충분하지 못하여 낮은 비표면적을 나타내며, 130℃의 합성조건은 급격히 작아진 기공벽 두께의 파괴로 인해 비표면적이 작은 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SBA-15란?	2,3)1998년에 Stucky교수 등에 의해 Triblock-co-polymer를 주형으로 하며, 이전의 메조포러스 물질보다 큰 내경을 갖는 다공성물질 SBA-15이 제조되었다.4) SBA-15은 Poly (ethylene oxide)-Poly(propylene oxide)-Poly(ethylene oxide)라는 고분자를 이용하여 2D-hexagonal의 형상을 갖으며, 실리카 벽의 두께가 6.4 nm까지 증가 되어 수열 안정성이 높은 다공성 물질이다. 이 주형 메커니즘은 실리케이드 첨가 이전 수용액 속의 계면 활성제가 구형, 막대형 마이셀과 단분자 사이에서 평형을 이루며 존재하다가 실리케이트 음이온이 첨가 되면서 Br- , OH- 등이 이온교환 되고 시간이 지나면서 실리케이트 음이온 사이에서 중합 반응이 일어나 골격을 형성 한다고 하였다.
	분자체의 단점은?	나노 다공성 물질은 IUPAC에 의해 기공이 2 nm이하 일 경우 마이크로포러스(microporous), 2~50 nm 일 경우 메조포러스(mesoporous), 50 nm 이상 일 경우 매크로포러스(macroporous)로 불리워 지고 있다.1) 과거에 대표적인 무기질 다공성 물질은 제올라이트로 기공의 크기가 1 nm이하 즉 분자 수준이어서 일명 분자체(molecular sieve)라고 불리며, 이것은 기공의 크기가 상대적으로 작고 세공의 인공적인 제어등이 곤란하다. 따라서 제올라이트의 특성을 갖으며 기공의 크기가 보다 크고 인공적으로 제어 가능한 물질의 합성이 필요 되어졌다.
	다공성 물질 제조에서 mesoporous material 형성 시 단점은?	이 주형 메커니즘은 실리케이드 첨가 이전 수용액 속의 계면 활성제가 구형, 막대형 마이셀과 단분자 사이에서 평형을 이루며 존재하다가 실리케이트 음이온이 첨가 되면서 Br- , OH- 등이 이온교환 되고 시간이 지나면서 실리케이트 음이온 사이에서 중합 반응이 일어나 골격을 형성 한다고 하였다.4,5)그러나 위와 같이 꾸준히 연구가 증가하는 추세에서도 이전의 연구에서는 제조 조건등이 확립되지 않았으며, 메조포러스 물질의 형성시 불규칙적인 형태로 인하여 산업적으로도 그 응용에 어려움이 있는 실정이다. 현재 나노 다공성 물질들을 이용하여 촉매, 센서, 통신, 분리막, 흡착제 등의 다양한 연구가 증가하고 있는 추세이다.

참고문헌 (12)

A. Corma, Chem. Rev., 97(6), 2373 (1997).

상세보기
C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, J. C. Vartuli

상세보기
J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz,

상세보기
D. Zhao, Q. Huo, J. Feng, B. F. Chmelka and G. D.

상세보기
A. Firouzi, D. Kumar, LM. Bull, T. Besier, P. Sieger, Q.

상세보기
F. Zhang, Y. Yan, H. Yang, Y. Meng, C. Yu, B. Tu and

상세보기
Z. Jin, X. Wang and X. Cui, Colloid. Surface. A: Physicochem. Eng. Aspect., 316, 27 (2008).

상세보기
S. A. Bagshaw and I. J. Bruce, Micro & Meso. Mat., 109,
Q. Huo, D. I. Margolese and G. D. Stucky, Chem. Mater.,

상세보기
K. Northcott, H. Kokusen, Y. Komatsu and G. Stevens,

상세보기
V. Escax, E. Delahaye, M. I. Clerc, P. Beaunier, M. D.

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Q. Wei, L. Liu, Z. R. Nie, H. Q. Chen, Y. L. Wang, Q.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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