본 연구에서는 잘 배열된 나노세공 구조와 자성체나노입자를 포함하는 메조포러스 카본(Carbonized Ni-FDU-15)을 합성하였다. Carbonized Ni-FDU-15는 구조형성 주형으로 트리블럭 공중합체(F127)를 이용하고, 카본 세공벽 형성 물질로 resol 전구체를 사용하며 질산 니켈(nickel(II) nitrate)을 금속이온 원으로 사용하여 증발유도 자기조립(Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA)과 직접 탄화과정을 거쳐서 합성되었다. 메조포러스 카본은 잘 배열된 이차원적 육방체 구조(2D-hexagonal structure)를 가진다. 한편, 세공벽 내 자성체 나노입자는 니켈(Ni) 금속과 니켈 산화물(NiO)이 생성되었다. 나노입자의 크기는 약 37 nm이었다. 그리고 Carbonized Ni-FDU-15의 표면적, 세공크기, 세공부피는 각각 $558m^2g^{-1}$, $22.5{\AA}$ 그리고 $0.5cm^3g^{-1}$이었다. Carbonized Ni-FDU-15는 외부에서 자력을 가하였을 때 자력이 가해지는 방향으로 이동함을 확인하였다. 이러한 자성체 담지 메조포러스 카본 물질은 흡착/분리, 자기 저장 매체, 자성 유체(ferrofluid), 자기 공명 영상(MRI) 및 약물 타겟팅 등의 광범위한 응용 분야에 높은 응용성을 가질 것으로 기대된다.
본 연구에서는 잘 배열된 나노세공 구조와 자성체 나노입자를 포함하는 메조포러스 카본(Carbonized Ni-FDU-15)을 합성하였다. Carbonized Ni-FDU-15는 구조형성 주형으로 트리블럭 공중합체(F127)를 이용하고, 카본 세공벽 형성 물질로 resol 전구체를 사용하며 질산 니켈(nickel(II) nitrate)을 금속이온 원으로 사용하여 증발유도 자기조립(Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA)과 직접 탄화과정을 거쳐서 합성되었다. 메조포러스 카본은 잘 배열된 이차원적 육방체 구조(2D-hexagonal structure)를 가진다. 한편, 세공벽 내 자성체 나노입자는 니켈(Ni) 금속과 니켈 산화물(NiO)이 생성되었다. 나노입자의 크기는 약 37 nm이었다. 그리고 Carbonized Ni-FDU-15의 표면적, 세공크기, 세공부피는 각각 $558m^2g^{-1}$, $22.5{\AA}$ 그리고 $0.5cm^3g^{-1}$이었다. Carbonized Ni-FDU-15는 외부에서 자력을 가하였을 때 자력이 가해지는 방향으로 이동함을 확인하였다. 이러한 자성체 담지 메조포러스 카본 물질은 흡착/분리, 자기 저장 매체, 자성 유체(ferrofluid), 자기 공명 영상(MRI) 및 약물 타겟팅 등의 광범위한 응용 분야에 높은 응용성을 가질 것으로 기대된다.
In this study, we synthesized mesoporous carbon (Carbonized Ni-FDU-15) containing nanoporous structures and magnetic nanoparticles. Carbonized Ni-FDU-15 was synthesized via evaporation-induced self-assembly (EISA) and direct carbonization by using a triblock copolymer (F127) as a structure-directing...
In this study, we synthesized mesoporous carbon (Carbonized Ni-FDU-15) containing nanoporous structures and magnetic nanoparticles. Carbonized Ni-FDU-15 was synthesized via evaporation-induced self-assembly (EISA) and direct carbonization by using a triblock copolymer (F127) as a structure-directing agent, a resol precursor as a carbon-pore wall forming material, and nickel (II) nitrate as a metal ion source. The mesoporous carbon has a well-ordered two-dimensional hexagonal structure. Meanwhile, nickel (Ni) metal and nickel oxide (NiO) were produced in the magnetic nanoparticles in the pore wall. The size of the nanoparticles was about 37 nm. The surface area, pore size and pore volume of Carbonized Ni-FDU-15 were $558m^2g^{-1}$, $22.5{\AA}$ and $0.5cm^3g^{-1}$, respectively. Carbonized Ni-FDU-15 was found to move in the direction of magnetic force when magnetic force was externally applied. The magnetic nanoparticle-bearing mesoporous carbons are expected to have high applicability in a wide variety of applications such as adsorption/separation, magnetic storage media, ferrofluid, magnetic resonance imaging (MRI) and drug targeting, etc.
In this study, we synthesized mesoporous carbon (Carbonized Ni-FDU-15) containing nanoporous structures and magnetic nanoparticles. Carbonized Ni-FDU-15 was synthesized via evaporation-induced self-assembly (EISA) and direct carbonization by using a triblock copolymer (F127) as a structure-directing agent, a resol precursor as a carbon-pore wall forming material, and nickel (II) nitrate as a metal ion source. The mesoporous carbon has a well-ordered two-dimensional hexagonal structure. Meanwhile, nickel (Ni) metal and nickel oxide (NiO) were produced in the magnetic nanoparticles in the pore wall. The size of the nanoparticles was about 37 nm. The surface area, pore size and pore volume of Carbonized Ni-FDU-15 were $558m^2g^{-1}$, $22.5{\AA}$ and $0.5cm^3g^{-1}$, respectively. Carbonized Ni-FDU-15 was found to move in the direction of magnetic force when magnetic force was externally applied. The magnetic nanoparticle-bearing mesoporous carbons are expected to have high applicability in a wide variety of applications such as adsorption/separation, magnetic storage media, ferrofluid, magnetic resonance imaging (MRI) and drug targeting, etc.
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문제 정의
C)가 포함된 메조포러스 카본 자성체 물질을 합성하였다. 그리고 염료(methylene blue, methyl orange)와 중금속(Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cr6+, Pb2+)의 선택적 흡착을 위한 흡착소재로의 응용 가능성을 보고하였다. 위에서 설명한 세 그룹에[1,15,16] 의해 합성된 iron기반메조포러스 카본 자성체 물질은 비록 메조포어(mesopore)를 가지기는 하지만 낮은 표면적 35∼410 m2g-1과 낮은 세공부피 0.
구조 형성 주형으로 트리블럭 공중합체(F127), 세공 벽 형성 물질로 레졸(resol) 그리고 금속이온원으로 질산 니켈(Ni(NO3)2⋅6H2O)을 사용하고 증발유도 자기조립(Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA)과 직접 탄화과정을 거쳐서 자성체가 담지된 메조포러스 카본 물질(Carbonized Ni-FDU-15)을 합성하였다.
먼저, 그들은 니켈 아세테이트(nickel acetate)와 글리세롤(glycerol) 혼합 용액을 280 ℃에서 가열하여 니켈 금속 나노폼(nanoform)을 합성하였다. 그리고 phenol-formaldehyde (PF) resole을 니켈 금속 나노폼에 가한 후 탄화 과정을 거쳐서 니켈 금속 나노폼(nanoform)/메조포러스 카본 복합체를 합성하였다. 그 복합체는 수퍼 커패시터(super capacitor)로의 높은 응용 가능성을 보여 주었다.
또한, Fukumi와 공동 연구자들은[16] Watanabe와 공동 연구자들이[15] 보고한 유사한 방법을 사용하여 γ-Fe2O3 나노입자가 포함된 메조포러스 카본 자성체 물질을 합성하였다.
본 연구에서는 구조형성 주형으로 트리블럭 공중합체(F127)를 이용하고, 카본 세공벽 형성 물질로 resol전구체를 사용하며 질산 니켈(nickel(II) nitrate)을 금속이온 원으로 사용하여 증발유도 자기조립(EvaporationInduced Self-Assembly, EISA)과 직접 탄화과정을 거친 다음, 니켈(Ni) 금속과 니켈 산화물(NiO)이 담지되고 잘 배열된 세공구조 (2D-육방체 구조)를 가지는 메조포러스 카본 물질을 합성하였다.
투과 전자 현미경(TEM) 관찰은 JEOL2010으로 수행하였다. 시료 용액을 탄소박막을 입힌 구리 격자판 위에 위치시키고 200 kV의 구동전압으로 분석하였다. 질소흡착/탈착 등온곡선은 Nova 4000e를 이용하여 -196 °C에서 얻었다.
대상 데이터
먼저, 구조 형성 주형으로 트리블럭 공중합체(F127), 세공벽 형성 물질로 레졸(resol) 그리고 금속이온원으로 질산 니켈(Ni(NO3)2⋅6H2O)을 포함하는 에탄올 용액을 제조한다.
최근에 본 연구팀은 트리블럭 공중합체를 구조형성 주형, resol 전구체를 카본 세공벽 형성 물질로 사용하고 질산철을 금속이온 원으로 사용하여 직접 탄화과정을 거친 다음, 마그네타이트(Fe3O4)가 담지되고 잘 배열된 세공구조 (2D-육방체 구조)를 가지는 메조포러스카본 물질을 합성하였다. 그리고 페닐알라닌(phenylalanine)과 아이부프로펜(ibuprofen)에 대한 우수한 흡착성능을 보고하였다[18,19].
완전히 녹인 후, 질산 니켈(Ni(NO3)2⋅6H2O)을 녹인다(Ni/레졸의 비 = 1 wt%). 그리고 증발유도 자기조립(Evaporation-Induced Self-Assembly, EISA) 방법을 이용하여 나노구조화된 트리블럭 공중합체-polymer resin-질산니켈 복합체를 합성한다. 구체적으로, 반응용액을 유리용기에 얇은 두께로 분산시킨다(약 2 mm 이하 두께로).
시료의 표면적은 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 방법을 이용하여 흡착곡선으로부터 얻었다. 세공크기의 분포도는 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 방법을 이용하여 흡착곡선으로부터 얻었다.
그리고 실온으로 식힌 다음, 1 M 염산 수용액을 사용하여 용액의 산도를 중성으로 만든다. 시료 내 물은 감압 방법을 이용하여 제거한다. 얻어진 레졸을 에탄올에 다시 녹여서 20 wt% 용액을 제조한다.
질소흡착/탈착 등온곡선은 Nova 4000e를 이용하여 -196 °C에서 얻었다. 시료의 표면적은 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 방법을 이용하여 흡착곡선으로부터 얻었다. 세공크기의 분포도는 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 방법을 이용하여 흡착곡선으로부터 얻었다.
질소흡착/탈착 등온선은 나노세공을 가지는 시료에서 보여주는 전형적인 타입IV의 모양을 보여주었다. 질소 흡착 곡선을 이용하고 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 방법으로 구한 Carbonized Ni-FDU-15의 표면적은 558 m2g-1 이었다. Figure 4(b)에서 보여주는 바와 같이, BarrettJoyner-Halenda (BJH) 방법을 이용하여 구한 세공크기는 좁은 분포도를 보여주었다.
541 Å)을 이용하여 Rigaku Miniflex diffractometer (40 kV, 30 mA)로 측정하였다. 투과 전자 현미경(TEM) 관찰은 JEOL2010으로 수행하였다. 시료 용액을 탄소박막을 입힌 구리 격자판 위에 위치시키고 200 kV의 구동전압으로 분석하였다.
성능/효과
이러한투과전자현미경 관찰 결과는 Figure 2A(b)에서 보여주는 Carbonized Ni-FDU-15에 대한 SAXS 패턴의 결과와 잘 일치하였다. 그리고 메조포러스 카본 내에 니켈 금속(Ni)과 니켈 산화 (NiO) 종 나노입자가 잘 분산되어있음을 보여주었다. 투과전자현미경 사진으로부터 얻어진 나노입자의 크기는 약 37 nm이었다.
후속연구
의 자가 희생 (self-sacrificial) 과정을 거쳐서 할로우 메조포러스 카본(hollow mesoporouscarbon) 자성체를 합성하였다. 그리고 복잡한 생체 시료로부터 저농도의 펩티드(peptide) 물질의 흡착, 분리에 대한 응용 가능성을 보여주었다. 한편, 메조포러스카본 자성체(Fe3O4@C)는 Wei와 공동 연구자들에[14] 의해 폴리스티렌 그래프트된 폴리도파민 코팅 자성 나노입자를 탄화시켜서 합성되었다.
따라서, 본 연구에서 합성한 자성체가 담지된 메조포러스 카본 물질은 외부 자력에 의한 물리⋅화학적 응용 분야에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
메조포러스 카본의 특징은?
메조포러스 카본(mesoporous carbon) 물질은 균일한 기공 구조, 높은 표면적 뿐만 아니라 독특한 물리 및 화학적 특성으로 인해 현대 과학의 많은 응용분야에서 매우 높은 관심을 받고 있다. 열 안정성, 화학적 안정성, 저밀도, 생체 적합성 및 특정 표면 특성과 같은 다양한 특성을 제공한다.
카본 물질이 유기 오염 물질 흡착에 유용한 이유는?
특히, 카본 물질은 표면의 소수성 때문에 소수성 분자인 휴믹산(humic acid), 덱스트린(dextrin), 시토크롬C (cytochrome C) 및 히스티딘(histidine)과 같은 생체물질, 페놀(phenol)과 염료(dyes) 같은 유기 오염 물질을 흡착하는데 유용하다[5]. 그러나 카본 분말은 용액에서 분리하기가 어렵고 2 차 오염을 일으킬 수 있다.
카본 물질의 단점은?
특히, 카본 물질은 표면의 소수성 때문에 소수성 분자인 휴믹산(humic acid), 덱스트린(dextrin), 시토크롬C (cytochrome C) 및 히스티딘(histidine)과 같은 생체물질, 페놀(phenol)과 염료(dyes) 같은 유기 오염 물질을 흡착하는데 유용하다[5]. 그러나 카본 분말은 용액에서 분리하기가 어렵고 2 차 오염을 일으킬 수 있다. 카본 분리를 위한 일반적인 접근법은 여과 또는 원심분리 과정을 거치며, 이는 다소 복잡하고 많은 비용이 요구된다[6].
참고문헌 (24)
L. Chen, T. Ji, L. Mu, Y. Shi, L. Brisbin, Z. Guo, M. A. Khan, D. P. Young, and J. Zhu, RSC Adv., 6, 2259 (2016).
A. H. Lu, W. Schmidt, N. Matoussevitch, H. Bonnemann, B. Spliethoff, B. Tesche, E. Bill, W. Kiefer, and F. Schuth, Angew. Chem. Int. Ed. 43, 4303 (2004).
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