[논문]In-situ 성장법에 의한 ZIF-8 분리막 합성 및 H2/CO2 분리 특성

이정희; 유성종; 김진수

doi:10.14579/membrane_journal.2018.28.2.129

In-situ 성장법에 의한 ZIF-8 분리막 합성 및 H2/CO2 분리 특성
In-situ Growth Synthesis of ZIF-8 Membranes and their H2/CO2 Separation Properties 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.28 no.2, 2018년, pp.129 - 135

이정희 (경희대학교 KHU-KIST 융합과학기술학과) , 유성종 (KIST 연료전지센터) , 김진수 (경희대학교 KHU-KIST 융합과학기술학과)

초록
AI-Helper

ZIFs (Zeolitic imdazolate frameworks)은 높은 화학적 열적 안정성, 높은 비표면적과 조절 가능한 기공구조로 최근 분리막 소재로 큰 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 두 가지 종류의 다공성 지지체(${\alpha}$-alumina 및 YSZ)를 사용하여 in situ 성장법으로 ZIF-8 분리막을 합성하고, $H_2/CO_2$ 기체 투과 특성을 조사하였다. 결함 없는 ZIF-8층을 합성하는데 있어, 기공이 작은 YSZ 지지체는 ${\alpha}$-alumina 지지체 보다 더 적은 시간이 요구되었다. 합성시간이 3 h인 경우, ${\alpha}$-alumina 및 YSZ 지지체위에 형성된 ZIF-8 분리막은 약 10 정도의 $H_2/CO_2$ 선택도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

ZIFs (Zeolitic imdazolate frameworks) have attracted great attention as membrane materials in recent years due to their high chemical and thermal stability, high specific surface area and adjustable pore structure. In this study, ZIF-8 membranes were synthesized by in-situ growth method on two different support materials (${\alpha}$-alumina and YSZ) and their $H_2/CO_2$ gas permeation characteristics were investigated. In order to synthesize defect-free ZIF-8 layer, YSZ support required less synthesis time than ${\alpha}$-alumina support due to smaller pore size. After in-situ growth for 3 h, ZIF-8 membranes prepared on both YSZ and ${\alpha}$-alumina supports showed $H_2/CO_2$ selectivity of about 10.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 다공성 α-alumina 및 YSZ 지지체를 제조하여, in-situ 용매열 합성법에 의해 ZIF-8 분리막합성 시 지지체 영향에 대해 조사하였다.
본 연구에서는 기공 크기가 다른 α-alumina 지지체와 YSZ 지지체 위에 in situ 성장법으로 ZIF-8 분리막을 합성하였다. 합성 시간에 따른 ZIF-8 분리막의 성장과 기체 투과 특성에 대해 살펴보았다.

제안 방법

40 kV, 300 mA에서 CuKα(λ = 1.54056 Å) target과 Ni filter를 이용해 2θ =5-45°의 범위에서 6 °/min의 스캔 속도로 측정하였다.
다공성 YSZ 지지체는 상용 YSZ 분말을 볼밀링하여 YSZ 슬러리를 만들고 이를 다공성 α-alumina 지지체에 코팅하여 제조하였다.
본 연구에서는 기공 크기가 다른 α-alumina 지지체와 YSZ 지지체 위에 in situ 성장법으로 ZIF-8 분리막을 합성하였다.
테프론 재질의 비이커에 성장 용액을 넣고 다공성 지지체(α-alumina 및 YSZ 지지체)를 수직으로 고정한 후, 오토클레이브(autoclave)에 넣고 밀봉하여 120°C에서 1, 2, 3 h 동안 용매열 합성시켜 ZIF-8 분리막을 제조한다.

대상 데이터

PVA 바인더 용액은 3 g의 PVA 분말(PVA 500,Duksan, Korea)을 증류수(95 mL)와 1 M 질산(5 mL)의 혼합 용매에 85°C에서 용해시켜 준비하였다.
딥코팅법으로 코팅된 다공성 YSZ층은 상온에서 12 h 동안 건조시킨 후, 450°C에서 2 h 동안 열처리를 통해 다공성 YSZ 지지체로 사용하였다.

이론/모형

다양한 지지체 위에 합성된 ZIF-8 분리막의 기체 투과 특성을 평가하기 위해 H2와 CO₂의 혼합기체를 이용하여 Wicke-Kallenbach법으로 투과 실험을 진행하였다[9]. 투과셀의 양단은 대기압으로 유지하며, 피드부로 동일한 부피유량의 H₂와 CO₂의 혼합기체를 총 50mL/min의 유량으로 흘려주고, 반대쪽으로는 쓸개 기체(sweeping gas)인 Ar을 같은 유량인 50 mL/min 흘려주었다.
54056 Å) target과 Ni filter를 이용해 2θ =5-45°의 범위에서 6 °/min의 스캔 속도로 측정하였다. 또한, 제조된 분리막의 표면 및 단면을 살펴보기 위해 FE-SEM (Model MERLIN, Carl Zeiss STM, Germany)을 이용하였다.
본 연구에서 합성한 모든 분리막은 압축-소결법(press-sinter method)을 통해 제조한 디스크 모양의 α-alumina 지지체(두께 : 2 mm, 지름 : 20 mm)를 사용하였다[19,20].
합성된 분리막의 결정상과 결정도를 확인하기 위해 X-ray diffractometer (Model D8 Advance, Bruker, Germany)를 이용하였다. 40 kV, 300 mA에서 CuKα(λ = 1.

성능/효과

합성 시간이 2 h일 때 표면은 완전히 덮였으나, 각진 결정으로 성장되지는 못했다. 3 h이 되면 ZIF-8 결정들이 잘 성장되었고, 빈 공간없이 결정들이 상호 성장된 것을 확인할 수 있다. Fig.
In-situ 성장법을 통해 결함없는 ZIF-8 분리막을 합성하는데 걸리는 시간은 지지체 기공 크기에 영향을 받았으며, 기공 크기가 큰 α-alumina 지지체는 더 많은 합성 시간이 요구되었다.
YSZ 지지체 위에 합성된 ZIF-8 분리막의 경우 합성 시간이 2 h과 3 h으로 증가함에 따라 H2 투과도는 급격히 줄어들었지만 H2/CO2 선택도는 서서히 증가하여 α-alumina 지지체를 사용한 경우보다 약간 증가한 10.05를 나타내었다.
수은 압입법(mercury intrusion porosimeter)을 통해 측정한 결과 α-alumina 지지체는 평균 150 nm의 기공 크기를 가진 반면, YSZ 지지체는 70 nm의 기공 크기를 보였다.
용매열 합성 온도를 120°C로 고정한 상태에서 합성 시간을 1 h에서 2, 3 h으로 증가시킴에 따라 ZIF-8층의 두께는 모두 증가하였다.
합성 시간을 3 h으로 증가시키면 α-alumina 지지체 위의 ZIF-8층은 약 10 µm두께가 되었고, YSZ 지지체는 약 19 µm 두께로 성장하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이것은 YSZ 지지체에서 합성 시간이 길어지면 ZIF-8결정의 크기가 매우 커져서 분리막으로 형성되었을 때 상호성장에 불리하게 작용하기 때문이라고 생각된다. 향후 합성 조건을 최적화하여 ZIF-8층의 두께를 줄인다면, 더 높은 H₂ 투과도를 가진 ZIF-8 분리막이 합성될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZIFs이 최근 분리막 소재로 큰 관심을 받고 있는 이유는?	ZIFs (Zeolitic imdazolate frameworks)은 높은 화학적 열적 안정성, 높은 비표면적과 조절 가능한 기공구조로 최근 분리막 소재로 큰 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 두 가지 종류의 다공성 지지체(${\alpha}$-alumina 및 YSZ)를 사용하여 in situ 성장법으로 ZIF-8 분리막을 합성하고, $H_2/CO_2$ 기체 투과 특성을 조사하였다.
	α-alumina 지지체의 경우 합성과정에서 더 큰 기공을 메운 후 ZIF-8층이 형성되는 이유는?	합성 시간이 2 h으로 증가한 경우, 모두 ZIF-8 결정 피크를 보여주지만 YSZ 지지체의 경우 성장한 ZIF-8층의 결정 피크의 강도가 훨씬 큰 것을 볼 수 있다. α-alumina 지지체와 YSZ 지지체는 모두 다공체이지만, α-alumina 지지체의 기공 크기(150 nm)가 YSZ 지지체의 기공 크기(70 nm)보다 훨씬 크다. 따라서, α-alumina 지지체의 경우 합성과정에서 더 큰 기공을 메운 후 ZIF-8층이 형성되기 때문에 상대적으로 같은 합성 시간(2 h) 동안 ZIF-8층의 형성이 느린 것으로 생각된다.
	분리막을 이용한 기체분리기술에 관한 많은 연구가 진행될 수 있었던 이유는?	전통적인 기체분리 공정인 증류나 흡착은 많은 에너지 소비가 요구된다. 반면에 분리막을 이용한 기체분리기술은 상대적으로 적은 에너지 소비와 작은 탄소 footprint 덕분에 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 기체 분리막은 수소 분리, 질소/산소 분리, 천연가스 정제 등에 적용되고 있다[1].

참고문헌 (24)

P. Bernardo, E. Drioli, and G. Golemme, "Membrane gas separation: A review/State of the art", Ind. Eng. Chem. Res., 48, 4638 (2009).

상세보기
M. Shah, M. C. McCarthy, S. Sachdeva, A. K. Lee, and H.-K. Jeong, "Current status of metal-organic framework membranes for gas separations: promises and challenges", Ind. Eng. Chem. Res., 51, 2179 (2012).

상세보기
J. H. Lee and J. Kim, "Research trends of metal-organic framework membranes: fabrication methods and gas separation applications", Membr. J., 25, 465 (2015).

원문보기 상세보기
V. M. A. Melgar, J. Kim, and M. R. Othman, "Zeolitic imidazolate framework membranes for gas separation: A review of synthesis methods and gas separation performance", J. Ind. Eng. Chem., 28, 1, (2015).

상세보기
H. Li, M. Eddaoudi, M. O'Keeffe, and O. M. Yaghi, "Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework", Nature, 402, 276 (1999).

상세보기
J. Y. Lee, O. K. Farha, J. Roberts, K. A. Scheidt, S. T. Nguyen, and J. T. Hupp, "Metal-organic framework materials as catalysts", Chem. Soc. Rev., 38, 1450 (2009).

상세보기
S. K. Henninger, H. A. Habib, and C. Janiak, "MOFs as adsorbents for low temperature heating and cooling applications", J. Am. Chem. Soc., 131, 2776 (2009).

상세보기
H. S. Choi, S. J. Lee, Y. S. Bae, S. J. Choung, S. H. Im, and J. Kim, "Scalable continuous solvo-jet process for ZIF-8 nanoparticles," Chem. Eng. J., 266, 56 (2015).

상세보기
V. M. A. Melgar, H. T. Kwon, and J. Kim, "Direct spraying approach for synthesis of ZIF-7 membranes by electrospray deposition", J. Membr. Sci., 459, 190 (2014).

상세보기
S. J. Noh and J. Kim, "Solvothermal synthesis and gas permeation properties of nanoporous HKUST-1 membranes", Membr. J., 22, 435 (2012).
V. M. A. Melgar, H. Ahn, J. Kim, and M. R. Othman, "Highly selective micro-porous ZIF-8 membranes prepared by rapid electrospray deposition", J. Ind. Eng. Chem., 21, 575 (2015).

상세보기
S. J. Noh and J. Kim, "Solvothermal synthesis and characterization of Cu3(BTC)2 tubular membranes using surface modified supports", Korean Chem. Eng. Res., 52, 214 (2014).

원문보기 상세보기
K. S. Park, Z. Ni, A. P. Cote, J. Y. Choi, R. Huang, F. J. Uribe-Romo, H. K. Chae, M. O'Keeffe, and O. M. Yaghi, "Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks", Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 103, 10186 (2006).

상세보기
Y. S. Li, H. Bux, A. Feldhoff, G. L. Li, W. S. Yang, and J. Caro, "Controllable synthesis of metal-organic frameworks: from MOF nanorods to oriented MOF membranes", Adv. Mater., 22, 3322 (2010).

상세보기
H. Hayashi, A. P. Cote, H. Furukawa, M. O'Keeffe, and O. M. Yaghi, "Zeolite A imidazolate frameworks", Nat. Mater., 6, 501 (2007).

상세보기
H. T. Kwon and H. K. Jeong, "Improving propylene/propane separation performance of zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes", Chem. Eng. Sci., 124, 20 (2015).

상세보기
M. J. Lee, H. T. Kwon, and H. K. Jeong, "Defect-dependent stability of highly propylene-selective zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes", J. Membr. Sci., 529, 105 (2017).

상세보기
Y. Pan, W. Liu, Y. Zhao, C. Wang, and Z. Lai, "Improved ZIF-8 membrane: effect of activation procedure and determination of diffusivities of light hydrocarbons," J. Membr. Sci., 493, 88 (2015).

상세보기
H. T. Kwon and J. Kim, "Synthesis and characterization of sol-gel derived mesoporous titania/alumina membranes", Membr. J., 21, 229 (2011).
V. M. A. Melgar and J. Kim, "Preparation of crack-free ZIF-7 thin films by electrospray deposition", Membr. J., 23, 278 (2013).
H. Ahn, D. Kim, V. M. A. Melgar, J. Kim, M. R. Othman, H. V. P. Nguyen, J. Han, and S. P. Yoon, "YSZ-carbonate dual-phase membranes for high temperature carbon dioxide separation", J. Ind. Eng. Chem., 20, 3703 (2014).

상세보기
Y. Pan, B. Wang, and Z. Lai, "Synthesis of ceramic hollow fiber supported zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-89) membranes with high hydrogen permeability", J. Membr. Sci., 421-422, 292 (2012).

상세보기
M. Shah, H. T. Kwon, V. Tran, S. Sachdeva, and H. K. Jeong, "One step in situ synthesis of supported zeolitic imidazolate framework ZIF-8 membranes: role of sodium formate", Microporous Mesoporous Mat., 165, 63 (2013).

상세보기
Z. Xie, J. Yang, J. Wang, J. Bai, H. Yin, B. Yuan, J. Lu, Y. Zhang, L. Zhou, and C. Duan, "Deposition of chemically modified ${\alpha}-Al_2O_3$ particles for high performance ZIF-8 membrane on a macroporous tube", Chem. Comm., 48, 5977 (2012).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증