유-무기 하이브리드 메조포러스 촉매 물질의 설계 및 합성
Design and Synthesis of Organic-inorganic Hybrid Mesoporous Catalysts
- 발행기관 亞洲大學校 大學院
- 지도교수 金知晩
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 공학계열
- 본문언어 한국어
초록/요약
최근 유기 무기 하이브리드 물질에 대한 관심이 높아지면서 메조 포러스 물질에도 유기물질을 도입하는 방향으로 연구가 많이 진행되고 있다. 현재까지 주로 사용된 방법은 PMS (Periodic Mesoporous Silicas)에 기능기 부착 등의 표면 개질을 통한 silylation 방법으로 이는 유기 그룹이 표면과 ether linkage를 취하고 있어 수열안정성이 낮고, 쉽게 분해 되는 것으로 알려져 있다. 또한 기능기로 부여되는 silica source의 가격이 비싸고, 그 종류가 다양하지 못해 표면 개질에 제한이 있으며, 표면의 특정부위에 붙는 것이 아니라 불특정 부위에 붙거나 서로 condensation 될 수 있어 실제 표면 개질에 불리한 점이 있다. 이러한 단점들로 인해 이를 보완하기 위한 연구가 진행되었고 본 연구에서는 PMO (Periodic Mesoporous Organosilicas) 의 합성과 dehydroxylation route를 이용한 표면 개질 방법을 제안하였다. 1999년 일본의 Inagaki 연구진에 의해 최초로 합성 보고 된 PMO 라는 물질은 골격 구조에 유기 물질을 가지고 있는 물질로 계면활성제와 유기물질을 함유한 골격 구성 전구체 사이의 interaction을 이용해 나타나는 self-assembly현상과 고분자 축합반응을 통하여 합성 되며, 합성된 물질은 분포도가 좁은 나노 크기의 기공과 높은 표면적을 지닌다. PMO는 기존의 PMS (Periodic Mesoporous Silicas) 와 같이 기공의 크기와 모양 등을 계면활성제의 종류와 농도의 조절로 변화가 가능하다. 또한 PMS보다 우수한 수열 안정성, 구조적인 유연성, 조절 가능한 소수성과 기능기 부착의 다양성으로 인해 촉매의 응용성이나 흡착능력, 담체로써의 유리한 조건을 갖추고 있다. 그러나 6~8nm의 비교적 큰 기공을 가지는 영역에서 PMS만큼 정렬된 구조를 보이지 않아 PMO의 구조 향상에 관한 연구가 활발히 진행되었다. 본 연구에서도 PMO의 구조향상을 위해 hydrolysis와 condensation을 pH와 florid농도를 조절함으로써 정렬된 구조를 합성 하였다. 표면 개질 효과적으로 하기 위한 다른 방법으로 본 연구에서는 dehydroxylation route를 사용한 표면개질을 제안하였다. 이 방법은 PMS을 850도에서 열처리 하여 생성된 dehydroxylated silica에 Grignard reagent로 유기물질을 붙이는 방법이다. 이는 활성화된 부분이 생겨 남으로써 합성이 진행되는 반응으로 부반응이 생기지 않으며, direct Si-C 결합으로 쉽게 분해 되지 않는다는 장점을 가진다. Dehydroxylation route를 사용하여 표면개질을 한 PMS는 기존의 유-무기 하이브리드의 물질의 합성법인 silylation과는 다른 장점을 확인하기 위해 Friedel-Crafts acylation reaction 실험을 하였고, 이는 불균일계 촉매를 사용한 Green Chemistry의 한 가지 응용 면이다. 그 외에도 기능기가 부여된 유-무기 하이브리드 물질인 PMO와 dehydroxylation route로 표면개질된 PMS는 광학소자로 쓰일 수 있으며, 이온교환, 크로마토그래피 등 다양한 응용 가능성을 가지고 있다.
more초록/요약
We propose two works for organic-inorganic hybrid mesoporous materials. First is a PMO and second is a surface modification via dehydroxylation route. The PMO materials are expected to open a wide range of new and exciting opportunities for designing materials with controlled surface properties at the molecular level and for a lot of applications. However, the material exhibited poorly ordered mesostructure. In the present work, we report the synthesis of highly ordered PMO materials with large pores using triblock copolymer P123 via controlling conditions such as molar ratios, pH, temperature, fluoride ratio, etc. Since researchers at Mobil Company reported the syntheses of mesoporous silicas such as MCM-41 and MCM-48 there have been a lot of development in their synthesis, structural characterization and modification with various inorganic or organic functional groups. Most popularly, the organically modified mesoporous silicas can be prepared via post-grafting technique. However, post-grafting method is too easy cleavage of the Si-O-C bonds during applications. So we propose a novel strategy for modification of mesoporous silica surface via a dehydroxylation route. The route gives not only the formation of a direct Si-C bond, which is much stronger in hydrolytic cleavage, but also preclusion from the formation of both surface bound oligomers and variable modes of attachment. The surface modified MCM-41 materials functionalized with sulfonic acid groups exhibit very high catalytic activity like homogenous catalyst, H₂SO₄
more목차
목차
본문차례 (List of Text)
요약문 = ⅰ
목차 = ⅲ
그림 목차 = ⅴ
표 목차 = ⅵ
Ⅰ. 서론 = 1
1. PMO ( Periodic Mesoporous Organosilicas ) = 1
1.1 메조포러스 물질 = 1
1.2 메조포러스 물질의 합성 = 2
1.3 PMO ( Periodic Mesoporous Organosilicas ) = 6
1.4 큰 기공을 가지는 PMO 물질 = 6
2. Dehydroxylation route를 사용한 표면개질 = 8
2.1 표면개질 = 8
1) Silylation = 9
2) Dehydroxylation route = 10
2.2 Grignard reagent = 11
2.3 특성 비교 = 12
3. Friedel-Crafts acylation reaction = 12
Ⅱ. 실험 = 14
1. PMO물질의 합성 = 14
1.1 pH effect = 15
1.2 Florid effect = 15
1.3 pH에 따른 fluoride effect = 15
1.4 Salt effect = 16
2. Dehydroxylation route를 사용한 표면개질 = 16
2.1 PMS 물질의 합성 = 16
2.2 Sylilation 방법 = 20
2.3 Grignard reagent를 사용한 표면개질 방법 = 20
1) 온도에 따른 organic contents = 21
2) 다양한 표면개질 = 22
2.4 특성 비교 = 22
1) Organic contents = 22
2) Hydrothermal stability = 23
3) Acid stability = 23
4) Mechanical stability = 23
3. Friedel-Crafts acylation reaction = 24
4. PMO & Dehydroxylation route를 사용한 표면개질 물질의 특성분석 = 25
4.1 X-ray diffraction (XRD) = 25
4.2 FT-IR = 25
4.3 열 질량 분석 장치 (TGA) = 25
4.4 질소 흡착장치 = 25
4.5 전자 투과 현미경 (TEM) = 26
4.6 전자 주사 현미경 (SEM) = 26
4.7 Gas Chromatography (GC) = 26
4.8 Titration = 26
4.9 Real density = 27
4.10 Elemental analyzer = 27
4.11 Solid NMR = 27
Ⅲ. 결과 및 고찰 = 28
1. 큰 기공을 가지는 PMO 물질의 구조향상 = 28
1.1 XRD data = 28
1.2 질소 흡착 결과 = 39
1.3 TEM 결과 = 41
2. Dehydroxylation route를 사용한 표면개질 방법 = 43
2.1 PMS의 표면개질 = 43
2.2 Dehydroxylation 온도변화에 따른 표면개질 = 46
2.3 특성비교 = 49
2.4 표면 개질 후 질소 흡착 결과 = 54
3. Friedel-Crafts acylation = 55
Ⅳ. 결론 = 58
참고문헌 = 59
Abstract = 62
감사의 글 = 63
