KR100891489B1 - Nanoporous silca-polyaniline hybrid material - Google Patents

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Abstract

A nanoporous silica-polyaniline hybrid material is provided to show high periodicity, electroactivity, electrochromism, and pH responsivity of polyaniline chains in a silica nanochannel. A nanoporous silica-polyaniline hybrid material comprises: a silica backbone which has a nano channel shape by a silicate network; polyaniline chains containing nitrogen bonded with a C1-C5 straight hydrocarbon and Si of the silica backbone; and a micelle which is formed by naphthalene sulfonic acid electrostatically bonded with the polyaniline chains. The polyaniline chains form a uniform membrane inside the silica nanochannel. The nanoporous silica-polyaniline hybrid material has arranged hexagonal array.

Description

나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질{Nanoporous silca-polyaniline hybrid material}Nanoporous Silca-Polyaniline Hybrid Material

본 발명은 신규한 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to novel nanoporous silica-polyaniline hybrid materials and methods for their preparation.

유기-무기 화합물의 혼성 물질들은 화학적 기능성, 다양한 연성(유기 화합물) 물질, 및 기계적으로 강한(무기 화합물) 골격을 통합하여 유기 화합물(유연성, 가공성) 및 무기 화합물(견고성, 열적 안정성) 성분들의 시너지 특성을 갖도록 하며, 기초 및 응용 분야에서 흥미로운 연구를 이끌고 있다.Hybrid materials of organic-inorganic compounds incorporate chemical functionalities, various soft (organic compound) materials, and mechanically strong (inorganic compound) backbones to synergize organic (inflexible, processable) and inorganic (hard, thermally stable) components. Characterization and leads to interesting research in basic and applied fields.

MCM 같은 정렬된 메조다공성 실리카는 유기 분자/고분자와 혼성 물질을 형성할 수 있는 호스트 물질의 하나이다. 실리카-전도성 고분자 혼성 물질들은 에너지/전자 이동 나노소자, 화학센서 같은 미래 응용에 대한 잠재성을 갖는 메조다공성 실리카 채널들 내에 전도성 고분자를 캡슐화(encapsulation)하는 것에 의하여 제조된다.Aligned mesoporous silica, such as MCM, is one of the host materials capable of forming hybrid materials with organic molecules / polymers. Silica-conductive polymer hybrids are prepared by encapsulating a conductive polymer in mesoporous silica channels with potential for future applications such as energy / electron transfer nanodevices, chemical sensors.

Kresge 및 협력자들이 계면활성제 주형 졸-겔 공정을 통하여 실리케이트의 M41S 패밀리의 합성을 보고한 이래, 다양한 물질에 기반하여 정렬된 메조다공성 실 리카의 다양성은 다양한 사이즈 (고분자에 비해 작은 유기 화합물), 모양 및 기능성의 호스트 분자용으로 이용 가능하게 되었다. 몇몇 연구는 그후에 메조다공성 실리카의 채널 내에 유기 고분자의 캡슐화에 대하여 이루어졌다. Since Kresge and co-workers have reported the synthesis of the M41S family of silicates through the surfactant template sol-gel process, the variety of mesoporous silicas sorted on the basis of various materials has varied in size (smaller organic compounds than polymers), shape And host molecules of functionality. Some studies have since been made on the encapsulation of organic polymers in channels of mesoporous silica.

지금까지 메조다공성 실리카-유기 화합물 혼성 물질들은 대게 유기 실란의 공축합 반응 또는 후 합성 그래프팅 또는 공유 대 비공유 결합에 의하여 제조되었다. 상기 공축합 방법은 공정 단계를 최소화하고 게스트 물질들의 보다 균일한 분산을 초래하기 때문에 후합성 경로에 바람직하다. 원 포트(one pot) 공축합 합성은 유기 화합물 기능성들의 더 높은 로딩을 제공한다.To date, mesoporous silica-organic compound hybrids have usually been prepared by co-condensation reactions of organic silanes or by post-synthetic grafting or covalent versus non-covalent bonds. The cocondensation method is preferred for the postsynthesis route because it minimizes processing steps and results in more uniform dispersion of guest materials. One pot cocondensation synthesis provides higher loading of organic compound functionalities.

컨쥬게이트 고분자는 가공성 및 조절 가능한 광전자 특성을 갖는 고분자의 기계적 특성을 보유하고, 발광다이오드, 전계 효과 트렌지스터, 태양전지, 메모리 장치, 및 기타 소자들의 용도를 갖기 때문에 중요한 의미를 갖는다. 전도성 고분자들 중에서 폴리아닐린(PANI)은 합성의 간단성, 산화환원반응의 특성 및 환경적인 안정성에 기인하여 더 큰 관심을 끈다. 그리고, 상기 PANI의 흥미로운 특성에 의해 전기변색소자, 전기이동(electrophoresis), 촉매, 전자소자 같은 용도가 발견되었다. Conjugate polymers are important because they possess the mechanical properties of polymers with processability and controllable optoelectronic properties, and have the use of light emitting diodes, field effect transistors, solar cells, memory devices, and other devices. Among the conductive polymers, polyaniline (PANI) is of greater interest due to the simplicity of synthesis, the nature of the redox reaction and the environmental stability. Further, the interesting properties of the PANI have found applications such as electrochromic devices, electrophoresis, catalysts, and electronic devices.

MCM-41의 구멍들 내부에 PANI 또는 이의 유도체의 형성에 대한 연구가 보고되었다. 아닐린은 실리카의 구멍 벽의 안쪽에 흡수되고 연속적으로 PANI로 중합되었다(실리카 채널 내의 PANI 사슬의 주기성에 대한 조절이 없는 낮은 정도의 PANI 로딩 및 PANI 사슬의 도핑 범위가 관찰됨).A study of the formation of PANI or its derivatives within the pores of MCM-41 has been reported. Aniline was absorbed inside the pore wall of silica and subsequently polymerized with PANI (a low degree of PANI loading and doping range of the PANI chain was observed without control over the periodicity of the PANI chain in the silica channel).

그러나, 상기 세공들 내에 고분자의 캡슐화 정도 및 채널들 내에 고분자의 구조적 정렬 및 기능들의 주기성 관점에서 보면 아직도 많은 도전과 장벽들이 있다. However, there are still many challenges and barriers in terms of the degree of encapsulation of the polymer in the pores and the periodicity of the structural alignment and functions of the polymer in the channels.

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46. Xia, M. W. & MacDiarmid, A.G.. Camphorsulfonic acid fully doped polyaniline emeraldine salt: conformations in different solvents studied by an ultraviolet/visible/near-infrared spectroscopic method. Chem Mater . 7, 443-445. (1995)46. Xia, MW & MacDiarmid, AG. Camphorsulfonic acid fully doped polyaniline emeraldine salt: conformations in different solvents studied by an ultraviolet / visible / near-infrared spectroscopic method. Chem Mater . 7, 443-445. (1995)

47. de Albuquerque, J. E., Mattoso, L. H. C., Fariac, R. M., Masters J.G.. & MacDiarmid, A. G.. Study of the interconversion of polyaniline oxidation states by optical absorption spectroscopy. Synth . Met . 146, 1-10 (2004) 47. de Albuquerque, JE, Mattoso, LHC, Fariac, RM, Masters JG. & MacDiarmid, AG. Study of the interconversion of polyaniline oxidation states by optical absorption spectroscopy. Synth . Met . 146, 1-10 (2004)

본 발명은, 실리카 나노 채널 내의 폴리아닐린(PANI) 사슬의 높은 주기성, 전기활성, 전기변색성, 및 pH 감응성을 갖는 신규한 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질로 형성된 막 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is an object of the present invention to provide a novel nanoporous silica-polyaniline hybrid material having high periodicity, electroactivity, electrochromicity, and pH sensitivity of polyaniline (PANI) chain in silica nanochannels and a method for preparing the same. It is also an object of the present invention to provide a membrane formed of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material and a method for producing the same.

본 발명은, 실리케이트 네트워크에 의한 나노 채널 형상의 실리카 골격, 상기 실리카 골격 내부의 Si와 탄소수 1~5의 직쇄 탄화수소에 의해 연결되는 질소원자(N)를 포함하는 폴리아닐린(PANI) 사슬, 및 상기 폴리아닐린 사슬과 정전기적 상호작용으로 결합된 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 의해 형성된 미셀(micelle)을 포함하며,The present invention provides a polyaniline (PANI) chain comprising a nano-channel silica skeleton by a silicate network, a nitrogen atom (N) connected by Si inside the silica skeleton by a linear hydrocarbon having 1 to 5 carbon atoms, and the polyaniline A micelle formed by β-naphthalene sulfonic acid (NSA) bonded in an electrostatic interaction with the chain,

상기 폴리아닐린 사슬이 상기 나노 채널 벽 내부에 균일한 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질을 제공한다.The polyaniline chain provides a nanoporous silica-polyaniline hybrid material, which forms a uniform film inside the nanochannel wall.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA)을 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 녹이고 교반하는 단계;Dissolving trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA) and stirring;

상기에서 제조된 용액에 암모늄 퍼설페이트(APS)를 첨가하는 단계; 및Adding ammonium persulfate (APS) to the solution prepared above; And

상기 단계에서 형성된 침전물을 회수하여 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a nanoporous silica-polyaniline hybrid material comprising the step of recovering the precipitate formed in the step, washing and drying.

또한, 본 발명은 상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질로 형성되는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막을 제공한다.The present invention also provides a nanoporous silica-polyaniline hybrid material film formed of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material.

또한, 본 발명은,In addition, the present invention,

트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA)을 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 용해시키는 단계;Dissolving trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA);

상기에서 제조된 용액을 ITO 작업전극, Ag/AgCl 기준전극, 및 백금 와이어 보조전극으로 이루어진 세개의 전극 셀 집합체(electrode cell assembly) 내에서 전해시키는 단계; 및Electrolyzing the solution prepared above in a three electrode cell assembly consisting of an ITO working electrode, an Ag / AgCl reference electrode, and a platinum wire auxiliary electrode; And

상기 ITO 작업전극의 표면에 형성된 막을 회수하는 단계를 포함하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a nanoporous silica-polyaniline hybrid material film comprising recovering the film formed on the surface of the ITO working electrode.

본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질은 실리카 나노 채널 내의 폴리아닐린(PANI) 사슬의 높은 주기성, 전기활성, 전기변색성, 및 pH 감응성을 가지며, 실리카 나노 채널 내에 폴리아닐린(PANI)의 더 높은 로딩(loading)이 가능 하므로, 발광다이오드, 전계효과 트렌지스터, 태양전지, 메모리 장치, 2차 전지, 에너지/전자 이동 나노소자, 화학센서 등에 다양한 용도로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질은 약물전달수단 및 에너지 소자용으로 효과적으로 이용될 수 있다.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention has high periodicity, electroactivity, electrochromicity, and pH sensitivity of polyaniline (PANI) chains in silica nanochannels, and higher loading of polyaniline (PANI) in silica nanochannels ( It can be used in various applications such as light emitting diodes, field effect transistors, solar cells, memory devices, secondary batteries, energy / electron transfer nano devices, chemical sensors, etc. In addition, the nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention can be effectively used for drug delivery means and energy devices.

또한, 상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질로 형성되는 본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막도 상기와 같은 용도에 활용될 수 있다. In addition, the nanoporous silica-polyaniline hybrid material film of the present invention formed of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material may also be utilized for such applications.

본 발명은, 실리케이트 네트워크에 의한 나노 채널 형상의 실리카 골격, 상기 실리카 골격 내부의 Si와 탄소수 1~5의 직쇄 탄화수소에 의해 연결되는 질소원자(N)를 포함하는 폴리아닐린(PANI) 사슬, 및 상기 폴리아닐린 사슬과 정전기적 상호작용으로 결합된 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 의해 형성된 미셀(micelle)을 포함하며,The present invention provides a polyaniline (PANI) chain comprising a nano-channel silica skeleton by a silicate network, a nitrogen atom (N) connected by Si inside the silica skeleton by a linear hydrocarbon having 1 to 5 carbon atoms, and the polyaniline A micelle formed by β-naphthalene sulfonic acid (NSA) bonded in an electrostatic interaction with the chain,

상기 폴리아닐린 사슬이 상기 나노 채널 벽 내부에 균일한 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질에 관한 것이다.And wherein said polyaniline chain forms a uniform film inside said nanochannel wall.

상기에서 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질은 정렬된 육각형 배열을 갖는 것을 특징으로 한다.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material is characterized by having an aligned hexagonal arrangement.

상기에서 탄소수 1~5의 직쇄 탄화수소는 프로필렌(propylene)인 것이 바람직하다.In the above, the C 1-5 straight chain hydrocarbon is preferably propylene.

상기에서 언급된 나노 채널 벽 내부의 균일한 막은 상기 나노 채널 구멍(pore)을 완전히 블로킹하지 않는 특징을 갖는다. The homogeneous film inside the aforementioned nanochannel walls does not completely block the nanochannel pores.

상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질은 실리카 나노 채널 내의 PANI 사슬의 높은 주기성, 전기활성, 전기변색성, pH 감응성을 갖는 것을 특징으로 한다.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material is characterized by having a high periodicity, electroactivity, electrochromicity, pH sensitivity of the PANI chain in the silica nanochannels.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA)을 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 녹이고 교반하는 단계;Dissolving trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA) and stirring;

상기에서 제조된 용액에 암모늄 퍼설페이트(APS)를 첨가하는 단계; 및Adding ammonium persulfate (APS) to the solution prepared above; And

상기 단계에서 형성된 침전물을 회수하여 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 제조방법에 관한 것이다.It relates to a method for producing a nanoporous silica-polyaniline hybrid material comprising the step of recovering, washing and drying the precipitate formed in the step.

상기에서 암모늄 퍼설페이트(APS)를 일정한 속도로 교반하면서 드롭와이즈로 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 드롭와이즈는 2~8℃에서 수행하는 것이 효율적으로 고분자화하는 면에서 바람직하다. The ammonium persulfate (APS) is preferably added in a dropwise while stirring at a constant rate, and the dropwise is preferable in view of efficiently polymerizing at 2 to 8 ° C.

상기 제조방법에서, 상기 트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA) 분자들은 TMSPA 중의 -NH2 그룹과 상기 β-나프탈렌 설폰산(NSA) 중의 SO3 - 그룹 사이의 정전기적 상호작용에 의하여, 구형 미셀에서 자기 조립을 과정을 수행한다. In the above method, the trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) molecules are formed in spherical micelles by an electrostatic interaction between -NH 2 group in TMSPA and SO 3 - group in β-naphthalene sulfonic acid (NSA). Perform the self assembly process.

본 발명은 또한, The present invention also provides

상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질로 형성되는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막에 관한 것이다. A nanoporous silica-polyaniline hybrid material film formed of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material.

상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막은 전기활성을 가지며, 전기화학적으로 안정하고, 전기변색 특성을 갖는다.The nanoporous silica-polyaniline hybrid membrane has electroactivity, is electrochemically stable, and has electrochromic properties.

본 발명은 또한, The present invention also provides

트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA)을 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 용해시키는 단계;Dissolving trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA);

상기에서 제조된 용액을 ITO(Indium tin oxide) 작업전극, Ag/AgCl 기준전극, 및 백금 와이어 보조전극으로 이루어진 세 개의 전극 셀 집합체(electrode cell assembly) 내에서 전해시키는 단계; 및Electrolyzing the solution prepared above in a three electrode cell assembly consisting of an indium tin oxide (ITO) working electrode, an Ag / AgCl reference electrode, and a platinum wire auxiliary electrode; And

상기 ITO 작업전극의 표면에 형성된 막을 회수하는 단계를 포함하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막의 제조방법에 관한 것이다.A method for producing a nanoporous silica-polyaniline hybrid material membrane comprising recovering a film formed on the surface of the ITO working electrode.

상기의 제조방법에서 전해는 0.0 V ~ +1.0 V 범위에서 전위를 가역적으로 순환시키는 것에 의하여 수행되는 것이 나노층을 형성하기 위하여 바람직하다. In the above production method, electrolysis is preferably performed by reversibly circulating the electric potential in the range of 0.0 V to +1.0 V to form a nanolayer.

이하에서, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 신규한 특성을 표시하 기 위하여, 이하에서 상기 물질을 KGM-1(경북국립대학 물질 1)으로 간단히 명명한다. In order to indicate the novel properties of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention, the material is simply named KGM-1 (Kyungbuk National University Material 1).

KGMKGM -1의 제조Manufacture of -1

KGM-1은 원 포트(one pot) 및 간단한 화학적 방법에 의해 녹색 칼라 파우더로 합성된다. 전형적 합성에서, β-나프탈렌 설폰산(NSA) 중의 트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA) 용액은 아닐린 단위가 동시적 산화를 받아 실리카 단위의 중합 및 가수분해가 일어난다(도 1). 이 때, 실리케이트 네트워크(MCM-41 같은 다공성 실리카의 형성과 유사한 것으로서) 및 도 1에 묘사된 것으로서 폴리아닐린(PANI) 사슬의 동시적인 형성이 관찰된다. 일반적으로, 실리카-고분자 혼성화는 초기 실리카 벽의 유기적 변경을 수반하여 전구체로서 기능화된 실리카를 얻게 한다. 더 나아가서, 기능화된 실리카에서 상기 그룹들을 수반하는 후-합성 반응은 메조다공성 실리카의 채널(구멍) 내에 고분자 단위를 형성시킨다. KGM-1의 제조를 위해 사용된 상기 원 포트 방법은 실리카 고분자 혼성 물질의 제조를 위해 일반적으로 보고된 여러 단계 공정의 번거로움을 피할 수 있게 한다.KGM-1 is synthesized as a green color powder by one pot and simple chemical methods. In a typical synthesis, a solution of trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA) undergoes simultaneous oxidation of the aniline units resulting in polymerization and hydrolysis of silica units (FIG. 1). At this time, the simultaneous formation of polyaniline (PANI) chains is observed as depicted in the silicate network (as similar to the formation of porous silica such as MCM-41) and in FIG. 1. In general, silica-polymer hybridization involves organic alteration of the initial silica walls resulting in functionalized silica as precursor. Furthermore, post-synthesis reactions involving the groups in the functionalized silica form polymer units in the channels (pores) of the mesoporous silica. The one-pot method used for the preparation of KGM-1 avoids the hassle of the multi-step processes generally reported for the production of silica polymer hybrids.

KGMKGM -1의 X--1 x- 레이Lay 회절diffraction (( XRDXRD ) 패턴) pattern

KGM-1의 X-레이 회절(XRD) 패턴은 정렬된 실리케이트 네트워크와 PANI 사슬의 결합된 존재를 분명하게 설명한다. 합성된 KGM-1의 스몰 앵글 XRD 패턴(도 2)은 실리카 면에 표지된 1.2°(d=74 Å에서의 강한 회절 피크와 각각 4.23° 및 4.72° 에서의 두 개의 잘 분해된 약한 회절 피크들을 나타낸다. 상기 KGM-1의 XRD 패턴은 계면활성제의 도움을 받은 합성을 통하여 형성된 일차원적 채널 구조의 잘 정렬된 육각형의 배열을 갖는 다공성의 MCM-41과 유사하다. 상기 KGM-1(74 Å의 인터-플레너(inter-planar) 간격(d100)은 22 보다 더 긴 지방족 사슬 길이를 갖는, 계면활성제로 제조된 MCM-41 보다 상대적으로 더 높다. 상기 KGM-1의 와이드 앵글 XRD 패턴(도 2 삽입도)은 숄더 어라운드(shoulder around) 30.3°를 갖는 20.2°(d=11.47 Å에서의 반사(reflection)를 나타낸다. 이들은 비결정질 폴리아닐린(PANI)의 특징을 나타낸다. 20.2°(d=11.47 Å에서 상기 결정 영역 사이즈는 종래의 PANI(30~70 Å 보다 많이 작다.The X-ray diffraction (XRD) pattern of KGM-1 clearly explains the combined presence of the aligned silicate network and the PANI chain. The small angle XRD pattern of the synthesized KGM-1 (FIG. 2) shows a strong diffraction peak at 1.2 ° (d = 74 Hz) and two well resolved weak diffraction peaks at 4.23 ° and 4.72 °, respectively, labeled on the silica side. The XRD pattern of the KGM-1 is similar to the porous MCM-41 with a well-aligned hexagonal array of one-dimensional channel structures formed through the aid of surfactants. The inter-planar spacing d 100 is relatively higher than MCM-41 made with surfactant, having an aliphatic chain length greater than 22. The wide angle XRD pattern of KGM-1 (Fig. 2). Inset) shows reflection at 20.2 ° (d = 11.47 mmW) with shoulder around 30.3 °, which characterizes amorphous polyaniline (PANI). 20.2 ° (d = 11.47 mmW) The crystal region size is much smaller than the conventional PANI (30-70 kHz).

KGMKGM -1은 -1 is NN 22 흡착-탈착 측정 Adsorption-Desorption Measurement

KGM-1은 N2 흡착-탈착 측정으로부터 증명되는 나노다공성이다. 상기 KGM-1 N2 흡착-탈착 등온선은 IUPAC에 의해 정의된 것으로서 전형적인 가역 타입 IV 흡착이다. KGM-1은 열린 원통형의 구조를 갖는 균일한 구멍들을 갖는 물질들의 특징인 약 P/P0=0.20 의 흡착에서 변화를 갖는 H1 타입의 좁은 자기이력곡선을 나타낸다. 이들 N2 흡착 특징들은 PANI가 구멍들을 완전히 블록킹함이 없이 실리카의 구멍 벽 내부에 균일한 막으로서 형성될 수 있음을 알리는 것이다. 만약 상기 PANI의 막이 상기 실리카의 원통형의 구멍 내에 두껍게 이질적으로 형성된다면, 실리카 내의 그 채널들은 블로킹되고 N2 흡착 등온선에서 넓은 자기이력곡선이 나타날 것이다. KGM-1은 각각 BET 등온선 및 BHJ 방법으로부터 결정된 것으로서 2.4 nm의 구멍 직경, 16 X 10-3 cm3/g 및 40 m2/g의 면적을 갖는다. 상기 KGM-1에서 구멍들은 좁으며, 그것은 PANI가 상기 실리카 구멍들 내에 형성된 것을 나타낸다. KGM-1은 실리케이트의 가수분해가 3차원적 가교 공정을 통하여 일어나며, 동시에 PANI가 실리카의 구멍들 내에 형성되기 때문에 넓은 벽 두께(6.11 nm)를 갖는다. KGM-1 is nanoporous as evidenced from the N 2 adsorption-desorption measurement. The KGM-1 N 2 adsorption-desorption isotherm is a typical reversible type IV adsorption as defined by IUPAC. KGM-1 exhibits a narrow magnetic hysteresis curve of type H1 with a change in adsorption of about P / P 0 = 0.20, which is characteristic of materials with uniform holes with an open cylindrical structure. These N 2 adsorption features indicate that PANI can be formed as a uniform film inside the pore wall of silica without completely blocking the pores. If the film of PANI is thickly heterogeneously formed in the cylindrical pores of the silica, the channels in the silica will block and a wide magnetic hysteresis curve will appear in the N 2 adsorption isotherm. KGM-1 has a pore diameter of 2.4 nm, an area of 16 × 10 −3 cm 3 / g and 40 m 2 / g, as determined from the BET isotherm and BHJ method, respectively. The holes in the KGM-1 are narrow, indicating that PANI is formed in the silica holes. KGM-1 has a large wall thickness (6.11 nm) because hydrolysis of silicates occurs through a three-dimensional crosslinking process, while at the same time PANI is formed in the pores of silica.

상기의 XRD 분석 및 N2 흡착-탈착 측정의 결과는 KGM-1이 실리케이트 네트워크 및 실리카 골격의 나노 채널 내의 PANI 단위들로 이루어진 것을 알려준다. The results of the XRD analysis and the N 2 adsorption-desorption measurement indicate that KGM-1 consists of PANI units in the nanochannel of the silicate network and silica backbone.

KGMKGM -1의 형성 메커니즘Formation mechanism of -1

일반적으로, MCM 타입 허니컴 구조들은 자기 조립 양친매성 계면활성제에 의해 주형된 유기 실리케이트 전구체를 수반하는 졸-겔 경로에 의해 형성된다. 그러나, KGM-1의 제조는 긴 소수성 사슬을 갖는 계면활성제와 관련되지 않는다. 소수성 나프탈렌 단위와 설포네이트 해드 그룹을 갖는 NSA는 KGM-1의 제조를 위해 사용된다. NSA는 KGM-1에서 PANI 단위들을 위한 도펀트로서 뿐만 아니라, KGM-1의 형성 동안 미셀(micelle) 유도제의 역할도 한다. KGM-1의 형성은 다음의 단계들(stages)을 갖는 것으로 생각된다(도 1). 초기에, NSA 분자들은 수성 매질(medium)에서 구형 미셀로서 존재한다. TMSPA 분자들은 TMSPA 중의 -NH2 그룹과 NSA 중의 SO3 - 그룹 사이의 정전기적 상호작용을 통하여 상기 구형 미셀에서 자기 조립 된다(도 1a). 이 자기 조립된 구조는 암모늄 퍼설페이트(APS)의 첨가에 의해 산화를 받는다. 녹색으로 착색된 침전물(KGM-1)은 APS 용액의 첨가에 의해 얻어진다(도 1b). APS는 상기 TMSPA 중의 -NH2 그룹을 산화시키고 아닐린의 중합을 개시한다. 동시에, TMSPA 중의 -OMe의 가수분해 및 -OH 그룹의 축합 같은 연속적인 프로세스가 실리케이트 네트워크를 형성시킨다(도 1b). 상기 TMSPA 중의 방향족 아민 그룹은 상기 가수분해를 촉매하는 것으로 예상된다. 오소실리케이트(orthosilictes)의 가수분해에 대한 촉매로서 상기 아민의 효율성은 이전에 설명된 바 있다. TMSPA 분자들은 미셀의 외부뿐만 아니라 상기 구형 미셀 내에도 존재할 수 있다. 상기 미셀들의 외부에 존재하는 TMSPA 분자의 아민 그룹들은 실리케이트의 가수분해를 촉매하여 실리케이트 네트워크를 형성한다. 상기 KGM-1의 형성 매카니즘은 채내 pH 및 실온에서 단백질을 침전시키는 실리카와 실리카 생성을 위한 촉매로서 작용하는 친핵성 아민으로부터 실리카의 생물학적 생성과 유사하게 되는 것 같다. 그러므로, KGM-1은 실리카 골격 내에 공유결합으로 연결된 PANI 사슬뿐만 아니라, 실리케이트 네트워크도 갖는다. 고분해능 투과전자현미경(HRTEM), 원소 분석법, 자외-가시선 분광법, 및 순환전압전류법(cyclic voltmmetry)으로부터의 결과로부터 KGM-1 내에 실리케이트 네트워크 및 PANI 단위들의 결합 존재는 확인된다.In general, MCM type honeycomb structures are formed by sol-gel pathways involving organic silicate precursors templated by self-assembled amphiphilic surfactants. However, the preparation of KGM-1 is not related to surfactants with long hydrophobic chains. NSAs with hydrophobic naphthalene units and sulfonate head groups are used for the preparation of KGM-1. NSA acts not only as a dopant for PANI units in KGM-1, but also as a micelle inducer during the formation of KGM-1. The formation of KGM-1 is thought to have the following stages (FIG. 1). Initially, NSA molecules exist as spherical micelles in aqueous medium. TMSPA molecules self-assemble in the spherical micelles through electrostatic interactions between —NH 2 groups in TMSPA and SO 3 groups in NSA (FIG. 1A). This self-assembled structure is oxidized by the addition of ammonium persulfate (APS). Green colored precipitate (KGM-1) is obtained by the addition of APS solution (FIG. 1B). APS oxidizes the -NH 2 group in the TMSPA and initiates polymerization of aniline. At the same time, continuous processes such as hydrolysis of -OMe and condensation of -OH groups in TMSPA form a silicate network (FIG. 1B). Aromatic amine groups in the TMSPA are expected to catalyze the hydrolysis. The efficiency of this amine as a catalyst for the hydrolysis of orthosilictes has been described previously. TMSPA molecules may exist outside the micelle as well as within the spherical micelles. The amine groups of the TMSPA molecules present outside of the micelles catalyze the hydrolysis of the silicates to form a silicate network. The formation mechanism of KGM-1 is likely to be analogous to the biological production of silica from nucleophilic amines that act as catalysts for silica and silica production to precipitate proteins at pH and room temperature in the shell. Therefore, KGM-1 has a silicate network as well as a PANI chain covalently linked in the silica backbone. The presence of binding of silicate networks and PANI units in KGM-1 is confirmed from results from high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), elemental analysis, ultraviolet-visible spectroscopy, and cyclic voltmmetry.

KGMKGM -1 및 -1 and 소성한Fired KGMKGM -1의 고분해능 투과전자현미경 (-1 High Resolution Transmission Electron Microscopy ( HRTEMHRTEM ) 이미지) image

도 3은 상기 KGM-1 및 소성한(calcined) KGM-1의 고분해능 투과전자현미경(HRTEM) 이미지를 나타낸다. KGM-1의 입자들은 0.5~1.5㎛ 범위의 직경을 갖는 형태로 구형이다(도 3a). 실리카의 구멍들에서 비결정성 PANI의 존재에 기인하여 비결정성 상 같은 구조는 KGM-1의 입자들 내에서 보여진다(도 3c). 소성한(calcined) KGM-1의 HRTEM 이미지(도 3b, 3d, 3e)는 나노구체들의 MCM-41 타입 다공성 채널 구조에 유사한 잘 경계되고, 균일하고, 정렬된 나노 크기의 구멍들의 존재를 나타낸다. 상기 KGM-1의 소성은 PANI 사슬들을 파괴하고 전자빔에 대한 샘플의 명암(contrast)과 안정성을 향상시킨다. 결과적으로 상기 구멍들에서 나노 크기의 구조를 볼 수 있다. 소성한 KGM-1에서 상기 구멍의 구조는 6각형이고 정렬되어 있는 것은 분명하다(도 3e). 3 shows a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) image of the KGM-1 and calcined KGM-1. The particles of KGM-1 are spherical in shape with a diameter in the range of 0.5-1.5 μm (FIG. 3A). Due to the presence of amorphous PANI in the pores of silica, an amorphous phase-like structure is seen in the particles of KGM-1 (FIG. 3C). HRTEM images of calcined KGM-1 (FIGS. 3B, 3D, 3E) show the presence of well bounded, uniform, aligned nanosized pores similar to the MCM-41 type porous channel structure of nanospheres. The firing of KGM-1 breaks the PANI chains and improves the contrast and stability of the sample to the electron beam. As a result, nanoscale structures can be seen in the holes. In the fired KGM-1, the structure of the holes is hexagonal and it is clear that they are aligned (Fig. 3E).

KGMKGM -1의 -1's SiSi :N의 비Ratio of: N

KGM-1은 트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA)의 Si:N의 비(~2.0) 보다 훨씬 큰 Si:N의 비(10)를 갖는다. 이것은 도 1에 묘사된 것으로서 삼차원적 실리케이트 네트워크가 형성된 것을 명백하게 증명한다. MCM-41에 비하여 매우 큰 KGM-1에 대한 벽 두께(74Å)는 상기 더 큰 Si:N의 비(10)를 확실하게 한다. KGM-1은 S의 분명한 비율을 가지며 0.4의 Si:N의 비를 갖는다. KGM-1에서 원소 S는 PANI의 양자화된 아민/이민 단위들에 대한 도펀트 이온들로서 존재하는 설포네이트 이온들로부터 유도된다. 이것은 KGM-1에서 PANI 사슬들이 도핑된(doped)것을 나타낸다. 결정구조, 폴라론 모빌리티(Polaron mobility), 결정립계 농도(concentration of Grain Boundary), 이온성 종들의 존재, 도핑 레벨 같은 PANI의 전기적 성질들에 영향을 주는 많은 요소들은 전기전도도의 지배적인 조절 요소로서 고려될 수 있다. KGM-1이 8 X 104 S/cm의 전기전도도를 갖는 전기적 전도체라는 것은 흥미롭다. 상기 KGM-1의 전기전도도는 순수한 실리카보다는 매우 높고 유사한 범위의 도핑을 갖는 종래의 PANI 보다는 상대적으로 낮다. 이것은 KGM-1 내의 절연 실리케이트 네트워크의 존재에 기인할 수 있다.KGM-1 has a Si: N ratio 10 that is much greater than the ratio of Si: N (˜2.0) of trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA). This clearly demonstrates the formation of a three-dimensional silicate network as depicted in FIG. 1. The wall thickness (74 ms) for KGM-1, which is very large compared to MCM-41, ensures the larger Si: N ratio (10). KGM-1 has a clear ratio of S and a ratio of Si: N of 0.4. Element K in KGM-1 is derived from sulfonate ions present as dopant ions for the protonated amine / imine units of PANI. This indicates that PANI chains are doped in KGM-1. Many factors affecting the electrical properties of PANI, such as crystal structure, Polaron mobility, concentration of grain boundaries, the presence of ionic species, and doping levels, are considered as dominant regulators of electrical conductivity. Can be. It is interesting that KGM-1 is an electrical conductor with an electrical conductivity of 8 X 10 4 S / cm. The electrical conductivity of KGM-1 is much higher than pure silica and relatively lower than conventional PANI with similar range of doping. This may be due to the presence of an insulated silicate network in KGM-1.

KGMKGM -- 1 의1 of 박막 pellicle

KGM-1에 대한 흥미로운 특징은 바람직한 두께의 박막으로 얻어질 수 있다는 것이다. KGM-1은 전기화학적(순환전압전류법) 방법에 의해 박막으로 증착된다. 도 4는 인듐산화주석(ITO) 작업전극의 표면에 대한 KGM-1의 막 성장에 의한 막을 나타내는 순환 전압-전류도(CV)를 나타낸다. 첫 번째 전위의 양극 방향의 스캔(anodic scan)에서, TMSPA 중의 -NH2 그룹의 산화에 상응하는 피크가 0.80 V로 관찰되었다. 역방향의 스캔에서, 아닐린 단위들의 올리고머 또는 고분자 사슬들의 환원에 상응하는 2개의 피크가 0.32 V 및 0.50 V에서 나타났다. 두 번째 및 연속적인 전위 사이클들에 대하여, ~0.43 V 및 ~0.58 V에서의 상보성 환원 웨이브들과 함께 ~0.52 V 및 ~0.66 V에서의 양극 피크들이 각각 관찰되었다. 이들 산화환원반응 프로세스에 대한 상기 피크 전류 값에서의 점진적인 증가는 작업 전극의 표면에서의 전기 활성 KGM-1의 지속적인 생성을 암시한다. KGM-1의 순환전압전류법에는 몇가지의 흥미로 운 특징이 있다. 첫째로, 상기 산화환원반응 피크들은 KGM-1 내에 존재하는 PANI 단위들에서 완전환원(leuco emeraldine, LE)형 구조의 중간환원(emeraldine, E)형 구조로의 그리고 중간환원(E)형 구조의 완전산화(pernigraniline, P)형 구조로의 가역적 전환에 할당될 수 있다. KGM-1에서 PANI 단위들의 이들 산화환원반응 상호전환 피크의 위치들은 종래의 PANI에 대하여 알려진 것들과 현저하게 다르다. 종래의 PANI에 대하여, LE에서 E로의 전환은 ~0.1~0.3 V에서 일어난다. 그러나, KGM-1에 대해서는, LE에서 E로의 상호전환이 훨씬 더 높은 양 전위(0.52 V)에서 일어난다. 둘째로, KGM-1의 막은 막 증착에 의한 막에 의해 형성된다. 두 번째, 전위 사이클의 끝에서, KGM-1의 막의 두께는 ~15 nm가 되는 것으로 평가되었다. 연속적인 사이클들에 대하여, 막의 두께는 한 사이클에 대하여 80~100 nm 씩 계속해서 증가하였다. 이들 관찰들은 작업 전극의 표면에 대한 KGM-1의 나노층으로된 막의 형성을 나타낸다.An interesting feature for KGM-1 is that it can be obtained with thin films of the desired thickness. KGM-1 is deposited into a thin film by an electrochemical (cyclic voltammetry) method. 4 shows a cyclic voltage-current diagram (CV) showing a film by film growth of KGM-1 on the surface of an indium tin oxide (ITO) working electrode. In the anodic scan of the first potential, a peak corresponding to the oxidation of the -NH 2 group in TMSPA was observed at 0.80 V. In the reverse scan, two peaks corresponding to the reduction of the oligomer or polymer chains of the aniline units appeared at 0.32 V and 0.50 V. For the second and successive potential cycles, positive peaks at ˜0.52 V and ˜0.66 V were observed with complementary reducing waves at ˜0.43 V and ˜0.58 V, respectively. The gradual increase in the peak current values for these redox processes suggests a continuous production of electrically active KGM-1 at the surface of the working electrode. The KGM-1's cyclic voltammetry has several interesting features. First, the redox peaks are from the PANI units present in KGM-1 to the intermediate reduction (E) structure of the leuco emeraldine (LE) structure and of the intermediate reduction (E) structure. Can be assigned to a reversible conversion to a pernigraniline (P) type structure. The positions of these redox interconversion peaks of PANI units in KGM-1 differ markedly from those known for conventional PANI. For conventional PANI, the transition from LE to E occurs at ˜0.1 to 0.3 V. However, for KGM-1, the interconversion from LE to E occurs at much higher positive potential (0.52 V). Secondly, the film of KGM-1 is formed by the film by film deposition. Second, at the end of the potential cycle, the film thickness of KGM-1 was estimated to be ˜15 nm. For successive cycles, the film thickness continued to increase by 80-100 nm for one cycle. These observations indicate the formation of a film of nanolayers of KGM-1 on the surface of the working electrode.

KGMKGM -1의 막의 특성-1 membrane properties

KGM-1의 막은 순환전압전류법으로부터 확인되는 것으로서 전기활성이 있다. 상기 ITO 전극 표면의 KGM-1의 막의 CV는 0.0~1.0 V의 전위 범위에서 가역적 전기화학적 특성들을 보인다(도 4). KGM-1의 막의 CV는 각각 0.40~0.50 V 및 0.58~0.62 V에서 두 개의 산화환원반응 웨이브를 보인다(도 4, 삽입도). 상기 KGM-1의 산화환원반응 특성들은 그것 내의 PANI 단위로부터 기인하고 있다. 그러나, KGM-1의 막에 대한 산화환원반응 프로세스는 아닐린 단위의 선형 사슬을 가지는 종래의 PANI과 비교하여 다른 전위 영역에서 일어난다. 종래의 PANI에 대하여, 피크들은 각각 분극자 에머랄딘(polaronic emaraldine) 형성 및 쌍극자 펠니그아닐린(dipolaronic pernigraniline) 형성에 대응되는 0.18~0.25 V 및 0.60~0.80 V의 전위 범위에서 관찰되고 있다.Membrane of KGM-1 has electric activity as confirmed by cyclic voltammetry. CV of the membrane of KGM-1 on the surface of the ITO electrode shows reversible electrochemical properties in the potential range of 0.0-1.0 V (FIG. 4). CV of the membrane of KGM-1 shows two redox waves at 0.40 to 0.50 V and 0.58 to 0.62 V, respectively (FIG. 4, inset). The redox properties of KGM-1 originate from the PANI units therein. However, the redox process for membranes of KGM-1 occurs in different potential regions compared to conventional PANI with linear chains of aniline units. For conventional PANI, peaks are observed in the potential range of 0.18-0.25 V and 0.60-0.80 V, respectively, corresponding to polaronic emaraldine formation and dipolaronic pernigraniline formation.

그러나, KGM-1 내의 PANI 단위의 폴라로닉 형태로의 전환은 선형 PANI 사슬과 비교하여 훨씬 더 높은 산화 전위(0.50 V)에서 일어난다. 이러한 현상에 대한 몇 가지의 이유는 다음과 같이 생각된다. 상기 절연 실리카 골격, 다른 구조적인 배열에서 PANI 단위의 존재, 및 실리카 나노 채널 내에 PANI 단위의 존재에 기인하는 PANI 단위의 전자 밴드 구속효과는 그 이유로 생각된다. 중요하게는, 상기 KGM-1에서 산화환원반응 프로세스는 전기화학적으로 가역적이며(도 4, 삽입도), 이것은 2차 전지 등에 적용을 위한 KGM-1의 적합성을 의미한다. 다양한 스캔 속도(rates)를 위하여, 지지 전해질(backgrounded electrolyte)로부터 자유로운 TMSPA 중에서 기록된 KGM-1의 막 CVS 는 그 막의 전기화학적인 안정성을 나타낸다. 상기 산화환원반응 피크 위치들은 스캔 속도의 변화와 함께 이동되지 않는다. 산화환원반응 피크들에서 피크 전류 대 스캔 속도의 구성은 KGM-1의 막이 갇힌(confined)표면이고, 전기화학적으로 안정하고 전기활성이 있음을 가리키는 선형이다.However, the conversion of the PANI units in KGM-1 to the polar form occurs at much higher oxidation potentials (0.50 V) compared to linear PANI chains. Some reasons for this phenomenon are considered as follows. The electron band confinement effect of the PANI unit due to the insulating silica backbone, the presence of PANI units in other structural arrangements, and the presence of PANI units in silica nanochannels is considered for that reason. Importantly, the redox process in KGM-1 is electrochemically reversible (FIG. 4, inset), which implies the suitability of KGM-1 for application in secondary cells and the like. For various scan rates, the membrane CV S of KGM-1 recorded in TMSPA free from backgrounded electrolyte indicates the electrochemical stability of the membrane. The redox peak positions do not shift with changes in scan speed. The peak current versus scan rate configuration at the redox peaks is linear indicating that the membrane of KGM-1 is confined, electrochemically stable and electroactive.

KGMKGM -1의 자외선--1 ultraviolet light 가시선Line of sight 스펙트럼 spectrum

KGM-1의 자외선-가시선 스펙트럼은 KGM-1에서 PANI 단위는 종래의 PANI에서 PANI 사슬과 다른 전자 밴드(band)를 갖는 것을 나타낸다. DMF 중에서 KGM-1의 스팩트럼은 중심이 대략 350 nm, 420 nm, 590 nm인 세 개의 피크를 나타낸다(도 5). 또한, 700 nm를 넘어서 연장되는 긴 흡수 꼬리가 관찰된다. 상기 대락 420 nm 및 590 nm의 전자 밴드는 각각 ΠΠ* 폴라론 여기 전이(polaron excitation transition) 및 PANI 사슬의 퀴노이드 링들(quinoid rings)의 여기 전이에 해당된다. 거기에는 KGM-1 내의 PANI가 종래의 PANI과 다른 사슬 배열을 갖는 것을 암시하는 KGM-1에 대한 두 개의 현저한 전자적 특징들이 있다. 첫째로, 상기 ΠΠ* 전이 밴드는 종래의 PANI에 대한 320 nm에서의 밴드와 대조적으로 KGM-1에 대해서는 350 nm에서 나타난다. KGM-1에 대한 ΠΠ* 전이에서 붉은색 이동은 PANI에서 아닐린 단위들의 사슬 길이가 긴 것을 암시한다. 아마도 KGM-1에서 아닐린 단위들은 구형 실리케이트 네트워크(도 1c) 내에 링/사이클 형태로 연결되어 있다. KGM-1 내의 PANI 사슬에 대한 이러한 흥미로운 특징은 상기 KGM-1의 ΠΠ* 전이가 초기의 PANI에 대한 선형 PANI 사슬과 비교하여 더 긴 파장으로 이동하도록 한다. 두 번째로, 상기 KGM-1의 자외선-가시선 스펙트럼에는 연속적인 프리 캐리어 테일(free carrier tail)이 존재한다. 이 프리 캐리어 테일은 KGM-1 내의 다른 타입의 PANI 사슬 또는/및 상기 실리카 나노채널 내의 PANI 사슬들의 감금(confinement) 효과로부터 발생하는 것으로 생각된다. The ultraviolet-visible spectrum of KGM-1 indicates that the PANI unit in KGM-1 has an electron band different from that of the PANI chain in conventional PANI. The spectrum of KGM-1 in DMF shows three peaks with a center of approximately 350 nm, 420 nm and 590 nm (FIG. 5). In addition, long absorption tails are observed that extend beyond 700 nm. The approximate electron bands of 420 nm and 590 nm are ΠΠ * polarons, respectively. It corresponds to a polaron excitation transition and the excitation transition of quinoid rings of the PANI chain. There are two prominent electronic features for KGM-1 that suggest that PANI in KGM-1 has a different chain arrangement than conventional PANI. First, the [pi] * transition band appears at 350 nm for KGM-1 as opposed to the band at 320 nm for conventional PANI. The red shift in the ΠΠ * transition to KGM-1 suggests a long chain length of aniline units in PANI. Perhaps the aniline units in KGM-1 are linked in a ring / cycle form in a spherical silicate network (FIG. 1C). This interesting feature of the PANI chain in KGM-1 causes the ΠΠ * transition of KGM-1 to shift at longer wavelengths compared to the linear PANI chain for the initial PANI. Second, there is a continuous free carrier tail in the ultraviolet-visible spectrum of KGM-1. This free carrier tail is believed to result from the confinement effect of other types of PANI chains in KGM-1 and / or PANI chains in the silica nanochannels.

KGMKGM -1 막의 전기변색 행동Electrochromic behavior of -1 membrane

KGM-1 막은 -0.10 V에서의 황색으로부터 +0.5 V에서의 청록색 및 +0.70 V에 서의 짙은 녹색으로 칼라를 변화시키며 가역적인 전기변색 행동을 나타낸다. 자외선-가시선 분광 전기화학적 데이터는 다른 값들에서 상기 전위를 유지하면서 KGM-1에 대하여 실시간으로 자외선-가시선 스펙트럼을 기록하는 것에 의해 수집되었다(도 5, 삽입도). KGM-1의 PANI 단위에서 전기변색 변화는 종래의 선형 PANI와 현저하게 다르다. KGM-1은 -0.10 V에서 LE 형태 내의 PANI에 대응하여 황색이며, 전위가 0.6 V를 초과하는 PANI의 E 형태에 대응하여 녹색으로 된다. 상기 PANI의 LE 및 E 형태의 변색 변화는 순환전압전류법(CV)에 의하여 KGM-1에 대하여 알려진 산화환원반응 전이에 일치한다(도 4). 상기 KGM-1에 대한 LE(황색) 형태에서 E(녹색) 형태로의 전기변색 변화는 0.50 V를 초과하여 일어나는 반면, 종래의 PANI에 대한 LE 형태에서 E 형태로의 전기변색 변화는 매우 낮은 전위(~+0.2 V)에서 일어난다. The KGM-1 membrane changes color from yellow at −0.10 V to cyan at +0.5 V and dark green at +0.70 V and exhibits reversible electrochromic behavior. Ultraviolet-visible spectroscopic electrochemical data was collected by recording the ultraviolet-visible spectrum in real time for KGM-1 while maintaining the potential at different values (FIG. 5, inset). The electrochromic change in the PANI unit of KGM-1 differs significantly from the conventional linear PANI. KGM-1 is yellow corresponding to PANI in LE form at -0.10 V, and green corresponding to E form of PANI whose potential exceeds 0.6V. The discoloration change of LE and E forms of PANI is consistent with the redox transition known for KGM-1 by cyclic voltammetry (CV) (FIG. 4). The electrochromic change from LE (yellow) form to E (green) form for KGM-1 occurs above 0.50 V, whereas the electrochromic change from LE form to E form for conventional PANI has a very low potential. Occurs at (~ + 0.2 V).

KGMKGM -1 분광 전기화학적 성질-1 spectroscopic electrochemical properties

상기 KGM-1 분광 전기화학적 성질들을 상세히 설명한다. KGM-1(LE 형태)(+0.1)의 황색 막은 410 nm, 530 nm 주변 및 800 nm 초과의 흡수 밴드를 갖는다. KGM-1(E 형태)의 청녹색 막은 440 nm, 590 nm, 및 790 nm 주변의 전자 밴드를 갖는다. 그리고, KGM-1(P 형태)의 짙은 녹색 막은 370 nm 및 780 nm에서 밴드를 나타낸다. 그러나, 선형 PANI(종래의)는 LE 형태에 대하여 320 nm에서 피크를 나타내고, 700 nm 초과에서 넓은 밴드를 나타내며, E 형태에 대하여 320 nm, 420 nm에서 피크를 나타고, 700 nm 초과에서 넓은 밴드를 나타내며, P 형태에 대하여 310 nm 및 600 nm에서 피크를 나타낸다. 또한, 상기 KGM-1 내에서의 PANI 단위와 선형 PANI(종래의)의 전기화학적 행동 사이의 현저한 차이는 KGM-1 내의 아닐린 단위의 배열(링/사이클) 형태의 다른 타입을 뒷받침한다. 또한, KGM-1 내의 PANI 단위 내에서 전자 밴드에 영향을 줄 수 있는 상기 구속 효과는 배제할 수 없다. 본 발명자들이 알고 있는한 이것은 실리카-폴리아닐린 혼성 나노구조 물질의 전기화학적 행동에 대한 첫 번째 보고이다. KGM-1 막 또한, 양자화-탈양자화 프로세스에 기인하여, 10에서 2로 및 그 역으로 pH가 변화하는 것에 대해 황색에서 녹색으로 가역적인 칼라 변화를 나타낸다. The KGM-1 spectroscopic electrochemical properties are described in detail. The yellow film of KGM-1 (LE form) (+0.1) has an absorption band around 410 nm, around 530 nm and greater than 800 nm. The blue-green film of KGM-1 (form E) has electron bands around 440 nm, 590 nm, and 790 nm. And the dark green film of KGM-1 (P form) shows bands at 370 nm and 780 nm. However, linear PANI (conventional) shows a peak at 320 nm for the LE form, a broad band above 700 nm, a peak at 320 nm, 420 nm for the E form, and a wide band above 700 nm. Peaks at 310 nm and 600 nm for the P form. In addition, the significant difference between the electrochemical behavior of PANI units and linear PANI (conventional) in the KGM-1 supports other types of arrangement (ring / cycle) of aniline units in KGM-1. In addition, the restraining effect that may affect the electron band in the PANI unit in KGM-1 cannot be excluded. As far as the inventors are aware, this is the first report on the electrochemical behavior of silica-polyaniline hybrid nanostructure materials. The KGM-1 membrane also exhibits a reversible color change from yellow to green for pH changes from 10 to 2 and vice versa due to the quantization-dequantization process.

KGMKGM -1에 대한 결론Conclusion for -1

그러므로, KGM-1은 MCM-41 타입 실리카 물질에 유사한 것으로서 실리카-전도성 고분자 류에서 전기활성, 전기변색, 및 전도성 고분자의 pH 감응성을 나타내며, 나노다공성의 정렬된 육각형 배열을 갖는 신규한 물질이다. KGM-1 타입 물질이 생체분자 검출 및 광전자 공학에서 적용되는 조절성 조직 변수(tunable textural parameter)에 의해 제조될 수 있다는 것은 확실하다. 또한, KGM-1은 약물전달수단 및 에너지 소자용으로 효과적으로 이용될 수 있는 가역적 산화환원반응 전이를 나타낸다.Therefore, KGM-1 is similar to MCM-41 type silica material and exhibits the electroactivity, electrochromic, and pH sensitivity of conductive polymers in silica-conductive polymers, and is a novel material with an ordered hexagonal arrangement of nanoporous. It is clear that KGM-1 type materials can be prepared by tunable textural parameters applied in biomolecule detection and optoelectronics. KGM-1 also represents a reversible redox transition that can be effectively used for drug delivery means and energy devices.

이하, 본 발명을 실시예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are provided to illustrate the present invention, and the present invention is not limited to the following examples and may be variously modified and changed.

실시예Example 1:  One: KGMKGM -1 파우더의 제조(화학적 방법)-1 Preparation of Powder (Chemical Method)

본 발명에서 트리메톡시실릴프로필아닐린(TMSPA), 암모늄 퍼설페이트(APS), β-나프탈렌 설폰산(NSA)은 Aldrich로부터 구입하여 사용하였다.In the present invention, trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA), ammonium persulfate (APS) and β-naphthalene sulfonic acid (NSA) were purchased from Aldrich.

50 mM의 TMSPA를 50 mM의 NSA에 녹이고 그 용액을 2시간 동안 교반하였다. 10 mL의 0.5 M APS 용액을 5℃에서 일정한 속도로 교반하면서 2시간 동안 드롭와이즈로 첨가하였다. 짙은 녹색의 침전물, KGM-1을 얻었다. 상기 침전물을 증류수로 세척하고 60℃ 진공오븐에서 건조하였다.50 mM TMSPA was dissolved in 50 mM NSA and the solution was stirred for 2 hours. 10 mL of 0.5 M APS solution was added dropwise for 2 hours with stirring at 5 ° C. at constant rate. A dark green precipitate, KGM-1, was obtained. The precipitate was washed with distilled water and dried in a vacuum oven at 60 ℃.

실시예Example 2:  2: KGMKGM -1 막의 제조(전기화학적 방법)Preparation of --1 Membrane (electrochemical method)

순환 전압전류 측정은 EG & G PAR 283 정전압/정전류 장치(Potentiostat/Galvanostat)를 사용하였다. NSA(1M) 중의 TMSPA 용액(50 mM)은 각각 ITO 작업전극, Ag/AgCl 기준전극, 및 백금 와이어 보조전극으로 이루어진 세 개의 전극 셀 집합체(electrode cell assembly) 내에서 0.0 V ~ +1.0 V 범위에서 전위를 가역적으로 순환시키는 것에 의하여 전해되었다. 녹색 칼라의 막(KGM-1)이 ITO 전극 표면에서 형성되었다. KGM-1 막의 두께는 상기 CV 하에서 그 영역의 도식 적분에 의해 측정되었다. 코팅된 KGM-1 막의 전기활성 및 안정성은 다른 전위 스캔 속도에서 1 M NSA 중의 KGM-1 막의 순환 전압전류 곡선을 기록하는 것에 의해 연구되었다.Cyclic voltammetry was performed using an EG & G PAR 283 constant voltage / constant current device (Potentiostat / Galvanostat). TMSPA solution (50 mM) in NSA (1M) was in the range of 0.0 V to +1.0 V in three electrode cell assemblies consisting of an ITO working electrode, Ag / AgCl reference electrode, and a platinum wire auxiliary electrode, respectively. It was delivered by reversibly circulating the potential. A green colored film (KGM-1) was formed on the surface of the ITO electrode. The thickness of the KGM-1 membrane was measured by schematic integration of that region under the CV. The electroactivity and stability of the coated KGM-1 membrane was studied by recording the cyclic voltammetry curve of the KGM-1 membrane in 1 M NSA at different potential scan rates.

시험예Test Example 1:  One: KGMKGM -1(파우더)의 조직(The organization of -1 (powder) morphologymorphology )과 구조 관찰And structure observation

KGM-1 파우더의 입자 조직은 1250 kV에서 작동되는 전계방출형 전자총(Field Emission Electron Gun)을 가진 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)(JEOL, JEM-ARM1300S)에 의하여 조사되었다. 상기 샘플의 X-rey 회절 패턴은 Cu Kα 방사를 이용하는 D8-Advanced Bruker AXS 회절기를 사용하여 수집하였다. N2 흡착-탈착 등온선(Brunauer-Emmett-Teller) 측정은 77 K에서 흡착물질로서 질소를 갖는 Quantachrome Autosorb-1을 사용하여 수행하였다. 상기 샘플들은 측정 전에 진공상태의 200℃에서 2시간 동안 가스를 제거하였다. 자외선-가시선 분광은 300~800 nm의 범위에서 실온에서 Shimadzu UV-2101 분광광도계를 이용하여 기록되었다.The grain structure of KGM-1 powder was investigated by a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) (JEOL, JEM-ARM1300S) with a field emission electron gun operated at 1250 kV. X-rey diffraction patterns of the samples were collected using a D8-Advanced Bruker AXS diffractometer using Cu Kα radiation. N 2 adsorption-desorption isotherms (Brunauer-Emmett-Teller) measurements were performed using Quantachrome Autosorb-1 with nitrogen as adsorbent at 77 K. The samples were degassed for 2 hours at 200 ° C. under vacuum prior to measurement. Ultraviolet-vis spectroscopy was recorded using a Shimadzu UV-2101 spectrophotometer at room temperature in the range of 300-800 nm.

시험예Test Example 2:  2: KGMKGM -1 막의 전기변색-1 electrochromic of membrane

약 15에서 100nm의 두께를 갖는 KGM-1 막을 순환 전압전류법에 의한 ITO의 표면 위에 코팅시켰다. 분광전기화학적 실험들은 작업전극으로서 ITO, 기준전극으로서 Ag/AgCl 및 보조전극으로서 백금 와이어를 갖는 셀을 조립하는 것에 의해 1 cm 경로 길이의 Quartz cuvette에서 행하여 졌다. 자외선-가시선 분광은 -0.1 V ~ 0.7 V의 범위에서 전위를 유지하며 동시적으로 기록되었다.A KGM-1 film having a thickness of about 15 to 100 nm was coated on the surface of ITO by cyclic voltammetry. Spectroelectrochemical experiments were performed in a quartz cuvette 1 cm path length by assembling a cell with ITO as working electrode, Ag / AgCl as reference electrode and platinum wire as auxiliary electrode. Ultraviolet-vis spectroscopy was recorded simultaneously, maintaining the potential in the range of -0.1 V to 0.7 V.

본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질은 실리카 나노 채널 내 의 폴리아닐린(PANI) 사슬의 높은 주기성, 전기활성, 전기변색성, 및 pH 감응성을 가지며, 실리카 나노 채널 내에 폴리아닐린(PANI)의 더 높은 로딩(loading)이 가능하므로, 발광다이오드, 전계효과 트렌지스터, 태양전지, 메모리 장치, 2차 전지, 에너지/전자 이동 나노소자, 화학센서 등에 다양한 용도로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질은 약물전달수단 및 에너지 소자용으로 효과적으로 이용될 수 있다.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention has high periodicity, electroactivity, electrochromicity, and pH sensitivity of polyaniline (PANI) chains in silica nanochannels, and higher loading of polyaniline (PANI) in silica nanochannels As it is possible to load, it can be used for various applications such as light emitting diodes, field effect transistors, solar cells, memory devices, secondary batteries, energy / electron transfer nano devices, chemical sensors, and the like. In addition, the nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention can be effectively used for drug delivery means and energy devices.

도 1은 본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 형성 메카니즘을 도시한 것이다.1 illustrates the formation mechanism of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention.

(a) NSA-TMSPA 자기 조립의 구형 미셀(일부분) (a) Spherical micelles (partial) of NSA-TMSPA self-assembly

(b) 동시적인 고분자 중합과 축합(b) simultaneous polymerisation and condensation

(c) 실리카의 나노 채널 내의 폴리아닐린(c) polyaniline in nanochannels of silica

도 2는 본 발명의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 스몰 앵글 XRD 패턴 및 와이드 앵글 XRD 패턴(삽입도)을 그래프로 도시한 것이다. Figure 2 graphically depicts the small angle XRD pattern and the wide angle XRD pattern (inset) of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material of the present invention.

도 3은 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 및 하소한(alcined) 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 고분해능 투과전자현미경(HRTEM) 이미지를 나타낸다[a,c: 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질에 대한 이미지(c다른 배율 사진임); b, d, e: 소성한(calcined) 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질에 대한 이미지(d는 b의 다른 배율 사진이며, e는 d의 박스 지역의 확대 이미지임)]. FIG. 3 shows high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images of nanoporous silica-polyaniline hybrids and calcined nanoporous silica-polyaniline hybrids [a, c: Images for nanoporous silica-polyaniline hybrids ( c different magnification picture); b, d, e: Images of calcined nanoporous silica-polyaniline hybrids (d is another magnification of b, e is an enlarged image of the box area of d).

도 4는 인듐산화주석(ITO) 작업전극의 표면에 대한 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 막 성장에 의한 막을 나타내는 순환 전압-전류도(CV)를 도시한 것이다[순환 전압-전류도는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 형성 동안 기록됨(TMSPA = 50 mM, NSA = 1 M, 스캔 속도; 100 mV/sec), 삽입도: KGM-1의 막의 순환 전압-전류도(NSA = 1 M, 스캔 속도; 100 mV/sec)].FIG. 4 shows a cyclic voltammogram (CV) showing a film by film growth of nanoporous silica-polyaniline hybrid material on the surface of an indium tin oxide (ITO) working electrode. Recorded during formation of the silica-polyaniline hybrid (TMSPA = 50 mM, NSA = 1 M, scan rate; 100 mV / sec), insertability: cyclic voltage-current diagram (NSA = 1 M, scan rate) of the membrane of KGM-1 ; 100 mV / sec).

도 5는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 자외선-가시선 스펙트럼을 도시한 것이며, 삽입된 그래프는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 실 시간 분광 전기화학적 분석 그래프이다(자외선-가시선 스펙트럼들은 각각 a: -0.1 V, b: 0.1 V, c; 0.3 V, d: 0.5 V, e: 0.7 V의 적용 전위에서 수집됨).FIG. 5 shows the ultraviolet-visible spectrum of a nanoporous silica-polyaniline hybrid material, and the inserted graph is a real-time spectroscopic electrochemical analysis graph of the nanoporous silica-polyaniline hybrid material (ultraviolet-visible spectra are respectively a:- Collected at an application potential of 0.1 V, b: 0.1 V, c; 0.3 V, d: 0.5 V, e: 0.7 V).

Claims (11)

실리케이트 네트워크에 의한 나노 채널 형상의 실리카 골격, Nano-channel silica skeleton, by silicate network 상기 실리카 골격 내부의 Si와 탄소수 1~5의 직쇄 탄화수소에 의해 연결되는 질소원자(N)를 포함하는 폴리아닐린 (PANI) 사슬, 및 A polyaniline (PANI) chain comprising a nitrogen atom (N) connected by Si in the silica skeleton and a straight chain hydrocarbon having 1 to 5 carbon atoms, and 상기 폴리아닐린 사슬과 정전기적 상호작용으로 결합된 β-나프탈렌 설폰산 (NSA)에 의해 형성된 미셀 (micelle)을 포함하며,A micelle formed by β-naphthalene sulfonic acid (NSA) bonded in an electrostatic interaction with the polyaniline chain, 상기 폴리아닐린 사슬이 상기 나노 채널 벽 내부에 균일한 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질.And wherein said polyaniline chain forms a uniform film inside said nanochannel wall. 제 1 항에 있어서, 상기 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질이 정렬된 육각형 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material of claim 1, wherein the nanoporous silica-polyaniline hybrid material has an aligned hexagonal arrangement. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소수 1~5의 직쇄 탄화수소가 프로필렌(propylene)인 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material according to claim 1, wherein the C1-5 straight chain hydrocarbon is propylene. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 채널 벽 내부의 균일한 막이 상기 나노 채널 구멍을 완전히 블로킹하지 않는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질.The nanoporous silica-polyaniline hybrid material of claim 1, wherein a uniform film inside the nanochannel wall does not completely block the nanochannel holes. 트리메톡시실릴프로필아닐린 (TMSPA)을 β-나프탈렌 설폰산 (NSA)에 녹이고 교반하는 단계;Dissolving trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA) and stirring; 상기에서 제조된 용액에 암모늄 퍼설페이트 (APS)를 첨가하는 단계; 및Adding ammonium persulfate (APS) to the solution prepared above; And 상기 단계에서 형성된 침전물을 회수하여 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 제조방법.A method for producing a nanoporous silica-polyaniline hybrid material comprising recovering, washing and drying the precipitate formed in the step. 제 5 항에 있어서, 암모늄 퍼설페이트 (APS)를 일정한 속도로 교반하면서 드롭와이즈로 첨가하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 제조방법.6. The method of claim 5, wherein ammonium persulfate (APS) is added dropwise with stirring at a constant rate. 제 6 항에 있어서, 암모늄 퍼설페이트 (APS)의 첨가가 2~8℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 제조방법.7. A process according to claim 6, wherein the addition of ammonium persulfate (APS) is carried out at 2-8 < 0 > C. 제 6 항에 있어서, 상기 트리메톡시실릴프로필아닐린 (TMSPA) 분자들은, TMSPA 중의 -NH2 그룹과 상기 β-나프탈렌 설폰산(NSA) 중의 SO3 - 그룹 사이의 정전기적 상호작용에 의하여, 구형 미셀에서 자기 조립을 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 제조방법.7. The trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) molecules of claim 6, wherein the trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) molecules are spherical by an electrostatic interaction between the —NH 2 group in TMSPA and the SO 3 group in the β-naphthalene sulfonic acid (NSA). A method for producing a nanoporous silica-polyaniline hybrid material, characterized in that the self-assembly is performed in a micelle. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질로 형성되는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막.A nanoporous silica-polyaniline hybrid material membrane formed from the nanoporous silica-polyaniline hybrid material of any one of claims 1 to 4. 트리메톡시실릴프로필아닐린 (TMSPA)을 β-나프탈렌 설폰산(NSA)에 용해시키는 단계;Dissolving trimethoxysilylpropylaniline (TMSPA) in β-naphthalene sulfonic acid (NSA); 상기에서 제조된 용액을 ITO (Indium tin oxide) 작업전극, Ag/AgCl 기준전극, 및 백금 와이어 보조전극으로 이루어진 세개의 전극 셀 집합체 (electrode cell assembly) 내에서 전해시키는 단계; 및Electrolyzing the solution prepared in three electrode cell assemblies consisting of an indium tin oxide (ITO) working electrode, an Ag / AgCl reference electrode, and a platinum wire auxiliary electrode; And 상기 ITO 작업전극의 표면에 형성된 막을 회수하는 단계를 포함하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질 막의 제조방법.Recovering the film formed on the surface of the ITO working electrode. 제 10 항에 있어서, 상기 전해는 0.0 V ~ +1.0 V 범위에서 전위를 가역적으로 순환시키는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 나노다공성 실리카-폴리아닐린 혼성 물질의 막의 제조방법.The method of claim 10, wherein the electrolysis is performed by reversibly circulating a potential in the range of 0.0 V to +1.0 V. 12.
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