KR101358655B1 - Hybrid nanocomposite having excellent capacity for hydrogen storage and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 저장능을 갖는 혼성 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 금속-유기물 골격; 및 상기 금속-유기물 골격 내에 담지된 (embedded) 마그네슘 나노결정을 포함하는 수소 저장능을 갖는 혼성 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 혼성 나노복합체는 수소 기체에 대해서 우수한 물리적 흡착성 및 화학적 흡착성을 지니므로 수소 저장 및 수송 매체로 사용되기에 탁월한 물성을 지니며, 따라서 미래형 에너지 저장 매체의 개발에 기초를 제공할 수 있다.The present invention relates to a hybrid nanocomposite having a hydrogen storage capacity and a method for manufacturing the same, more specifically, a metal-organic skeleton; And it relates to a hybrid nanocomposite having a hydrogen storage capacity including magnesium nanocrystals (embedded) in the metal-organic skeleton and a method of manufacturing the same.
The hybrid nanocomposites according to the present invention have excellent physical adsorption and chemical adsorption properties for hydrogen gas and thus have excellent physical properties for use as hydrogen storage and transport media, thus providing a basis for the development of future energy storage media. .
Description
본 발명은 수소 저장능을 갖는 금속-유기물 및 마그네슘 기반 혼성 나노복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal-organic and magnesium-based hybrid nanocomposite having a hydrogen storage capacity and a method of manufacturing the same.
수소는 미래용 에너지 저장 매체로서 매우 주목받는 물질이며, 수소를 연료로서 사용하기 위해서는, 고밀도, 고안전성, 및 고효율 특성을 갖는 수소 저장 시스템이 개발되어야 한다. 최근, 다공성 금속-유기물 골격 (metal-organic frameworks; MOFs)이 잠재적인 수소 저장 물질로서 매우 큰 주목을 받고 있는데 (Suh, M. P., Park, H. J., Prasad, T. K. & Lim, D. -W. Hydrogen storage in metal organic frameworks. Chem . Rev. in press (doi:10.1021/cr200274s) 등 참조), 이는 일부 MOF들이 77K 및 고압에서 대량의 수소 (> 7 wt%)를 저장할 수 있기 때문이다 (Furukawa, H. et al . Ultrahigh porosity in metal-organic frameworks. Science 329, 424-428 (2010) 등 참조).Hydrogen is a material of great interest as a future energy storage medium, and in order to use hydrogen as a fuel, a hydrogen storage system having high density, high safety, and high efficiency characteristics must be developed. Recently, porous metal-organic frameworks (MOFs) have received great attention as potential hydrogen storage materials (Suh, MP, Park, HJ, Prasad, TK & Lim, D.-W. Hydrogen storage). ... in metal organic frameworks Chem Rev in press (doi: 10.1021 / cr200274s) reference, etc.), since some of MOF can store hydrogen (> 7 wt%) of the mass at 77K and high pressure (Furukawa, H. et al . Ultrahigh porosity in metal-organic frameworks. Science 329 , 424-428 (2010) et al.).
실온에서, MOF들의 수소 저장 능력은 1wt% 미만으로 감소하는데, 이는 골격과 수소 사이의 상호작용 에너지가 매우 낮기 때문이다 (4 - 8 kJ mol-1). 따라서, 주위 온도에서 MOF들의 수소 저장 능력을 향상시키기 위해서 다양한 노력들이 경주되고 있으며, 예를 들어, 리간드를 튜닝 (tuning)하거나 (Wang, Z., Tanabe, K. K., & Cohen, S. M. Tuning hydrogen sorption properties of metal-organic frameworks by postsynthetic covalent modification. Chem .- Eur . J. 16, 212-217 (2010)), 개방형 금속 사이트를 생성하거나 (Lee, Y. -G., Moon, H. R., Cheon, Y. E., & Suh, M. P. Comparison of H2 sorption capacities for isostructural MOFs without and with accessible metal sites: [Zn2(ABTC)(DMF)2]3 and [Cu2(ABTC)(DMF)2]3 vs. [Cu2(ABTC)]3. Angew . Chem . Int . Ed . 47 , 7741-7745 (2008)), 팔라듐 나노입자를 담지 (embedding)시키는 방법 (Cheon, Y. E. & Suh, M. P. Enhanced hydrogen storage by palladium nanoparticles fabricated in a redox-active metal-organic framework. Angew . Chem . Int . Ed . 48, 2899-2903 (2009)) 등이 개발된 바 있다. 이러한 변형들에도 불구하고, 종래 개발된 방법들은 그다지 만족스럽지 못하며, 개발된 물질들 중 어느 것도 미국 에너지국에서 설정한 2015년 기준 목표치를 달성하지 못하고 있다.At room temperature, the hydrogen storage capacity of the MOFs is reduced to less than 1 wt%, because the interaction energy between the framework and hydrogen is very low (4-8 kJ mol −1 ). Thus, various efforts have been made to improve the hydrogen storage capacity of MOFs at ambient temperature, for example, tuning ligands (Wang, Z., Tanabe, KK, & Cohen, SM Tuning hydrogen sorption properties). of metal-organic frameworks by postsynthetic covalent modification. Chem .- Eur. J. 16, 212-217 (2010)), or to create an open metal sites (Lee, Y. -G., Moon , HR, Cheon, YE, & Suh, MP Comparison of H 2 sorption capacities for isostructural MOFs without and with accessible metal sites: [Zn 2 (ABTC) (DMF) 2 ] 3 and [Cu 2 (ABTC) (DMF) 2 ] 3 vs. [Cu 2 (ABTC)] 3. Angew . Chem . Int . Ed . 47 , 7741-7745 (2008)), a method of embedding palladium nanoparticles (Cheon, YE & Suh, MP Enhanced hydrogen storage by palladium nanoparticles fabricated in a redox-active metal-organic framework . Angew. Chem. Int. Ed. 48, has been developed, such as the bar 2899-2903 (2009)). Despite these modifications, previously developed methods are not very satisfactory, and none of the materials developed meets the 2015 baseline set by the US Department of Energy.
최근에는 수소 저장을 위한 고효율 물질로서, 마그네슘에 대한 연구가 활발하다. 마그네슘은 수소를 773 K 및 200 atm에서, MgI2 촉매의 존재 하에, 화학적으로 흡착한다 (Wiberg,E., Goeltzer, H., & Bauer, R. Synthesis of magnesium hydride from the elements. Z Naturforsch . 6b, 394-395 (1951)). 볼 밀링에 의해서 제조된 50 - 100 ㎛ 크기의 마그네슘 분말은 673 K 및 10 bar에서 수소를 서서히 흡수한다 (Zaluska, A., Zaluski, L. & Strom-Olsen, J. O. Nanocrystalline magnesium for hydrogen storage. J Alloys Compd. 288, 217-225 (1999)).Recently, as a high-efficiency material for hydrogen storage, research on magnesium is active. Magnesium is hydrogen at 773 K and 200 atm, in the presence of a catalyst MgI 2, a chemically adsorbed (Wiberg, E., Goeltzer, H., & Bauer, R. Synthesis of magnesium hydride from the elements. Z Naturforsch. 6b , 394-395 (1951). Prepared by ball milling 50 - 100 ㎛ size of the magnesium powder it is slowly absorbed hydrogen at 673 K and 10 bar (Zaluska, A., Zaluski , L. & Strom-Olsen, JO Nanocrystalline magnesium for hydrogen storage J Alloys. Compd . 288 , 217-225 (1999).
마그네슘 하이드라이드는 매우 높은 탈수소화 엔탈피를 갖기 때문에 (~75 kJ per mol H2), 마그네슘 중에 수소를 저장하기 위해서는 중금속 촉매들이 일반적으로 사용되어 H2 탈착 온도를 감소시키고 반응속도를 향상시키지만, 이러한 중금속 촉매들 역시 효과적인 탈수소화를 야기하지는 못한다 (Bobeta, J.-L. et al. Hydrogen sorption properties of the nanocomposites Mg-Mg2Ni1 - xFex. J Alloys Compd. 345, 280-285 (2002)). 또한, 마그네슘의 입자 크기가 감소하게 되면, 금속 하이드라이드의 불안정화로 인해서 수소 흡착 및 분리 온도는 감소하게 되지만, 더 빠른 H2 해리를 위해서는 중금속 촉매들이 여전히 요구된다 (Berube, V., Radtke, G., Dresselhaus, M. & Chen, G. Size effects on the hydrogen storage properties of nanostructured metal hydrides: a review. Int . J. Energy . Res . 31, 637-663 (2007)).Because magnesium hydride has a very high dehydrogenation enthalpy (~ 75 kJ per mol H 2 ), heavy metal catalysts are commonly used to store hydrogen in magnesium, reducing the H 2 desorption temperature and improving the reaction rate. Heavy metal catalysts also do not cause effective dehydrogenation (Bobeta, J.-L. et. al . Hydrogen sorption properties of the nanocomposites Mg-Mg 2 Ni 1 - x Fe x . J Alloys Compd . 345 , 280-285 (2002)). In addition, as the particle size of magnesium decreases, hydrogen adsorption and separation temperatures decrease due to destabilization of the metal hydride, but heavy metal catalysts are still required for faster H 2 dissociation (Berube, V., Radtke, G). ., Dresselhaus, M. & Chen, G. Size effects on the hydrogen storage properties of nanostructured metal hydrides:.... a review Int J. Energy Res 31, 637-663 (2007)).
종래에 나노 크기의 마그네슘 입자들은 다양한 방법들에 의해서 제조되었는 바, 예를 들어 볼-밀링 (Aguey-Zinsou, K. -F., Fernandez, J. R. A., Klassen, T. & Bormann, R. Effect of Nb2O5 on MgH2 properties during mechanical milling. Int. J. Hydrogen Energy . 32, 2400-2407 (2007)), 마그네슘 금속 증기의 응축 (Li, W., Li, C., Ma, H. & Chen, J. Magnesium nanowires: enhanced kinetics for hydrogen absorption and desorption. J. Am . Chem . Soc . 129, 6710-6711 (2007)), 플라즈마 금속 반응 (Zhang, X. et al. Synthesis of magnesium nanoparticles with superior hydrogen storage properties by acetylene plasma metal reaction. Int. J. Hydrogen . Energy 36, 4967-4975 (2011)), 탄소 물질 중에서 용융 마그네슘의 침투 (de Jongh, P. E. et al. The preparation of carbon-supported magnesium nanoparticles using melt infiltration Chem . Mater . 19, 6052-6057 (2007)), 초음파전기화학법 (sonoelectrochemistry) (Haas, I. & Gedanken, A. Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chem . Commun. 1795-1797 (2008)) 또는 마그네슘 전구체의 화학적 환원 (Jeon, K. -J. et al. Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. Nature Materials 10, 286-290 (2011)) 등의 다양한 방법들이 시도되었다.Conventionally, nano-sized magnesium particles have been prepared by various methods, for example ball-milling (Aguey-Zinsou, K.-F., Fernandez, JRA, Klassen, T. & Bormann, R. Effect of Nb 2 O 5 on MgH 2 properties during mechanical milling. Int. J. Hydrogen Energy . 32 , 2400-2407 (2007)), Condensation of Magnesium Metal Vapor (Li, W., Li, C., Ma, H. & Chen, J. Magnesium nanowires: enhanced kinetics for hydrogen absorption and desorption. J. Am . Chem . Soc . 129 , 6710-6711 (2007)), plasma metal reactions (Zhang, X. et. al . Synthesis of magnesium nanoparticles with superior hydrogen storage properties by acetylene plasma metal reaction. Int. J. Hydrogen . Energy 36 , 4967-4975 (2011)), Penetration of Molten Magnesium in Carbon Materials (de Jongh, PE et al . The preparation of carbon-supported magnesium nanoparticles using melt infiltration Chem . Mater . 19, 6052-6057 (2007)), ultrasound electrochemical methods (sonoelectrochemistry) (Haas, I. & Gedanken, A. Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chem. Commun. 1795-1797 (2008)) or a precursor of magnesium Chemical reduction (Jeon, K.-J. et al . Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. Nature Materials 10 , 286-290 (2011)) have been tried.
그러나, 이러한 방법들은 긴 공정 시간을 필요로 하고, 극도로 높은 온도가 요구되며 (898 - 1203 K), 전기적으로 또는 화학적으로 가혹한 조건임에도, 크기 분포가 균일하지 않은 산물을 제조하게 된다는 점에서 단점을 갖는다.However, these methods require long processing times, extremely high temperatures (898-1203 K), and produce products with non-uniform size distributions, even under harsh electrical or chemical conditions. Has
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자, 금속-유기물 골격 내에 육각형-디스크 형태의 마그네슘 나노결정을 제조함으로써, 수소에 대해서 물리적 흡착 및 화학적 흡착 특성을 동시에 지니는 혼성 나노복합체 및 그 제조방법을 제공한다.The present invention provides a hybrid nanocomposite having both physical adsorption and chemical adsorption properties for hydrogen, and a method of manufacturing the same, by preparing magnesium nanocrystals in hexagonal-disc form in a metal-organic skeleton to solve the problems of the prior art. do.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위해서,In order to achieve the first object of the present invention,
금속-유기물 골격; 및Metal-organic backbones; And
상기 금속-유기물 골격 내에 담지된 (embedded) 마그네슘 나노결정을 포함하는 수소 저장능을 갖는 혼성 나노복합체를 제공한다.It provides a hybrid nanocomposite having a hydrogen storage capacity including magnesium nanocrystals embedded in the metal-organic backbone.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속-유기물 골격은 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal-organic skeleton may be Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 .
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 금속-유기물 골격은 쿰 토폴로지 (qom topology)의 비-상호관통 (6,3)-연결된 네트 구조 (non-interpenetrated (6,3)-connected net)를 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the metal-organic skeleton has a non-interpenetrated (6,3) -connected net of a qom topology. Can be.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 마그네슘 나노결정의 함량은 상기혼성 나노복합체의 총중량을 기준으로 1.2 중량% 내지 10.5 중량%일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the content of the magnesium nanocrystals may be 1.2% by weight to 10.5% by weight based on the total weight of the hybrid nanocomposite.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 마그네슘 나노결정은 육각형 디스크 형태를 가질 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the magnesium nanocrystals may have a hexagonal disk shape.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 육각형 디스크의 대각선 길이는 44 nm 내지 88 nm이고, 두께는 16 내지 61nm일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the diagonal length of the hexagonal disk may be 44 nm to 88 nm, the thickness may be 16 to 61 nm.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 마그네슘 나노결정에 대한 고속 푸리에 변환 (fast Fourier transform) 패턴은 2.805Å의 분리 거리를 갖는 격자 무늬일 수 있다.According to another embodiment of the invention, the fast Fourier transform (fast Fourier transform) pattern for the magnesium nanocrystals may be a grid pattern having a separation distance of 2.805Å.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위해서,In order to achieve the second object of the present invention,
1) Zn(NO3)2 및 아닐린-2,4,6-트리벤조산의 혼합물을 DMF 중에서 가열하여 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O를 제조하는 단계;1) A mixture of Zn (NO 3 ) 2 and aniline-2,4,6-tribenzoic acid was heated in DMF to give [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] .22DMF.9H 2 Preparing O;
2) 상기 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O를 초임계 CO2를 사용하여 활성화시킴으로써 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2를 제조하는 단계;2) The [Zn 4 O (aniline-2,4,6-benzoate) 2], by activating, using the 22DMF · 9H 2 O supercritical CO 2 Zn 4 O (2,4,6 aniline Preparing tribenzoate) 2 ;
3) 상기 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2에 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘을 화학적 기상 증착시키는 단계;3) chemical vapor deposition of bis (cyclopentadienyl) magnesium on Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ;
4) 상기 기상 증착된 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘을 열분해시키는 단계; 및4) pyrolysing the vapor deposited bis (cyclopentadienyl) magnesium; And
5) 상기 열분해 단계로부터 생성된 유기 분해 산물을 제거하는 단계를 포함하는 수소 저장능을 갖는 혼성 나노복합체의 제조방법을 제공한다.5) It provides a method for producing a hybrid nanocomposite having a hydrogen storage capacity comprising the step of removing the organic decomposition products generated from the pyrolysis step.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 1) 단계는 80℃ 내지 100℃의 온도에서 24시간 내지 48시간 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the step 1) may be performed for 24 to 48 hours at a temperature of 80 ℃ to 100 ℃.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 1) 단계에서 Zn(NO3)2 및 아닐린-2,4,6-트리벤조산의 반응 중량비는 Zn(NO3)2 100 중량부에 대해서 아닐린-2,4,6-트리벤조산 30 내지 50 중량부를 반응시킬 수 있다.In further embodiments, the 1) Zn (from Step NO 3) 2 and the reaction weight ratio of aniline-2,4,6-benzoic acid is Zn (NO 3) 2 per 100 parts by weight of aniline-2, 30 to 50 parts by weight of 4,6-tribenzoic acid can be reacted.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 2) 단계는 73 bar 내지 200 bar의 압력 및 31.1 ℃ 내지 50 ℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, step 2) may be performed under a pressure of 73 bar to 200 bar and a temperature condition of 31.1 ° C. to 50 ° C.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 3) 단계는 80 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 1 일 내지 3 일 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the step 3) may be performed for 1 day to 3 days at a temperature of 80 ℃ to 100 ℃.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 3) 단계는 상기 3) 단계를 수행하기 이전에 반응 용기를 사전-진공 상태로 만들어 준 후, 80 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 3 시간 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.According to another embodiment of the invention, the step 3) is to make the reaction vessel pre-vacuum state before performing the step 3), and then for 3 to 5 hours at a temperature of 80 ℃ to 100 ℃ Can be performed.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 4) 단계는 180 ℃ 내지 200 ℃로 유지된 오일 중탕에 반응 용기를 3 시간 내지 24 시간 동안 침지시킴으로써 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, step 4) may be performed by immersing the reaction vessel in an oil bath maintained at 180 ° C to 200 ° C for 3 to 24 hours.
본 발명에 따른 혼성 나노복합체는 수소 기체에 대해서 우수한 물리적 흡착성 및 화학적 흡착성을 지니므로 수소 저장 및 수송 매체로 사용되기에 탁월한 물성을 지니며, 따라서 미래형 에너지 저장 매체의 개발에 기초를 제공할 수 있다.The hybrid nanocomposites according to the present invention have excellent physical adsorption and chemical adsorption properties for hydrogen gas and thus have excellent physical properties for use as hydrogen storage and transport media, thus providing a basis for the development of future energy storage media. .
도 1a는 본 발명에 따라서 제조된 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O에 대한 X-선 결정구조를 원자별 번호를 매겨가며 그린 ORTEP 도면이고, 도 1b는 이에 대한 3D 골격 구조 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따라서 제조된 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O에 대한 TGA/DSC 흔적 그래프이고, 도 2b는 이에 대하여 초임계 CO2 처리를 한 이후에 얻어진 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]에 대한 TGA 데이터 그래프이다.
도 3a 내지 3c는 제조예 4.1 내지 4.3에 따라서 합성된 물질들에 대한 1H NMR 그래프이다.
도 4a 내지 4c는 제조예 4.3에 따라서 합성된 물질에 대한 HRTEM 영상 사진들이고, 도 4d 및 4e는 이에 대한 고속 푸리에 변환 패턴이다.
도 5a 내지 5d는 제조예 4.1 내지 4.3에 따라서 합성된 물질들에 대한 HRTEM 영상사진들이고 (5a: 제조예 4.1; 5b: 제조예 4.2; 5c 및 5d: 제조예 4.3), 도 5e 및 5f는 각각 상기 물질들에 대한 마그네슘 나노결정의 크기 분포 및 두께 분포를 나타낸 그래프이며, 도 5g는 제조예 4.2로부터 제조된 물질 중에 존재하는 마그네슘 나노결정에 대한 HRTEM 영상 사진이고. 도 5h는 제조예 4.2로부터 제조된 물질에 대한 EDS 데이터이고, 도 5i는 제조예 4.3으로부터 제조된 물질에 대한 EDS 데이터이다.
도 6a (TEM 영상), 및 6b 내지 6d (서로 다른 각도에서 형태적으로 재구성된 마그네슘 나노결정에 대한 영상)는 제조예 4.2로부터 제조된 물질에 대한 TEM 및 전자 형태학적 영상들이다.
도 7a 내지 7d는 제조예 4.3으로부터 제조된 물질에 대한 X-선 광전자 스펙트럼 (X-ray photoelectron spectrum; XPS) 결과를 나타낸 그래프이다 (7a (Zn에 대한 피크); 7b (Mg에 대한 피크); 7c (탄소에 대한 피크); 7d (산소에 대한 피크)).
도 8은 본 발명에 따른 다양한 물질들에 대한 분말 X-선 회절 패턴이다.
도 9a 내지 9d는 제조예 3, 및 제조예 4.1 내지 4.3에 따라서 제조된 물질들에 대한 N2 기체 수착 등온선들이다.
도 10a 및 10b는 77K (10a) 및 298K (10b)에서, 제조예 3 및 제조예 4.1에 따라서 제조된 물질들에 대한 고압 H2 기체 수착 등온선이다.
도 11은 제조예 3, 및 제조예 4.1 내지 4.3에 따라서 제조된 물질들의 H2 물리적 흡착에 대한 등량 흡착열을 나타낸 그래프이다.
도 12a (물리적 수착), 도 12 b (화학적 흡착) 및 도 12c (온도 프로그래밍된 탈착 질량 스펙트로스코피)는 제조예 3, 제조예 4.2 및 4.3에 따라서 제조된 물질들에 대한 H2 기체 흡착 등온선이다.
도 13a는 제조예 4.3으로부터 제조된 물질에 대한 온도 프로그래밍된 탈착 질량 스펙트로스코피 데이터이며, 도 13b는 수소 원자 및 수소 분자에 대한 강도를 비교한 것이다.
도 14는 H2 기체의 화학적 흡착 이전 및 이후, 제조예 4.3으로부터 제조된 물질의 TGA 데이터를 도시한 그래프이다.
도 15a는 수소 기체가 흡착된 상태의 제조예 4.3으로부터 제조된 물질에 ㄷ대한 HPTEM 영상이고, 도 15b는 Zn4O(atb)2에 담지된 육각형 MgH2 나노결정을 보여주는 HRTEM 영상이며, 도 15c는 MgH2 나노결정에 대한 고속 푸리에 변환 패턴이다.
도 16a는 본 발명에 따른 물질들에 있어서, H2 흡착으로부터 형성된 MgH2 나노결정들에 대한 크기 분포 그래프이고, 도 16b는 동일한 물질들에 대한 두께 분포 그래프이다.Figure 1a is prepared according to the present invention [Zn 4 O (aniline-2,4,6-benzoate) 2] · 22DMF · gamyeo Rate by the X- ray crystal structure of the calcium 9H 2 O green ORTEP 1B is a 3D skeletal structure diagram thereof.
2a is produced according to the present invention [Zn 4 O (aniline-2,4,6-benzoate) 2] · 22DMF · a TGA / DSC trace graph for 9H 2 O, Figure 2b The supercritical against TGA data graph for [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] obtained after CO 2 treatment.
3A to 3C are 1 H NMR graphs of materials synthesized according to Preparation Examples 4.1 to 4.3.
4A to 4C are HRTEM image photographs of the material synthesized according to Preparation Example 4.3, and FIGS. 4D and 4E are fast Fourier transform patterns thereof.
5a to 5d are HRTEM images of materials synthesized according to Preparations 4.1 to 4.3 (5a: Preparation 4.1; 5b: Preparation 4.2; 5c and 5d: Preparation 4.3), and FIGS. 5e and 5f are respectively Figure 5g is a graph showing the size distribution and thickness distribution of magnesium nanocrystals for the materials, Figure 5g is a HRTEM image of the magnesium nanocrystals present in the material prepared from Preparation Example 4.2. 5H is EDS data for the material prepared from Preparation Example 4.2, and FIG. 5I is EDS data for the material prepared from Preparation Example 4.3.
6A (TEM image), and 6b to 6d (image for morphologically reconstituted magnesium nanocrystals at different angles) are TEM and electronic morphological images of the material prepared from Preparation Example 4.2.
7A-7D are graphs showing X-ray photoelectron spectrum (XPS) results for materials prepared from Preparation Example 4.3 (7a (peak for Zn); 7b (peak for Mg); 7c (peak for carbon); 7d (peak for oxygen)).
8 is a powder X-ray diffraction pattern for various materials in accordance with the present invention.
9A-9D are N 2 gas sorption isotherms for
10A and 10B are high pressure H 2 gas sorption isotherms for materials prepared according to
FIG. 11 is a graph showing the heat of adsorption of equivalent adsorption on H 2 physical adsorption of materials prepared according to Preparation Example 3 and Preparation Examples 4.1 to 4.3.
12A (physical sorption), FIG. 12B (chemical adsorption) and FIG. 12C (temperature programmed desorption mass spectroscopy) are H 2 gas adsorption isotherms for materials prepared according to Preparation Examples 3, 4.2 and 4.3 .
FIG. 13A is temperature programmed desorption mass spectroscopy data for materials prepared from Preparation Example 4.3, and FIG. 13B compares the strength for hydrogen atoms and hydrogen molecules.
14 is a graph depicting TGA data of materials prepared from Preparation Example 4.3 before and after chemical adsorption of H 2 gas.
FIG. 15A is an HPTEM image of a material prepared from Preparation Example 4.3 with hydrogen gas adsorbed, FIG. 15B is an HRTEM image showing hexagonal MgH 2 nanocrystals supported on Zn 4 O (atb) 2 , and FIG. 15C Is a fast Fourier transform pattern for MgH 2 nanocrystals.
FIG. 16A is a size distribution graph for MgH 2 nanocrystals formed from H 2 adsorption for materials according to the present invention, and FIG. 16B is a thickness distribution graph for the same materials.
이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.
본 발명에 따른 혼성 나노복합체는 금속-유기물 골격 (metal-organic framework; MOF) 및 상기 골격 내에 담지된 마그네슘 나노결정을 포함한다.Hybrid nanocomposites according to the present invention comprise a metal-organic framework (MOF) and magnesium nanocrystals supported in the framework.
종래에 MOF 내에 작은 크기 (1.4 ~ 10 nm)의 Ag, Au, Ni, 또는 Pd 나노입자들을 MOF 내에 제조한 몇몇 연구가 보고된 바 있으나, MOF 내에 Mg 나노입자를 제조한 선례는 보고된 바가 없다. 본 발명에 따른 나노복합체는 기체상으로 로딩된 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘의 열분해에 의해서 제조되는데, 이러한 방법 역시 나노 사이즈의 마그네슘을 제조하는데 있어서 전혀 보고된 바가 없다. Several studies have been made on the production of Ag, Au, Ni, or Pd nanoparticles of small size (1.4-10 nm) in MOF in the MOF, but no precedent has been reported for producing Mg nanoparticles in the MOF. . Nanocomposites according to the invention are prepared by pyrolysis of bis (cyclopentadienyl) magnesium loaded into the gas phase, and this method has not been reported at all in the preparation of nano sized magnesium.
상기 금속-유기물 골격은 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O (후속 공정에 의해서 유기용매 성분이 제거되면 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2만 남게 됨)일 수 있는데, 하기 실시예의 분석 자료로부터도 알 수 있는 바와 같이, 그 X-선 단일 결정 구조가 종래문헌 (Chae, H. K. et al. A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature 427, 523-527 (2004)에 개시된 바 있는 MOF-177과 유사한, 쿰 토폴로지 (qom topology)의 비-상호관통 (6,3)-연결된 네트 구조 (non-interpenetrated (6,3)-connected net)를 갖는다 (도 1a 및 1b; 도 2a 및 2b 참조).The metal-organic backbone is [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] .22DMF.9H 2 O (Zn 4 O (aniline-2, 4,6-tribenzoate) 2 only), as can be seen from the analytical data of the following examples, the X-ray single crystal structure is known from the literature (Chae, HK et al . A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. A non-interpenetrated (6,3) -connected network of qom topologies, similar to MOF-177 as disclosed in Nature 427 , 523-527 (2004). net) (see FIGS. 1A and 1B; see FIGS. 2A and 2B).
이어서, 상기 금속-유기물 골격 내에는 후술하는 기상 증착 및 열분해 과정에 의해서 마그네슘 나노결정이 담지되는데, 이때 기상 증착 과정 시간을 조절해 주거나 반응기를 사전-진공 상태로 만들어 주는 등의 반응 조건들을 조절함으로써 담지되는 마그네슘 나노결정의 함량을 조절할 수 있게 된다. 바람직하게는, 이러한 마그네슘 나노결정의 함량은 전체 혼성 나노복합체의 총중량을 기준으로 1.2 중량% 내지 10.5 중량%일 수 있다. 만일 마그네슘 나노결정의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 화학적 수소흡착능이 저하되는 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 물리적 수소흡착능이 저하되는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Subsequently, magnesium nanocrystals are loaded in the metal-organic skeleton by the vapor deposition and pyrolysis processes described below, by controlling reaction conditions such as controlling the vapor deposition process time or making the reactor pre-vacuum. The amount of magnesium nanocrystals supported can be controlled. Preferably, the content of such magnesium nanocrystals may be 1.2% by weight to 10.5% by weight based on the total weight of the entire hybrid nanocomposite. If the content of the magnesium nanocrystals is less than the above range, there is a problem that the chemical hydrogen adsorption capacity is lowered, and if it exceeds the above range, there is a problem that the physical hydrogen adsorption capacity is lowered, which is not preferable.
특히, 본 발명에 따른 혼성 나노복합체는 기상증착을 위해서 원료 물질로 비스-시클로펜타디에닐 마그네슘 (MgCp2)을 사용함에도 불구하고 NMR 스펙트럼으로 관찰한 최종 결과물에서 시클로펜타디엔이 전혀 관찰되지 않는데, 이와 같이 MgCp2의 열분해에 의해서 나노 크기의 마그네슘을 제조한 예는 종래에 전혀 보고된 바가 없다. In particular, despite the use of bis-cyclopentadienyl magnesium (MgCp 2 ) as a raw material for vapor deposition in the hybrid nanocomposite according to the present invention, no cyclopentadiene is observed in the final result observed in the NMR spectrum. As such, an example of preparing nano-sized magnesium by pyrolysis of MgCp 2 has not been reported in the prior art.
상기 마그네슘 나노결정은 육각형 디스크 형태의 마그네슘 나노결정으로서, 육각형의 대각선 길이가 44 nm 내지 88 nm (평균: 60 ± 18 nm)이며, 두께는 16 내지 61nm (평균: 37 ± 12 nm)이다. 또한, 상기 마그네슘 나노결정에 대한 고속 푸리에 변환 (fast Fourier transform) 패턴은 2.805Å의 분리 거리를 갖는 격자 무늬이며, 이는 금속 마그네슘의 (100) d-스페이싱 (2.7782 Å, JCPDS 04-0770)과 일치하는 수치이다. 또한, 상기 금속-유기물 골격 내에 다양한 함량의 마그네슘 나노결정을 담지시킴에도 불구하고, 본 발명에서 담지된 마그네슘 나노결정의 크기 분포는 제조되는 모든 시료들에서 매우 유사하다. 한편, 본 발명에 따른 혼성 나노복합체를 대기 중에 약 3주 동안 노출시키면 마그네슘 나노결정의 형태가 별 형태로 변화하게 되며, 이때의 격자 무늬는 2.1101 Å의 분리 거리를 갖고, 이는 MgO의 (200) d-스페이싱 (2.1061Å, JCPDS 89-7746)과 일치하는 수치이다.The magnesium nanocrystals are hexagonal disc-shaped magnesium nanocrystals, and the hexagonal diagonal length is 44 nm to 88 nm (average: 60 ± 18 nm), and the thickness is 16 to 61 nm (average: 37 ± 12 nm). In addition, the fast Fourier transform pattern for the magnesium nanocrystals is a lattice pattern with a separation distance of 2.805 μs, which is consistent with (100) d-spaced (2.7782 μs, JCPDS 04-0770) of metal magnesium That's a number. In addition, despite supporting various amounts of magnesium nanocrystals in the metal-organic framework, the size distribution of the magnesium nanocrystals supported in the present invention is very similar in all the samples prepared. Meanwhile, when the hybrid nanocomposite according to the present invention is exposed to the air for about 3 weeks, the form of magnesium nanocrystals changes into a star shape, and the lattice pattern has a separation distance of 2.1101 Å, which is (200) of MgO. values consistent with d-spaced (2.1061 Hz, JCPDS 89-7746).
본 발명에 따른 혼성 나노복합체는 마그네슘 나노결정을 포함함으로써 금속-유기물 골격 구조 단독으로 존재할 때에 비해서 물리적 수소 흡착 능력 및 화학적 수소 흡착 능력이 증가하게 된다. 물리적 수소 흡착 능력의 경우, 제로 커버리지 등량 흡착열 (zero coverage isosteric heats)은 담지되는 마그네슘 나노결정의 함량이 증가함에 따라서 증가하지만, 화학적 수소 흡착 능력의 경우, 온도 및 담지되는 마그네슘의 양이 증가함에 따라서 수소 저장 능력이 증가한다. 또한, 본 발명에 따른 혼성 나노복합체의 화학적 흡착 및 분리 온도는 순수 마그네슘에 비해서 현저하게 낮다.The hybrid nanocomposite according to the present invention includes magnesium nanocrystals, thereby increasing physical hydrogen adsorption capacity and chemical hydrogen adsorption capacity as compared with the metal-organic framework alone. In the case of physical hydrogen adsorption capacity, the zero coverage isosteric heats increases with increasing content of magnesium nanocrystals supported, but in the case of chemical hydrogen adsorption capacity, with increasing temperature and amount of magnesium supported Hydrogen storage capacity is increased. In addition, the chemical adsorption and separation temperatures of the hybrid nanocomposites according to the present invention are significantly lower than pure magnesium.
한편, 본 발명에 따른 혼성 나노복합체는 수소를 화학적으로 흡착한 이후에도 육각형 디스크 형태는 그대로 유지하지만, 그 크기 및 두께는 각각 80 - 200 nm (평균: 142 ± 41 nm) 및 50 - 100 nm (평균: 83 ± 18 nm)로 두드러지게 증가하는데, 이는 β-MgH2가 형성됨에 따라서 마그네슘 나노결정이 응집하고 격자가 팽창하기 때문이다.Meanwhile, the hybrid nanocomposite according to the present invention maintains the hexagonal disk shape even after chemically adsorbing hydrogen, but its size and thickness are 80-200 nm (average: 142 ± 41 nm) and 50-100 nm (average, respectively). : 83 ± 18 nm), as magnesium nanocrystals aggregate and lattice expands as β-MgH 2 is formed.
또한, 본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 혼성 나노복합체의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은,In addition, the present invention provides a method for producing a hybrid nanocomposite according to the present invention in order to achieve the second object. The method according to the invention,
1) Zn(NO3)2 및 아닐린-2,4,6-트리벤조산의 혼합물을 DMF 중에서 가열하여 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O를 제조하는 단계; 2) 상기 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O를 초임계 CO2를 사용하여 활성화시킴으로써 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2를 제조하는 단계; 3) 상기 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2에 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘을 화학적 기상 증착시키는 단계; 4) 상기 기상 증착된 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘을 열분해시키는 단계; 및 5) 상기 열분해 단계로부터 생성된 유기 분해 산물을 제거하는 단계를 포함한다.1) A mixture of Zn (NO 3 ) 2 and aniline-2,4,6-tribenzoic acid was heated in DMF to give [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] .22DMF.9H 2 Preparing O; 2) The [Zn 4 O (aniline-2,4,6-benzoate) 2], by activating, using the 22DMF · 9H 2 O supercritical CO 2 Zn 4 O (2,4,6 aniline Preparing tribenzoate) 2 ; 3) chemical vapor deposition of bis (cyclopentadienyl) magnesium on Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ; 4) pyrolysing the vapor deposited bis (cyclopentadienyl) magnesium; And 5) removing the organic decomposition products generated from the pyrolysis step.
상기 1) 단계는 80℃ 내지 100℃의 온도에서 24시간 내지 48시간 동안 수행될 수 있는데, 이때 반응 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O가 생성되지 않거나 또는 부수적 화합물이 생성되는 문제점이 있어서 바람직하지 않으며, 반응 시간 역시 상기 범위를 벗어나는 경우에는 반응 온도 범위의 경우와 동일한 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 또한, 상기 1) 단계에서 Zn(NO3)2 및 아닐린-2,4,6-트리벤조산의 반응 중량비는 Zn(NO3)2 100 중량부에 대해서 아닐린-2,4,6-트리벤조산 30 중량부 내지 50 중량부를 반응시키는 것이 바람직한데, Zn(NO3)2의 반응 중량이 너무 많은 경우에는 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O가 생성되지 않거나 또는 부수적 화합물이 생성되는 문제점이 있고, 아닐린-2,4,6-트리벤조산의 반응 중량이 너무 많은 경우에도 동일한 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Step 1) may be carried out at a temperature of 80 ℃ to 100 ℃ for 24 to 48 hours, when the reaction temperature is out of the above range [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) ) 2 ] .22DMF.9H 2 O is not preferable because of the problem that no generation or ancillary compounds are produced, and when the reaction time is out of the above range, it is not preferable because there is the same problem as in the reaction temperature range. In addition, the 1) NO (Zn in step 3) 2, and the weight ratio of the reaction of aniline-2,4,6-benzoic acid is Zn (NO 3) 2 per 100 parts by weight of 2,4,6-
상기 2) 단계는 73 bar 내지 200 bar의 압력 및 31.1 ℃ 내지 50 ℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있는데, 이때 반응 압력이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 CO2의 초임계 상태 유지가 불가능해져서 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]의 활성이 나타나지 않는 문제점이 있어서 바람직하지 않으며, 반응 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에도 동일한 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Step 2) may be performed under a pressure of 73 bar to 200 bar and a temperature condition of 31.1 ℃ to 50 ℃, when the reaction pressure is out of the range it is impossible to maintain the supercritical state of CO 2 [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] is not preferable because there is a problem that the activity does not appear, even if the reaction temperature is out of the above range is not preferred.
특히, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 상기 3) 단계, 즉 기상 증착 단계를 적당히 조절함으로써 담지되는 마그네슘 나노결정의 함량을 조절할 수 있는데, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 3) 단계는 80 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 1일 내지 3일 동안 수행될 수 있는데, 이때 반응 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 마그네슘 증착량의 감소 및 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]의 구조 변형 문제가 있어서 바람직하지 않으며, 반응 시간이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 마그네슘 증착량의 감소 문제가 있어서 바람직하지 않다.In particular, in the present invention, it is possible to adjust the content of the magnesium nanocrystals supported by the step 3), that is, the vapor deposition step as described above, according to an embodiment of the present invention, the step 3) is 80 ℃ It may be carried out for 1 to 3 days at a temperature of 100 to 100 ℃, when the reaction temperature is out of the above range, the reduction of magnesium deposition amount and [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] is not preferable because of the structural deformation problem, and when the reaction time is out of the above range, there is a problem of reducing the amount of magnesium deposition.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 3) 단계를 수행하기 이전에 반응 용기를 사전-진공 상태로 만들어 준 후, 80 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 3시간 내지 5시간 동안 상기 3) 단계를 수행할 수도 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the reaction vessel is pre-vacuum state before performing the step 3), and then the step 3) for 3 to 5 hours at a temperature of 80 ℃ to 100 ℃ You can also do
상기 4) 단계, 즉 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘의 열분해 단계는 180 ℃ 내지 200 ℃로 유지된 오일 중탕에 반응 용기를 3시간 내지 24시간 동안 침지시킴으로써 수행될 수 있다. 열분해 단계의 온도 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘의 열분해 미발생 및 흡착된 마그네슘 양의 감소라는 문제점이 있고, 반응 시간이 상기 범위를 벗어나는 경우에도 동일한 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Step 4), that is, pyrolysis of bis (cyclopentadienyl) magnesium may be performed by immersing the reaction vessel in an oil bath maintained at 180 ° C. to 200 ° C. for 3 to 24 hours. If the temperature range of the pyrolysis step is out of the above range, there is a problem of no pyrolysis of bis (cyclopentadienyl) magnesium and a decrease in the amount of adsorbed magnesium, and even if the reaction time is out of the range, the same problem is preferable. Not.
이러한 4) 단계의 수행에 의해서 비로소 마그네슘 나노결정이 생성되며, 생성된 마그네슘 나노결정을 제외한 유기 분해 산물을 제거 (상기 5) 단계)하게 되면 본 발명에 따른 혼성 나노복합체를 제조할 수 있게 된다.Magnesium nanocrystals are finally produced by performing step 4), and when the organic decomposition products except the produced magnesium nanocrystals are removed (step 5), the hybrid nanocomposites according to the present invention can be prepared.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are only to aid the understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention.
실시예Example
재료 및 기기Materials and equipment
모든 화학물질 및 용매들은 시약급이었으며, 더 이상의 정제 과정 없이 사용하였다. 아닐린-2,4,6-트리벤조산 (이하, H3atb)은 스즈키-미야우라 커플링 반응을 사용하여 제조하였다. 건조 MOF, MgCp2, 및 마그네슘 나노결정의 제조 및 조작은 쉬렌크 라인 (Schlenk) 또는 건조 박스를 사용하여 아르곤 분위기 하에서 수행되었다. 적외선 스펙트럼은 Perkin-Elmer Spectrum One FTIR 스펙트로미터를 사용하여 기록하였다. UV/Vis 확산 반사율 스펙트럼은 Perkin-Elmer Lambda 35 UV/Vis 스펙트로미터를 사용하여 기록하였다. 원소 분석은 Perkin-Elmer 2400 series II CHN 분석기를 사용하여 수행되었다. 열중력 분석 (Thermogravimetric analysis; TGA) 및 시차 주사 열량측정 (differential scanning calorimetry; DSC)은 N2(g) 분위기 하에서, 5 ℃/min의 스캔 속도로, 각각 TA Instruments로부터의 Q50 및 Q10 모델 장치에서 수행되었다. 분말 X-선 회절 (PXRD) 데이터는 Bruker D5005 diffractometer를 사용하여, CuKα (λ = 1.54050 Å)에 대해서 40 kV 및 40 mA에서, 5°/min의 스캔 속도 및 2θ에서 0.02°의 스텝 크기로 기록되었다. 유도 커플링된 플라즈마 원자 발광 스펙트로스코피 (Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy; ICP-AES)는 PerkinElmer Optima-4300 DV로 기록되었다. 고해상도 TEM (HRTEM) 영상들 및 에너지-분산성 X-선 스펙트럼 (EDS)은, Oxford INCA EDS 유닛을 구비한, JEM-3000F (JEOL) 및 JEM-3010 (JEOL)를 사용하여 얻었다. 전자 토모그래피 실험은 한국기초과학연구원의 Tecnai G2 Spirit 현미경을 사용하여 수행하였는데, 이는 120 kV에서 작동하였다. 온도 프로그래밍된 탈착-질량 스펙트로스코피 (Temperature programmed desorption-mass spectroscopy; TPD-MS) 데이터는 Hiden Analytical사의 IGA-Mass (IGA-001, HPR-30)를 사용하여 기록하였다.All chemicals and solvents were reagent grade and used without further purification. Aniline-2,4,6-tribenzoic acid (hereinafter H 3 atb) was prepared using the Suzuki-Miyaura coupling reaction. Preparation and manipulation of dry MOF, MgCp 2 , and magnesium nanocrystals were performed under argon atmosphere using Schlenk or dry box. Infrared spectra were recorded using a Perkin-Elmer Spectrum One FTIR spectrometer. UV / Vis diffuse reflectance spectra were recorded using a Perkin-
제조예Manufacturing example
제조예 1. H3atb의 합성Preparation Example 1 Synthesis of H 3 atb
H3atb는 스즈키-미야우라 커플링 반응을 이용하여 합성하였다. Pd(PPh3)4 (0.4012 g, 0.3472 mmol), 2,4,6-트리브로모아닐린 (3.070 g, 9.308 mmol), 및 K2CO3 (4.015g, 29.05 mmol)를 정제된 무수 THF (150 mL) 중에 용해시키고, 10분 동안 ㄱ교반하였다. 제조된 용액에 4-메톡시카르보닐페닐 보론산 (5.015 g, 27.93 mmol)의 메탄올 용액 (15 mL)을 가하고, 결과물인 용액을 90℃에서 48시간 동안 가열하였다. 실온으로 냉각시킨 이후에, 용액을 회전 증발기를 사용하여 농축시키고, 결과물인 진녹색 잔류물을 메틸렌 디클로라이드 (300 mL)를 사용하여 추출하였다. 용액을 물 및 함수 용액 (brine solution)으로 세척하고, 무수 마그네슘 설페이트 상에서 건조시켰다. 결과물인 용액을 농축시킴으로써, 연녹색 잔류물을 얻었다. 산물을 실리카를 흡착제로 하고 메틸렌 디클로라이드를 용리액으로 사용하는 컬럼 크로마토그래피에 의해서 정제하였다. H 3 atb was synthesized using the Suzuki-Miyaura coupling reaction. Pd (PPh 3 ) 4 (0.4012 g, 0.3472 mmol), 2,4,6-tribromoaniline (3.070 g, 9.308 mmol), and K 2 CO 3 (4.015 g, 29.05 mmol) were purified with anhydrous THF ( 150 mL) and a stirred for 10 minutes. To the prepared solution was added a methanol solution (15 mL) of 4-methoxycarbonylphenyl boronic acid (5.015 g, 27.93 mmol), and the resulting solution was heated at 90 ° C. for 48 hours. After cooling to room temperature, the solution was concentrated using a rotary evaporator and the resulting dark green residue was extracted using methylene dichloride (300 mL). The solution was washed with water and brine solution and dried over anhydrous magnesium sulfate. The resulting solution was concentrated to give a light green residue. The product was purified by column chromatography using silica as adsorbent and methylene dichloride as eluent.
FT-IR (Nujol): νO-C=O, 1690 cm-1, νH-N-H, 1606. 1H NMR (300 MHz, DMSO-d6): δ 8.08 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.96 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.83 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.72 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.49 (s, 2H) 4.69 (s, 2H) ppm. 원소 분석 (%). Found: C, 66.09; H, 4.38; N, 2.88. C27H19NO6·2H2O에 대한 계산값: C, 66.25; H, 4.74; N, 2.86 .FT-IR (Nujol): ν OC = O , 1690 cm -1 , ν HNH , 1606. 1 H NMR (300 MHz, DMSO-d 6 ): δ 8.08 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.96 ( d, J = 8 Hz, 2H), 7.83 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.72 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.49 (s, 2H) 4.69 (s, 2H) ppm. Elemental Analysis (%). Found: C, 66.09; H, 4.38; N, 2.88. Calcd for C 27 H 19 NO 6 2H 2 O: C, 66.25; H, 4.74; N, 2.86.
제조예 2. [Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O의 합성Preparation Example 2 Synthesis of [Zn 4 O (atb) 2 ] · 22DMF · 9H 2 O
Zn(NO3)·6H2O (1.01 g, 5.33 mmol) 및 H3atb (0.311 g, 0.686 mmol)를 N,N-디메틸포름아미드 (DMF, 40 mL)에 용해시켰다. 용액을 실리콘 마개 및 알루미늄 밀봉기를 구비한 유리 혈청병에 넣고, 80℃에서 24시간 동안 가열하였다. 실온으로 냉각시키자 황색 결정이 형성되었으며, 이를 여과제거하고 무수 DMF로 잠시 동안 세척하였다.Zn (NO 3 ) .6H 2 O (1.01 g, 5.33 mmol) and H 3 atb (0.311 g, 0.686 mmol) were dissolved in N, N -dimethylformamide (DMF, 40 mL). The solution was placed in a glass serum bottle with a silicone stopper and an aluminum sealer and heated at 80 ° C. for 24 hours. Cooling to room temperature gave yellow crystals which were filtered off and washed with anhydrous DMF for a while.
FT-IR (Nujol): νC=O(DMF), 1664 cm-1; νH-N-H, 1606; UV/vis (확산 반사율, λmax): 390 nm. 발광 (solid): λmax = 468 nm (λmax = 390 nm에서 여기). 원소 분석 (%). Found: C, 48.66; H, 6.74; N, 11.38. (Zn4C54H24N2O13)·22(C3H7NO)·9H2O에 대한 계산값: C, 48.88; H, 6.97; N, 11.40.FT-IR (Nujol): ν C = O (DMF), 1664 cm -1; ν HNH , 1606; UV / vis (diffuse reflectance, λ max ): 390 nm. Solid: lambda max = 468 nm (excitation at lambda max = 390 nm). Elemental Analysis (%). Found: C, 48.66; H, 6. 74; N, 11.38. (Zn 4 C 54 H 24 N 2 O 13 ). 22 (C 3 H 7 NO). Calculated for 9H 2 O: C, 48.88; H, 6.97; N, 11.40.
제조예 3. [Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O의 초임계 CO2 처리에 의한 [Zn4O(atb)2]의 합성Preparation Example 3 Synthesis of [Zn 4 O (atb) 2 ] by Supercritical CO 2 Treatment of [Zn 4 O (atb) 2 ] · 22DMF · 9H 2 O
활성화 이전에, 모액 중에 존재하는 상기 합성된 [Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O를 바이알 (20 mL)로 옮겼다. 모액을 따라내고, 결정을 무수 DMF (4 x 15 mL)로 잠시동안 세척하였다. 결정을 초임계 건조기 내부에 용매와 함께 넣고, 건조기 ㅊ챔버를 밀봉하였다. 챔버의 온도 및 압력을 CO2 분위기 하에서, CO2의 임계점 (31℃, 71 bar)인 40℃ 및 200 bar까지 상승시켰다. 챔버를 15 mL min-1의 속도로 환기시키고, 다시 CO2로 채웠다. 상기 CO2 재충진, 가압 및 환기의 과정을 4회 반복하였다. 건조 이후에, 건조 결정이 담긴 밀봉 컨테이너를 글로브 백 (glove bag)으로 옮겨서 결정이 공기 중에 노출되는 것을 방지하였다.Previously, the synthesized present in the mother liquor to activate [Zn 4 O (atb) 2 ] · 22DMF · 9H 2 O was transferred to a vial (20 mL). The mother liquor was decanted and the crystals washed briefly with anhydrous DMF (4 × 15 mL). The crystals were placed with the solvent inside the supercritical dryer and the dryer chamber was sealed. The temperature and pressure of the chamber were raised under CO 2 atmosphere to 40 ° C. and 200 bar, which is the critical point of CO 2 (31 ° C., 71 bar). The chamber was vented at a rate of 15 mL min −1 and again filled with CO 2 . The process of refilling, pressurizing and ventilating the CO 2 was repeated four times. After drying, the sealed container containing the dry crystals was transferred to a glove bag to prevent the crystals from being exposed to air.
FT-IR (KBr pellet): νO-C=O, 1599; νC=C, 1521 cm-1. 원소 분석 (%). Found: C, 54.65; H, 2.68; N, 1.84. Zn4C54H24N2O13에 대한 계산값: C, 55.04; H, 2.74; N, 2.38.FT-IR (KBr pellet): ν OC═O , 1599; ν C = C , 1521 cm −1 . Elemental Analysis (%). Found: C, 54.65; H, 2.68; N, 1.84. Calcd for Zn 4 C 54 H 24 N 2 0 13 : C, 55.04; H, 2. 74; N, 2.38.
제조예 4. 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘의 화학적 기상 증착에 의한 본 발명에 따른 혼성 나노복합체의 합성Preparation Example 4 Synthesis of Hybrid Nanocomposites According to the Invention by Chemical Vapor Deposition of Bis (cyclopentadienyl) Magnesium
상기 제조예 3에서 합성된 [Zn4O(atb)2]가 채워진 작은 병 (0.45 g, 3.85 x 10-4 mol)을 쉬렌크 튜브에 넣었으며, 상기 쉬렌크 튜브에는 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘 (MgCp2) (0.35 g, 2.26 x 10-3 mol)을 아르곤 분위기 하에서 채웠다. 제조예 3에서 합성된 [Zn4O(atb)2]에 MgCp2를 화학적 기상 증착시키는 과정은 3가지 방법에 의해서 수행되었다.A small bottle (0.45 g, 3.85 × 10 −4 mol) filled with [Zn 4 O (atb) 2 ] synthesized in Preparation Example 3 was placed in a Schlenk tube, and bis (cyclopentadienyl) was placed in the Schlenk tube. ) Magnesium (MgCp 2 ) (0.35 g, 2.26 × 10 −3 mol) was charged under argon atmosphere. Chemical vapor deposition of MgCp 2 on [Zn 4 O (atb) 2 ] synthesized in Preparation Example 3 was performed by three methods.
제조예 4.1 비진공 처리 방법 (1일 동안 반응)Preparation Example 4.1 Non-vacuum Treatment Method (Reaction for 1 Day)
아르곤이 충진된 반응기 튜브를 80℃ 온도까지 상승시키고, 이를 1일 동안 유지하였다.The argon-filled reactor tube was raised to 80 ° C. and maintained for 1 day.
제조예 4.2 비진공 처리 방법 (3일 동안 반응)Preparation Example 4.2 Non-vacuum Treatment Method (Reaction for 3 Days)
아르곤이 충진된 반응기 튜브를 80℃ 온도까지 상승시키고, 이를 3일 동안 유지하였다.The argon filled reactor tube was raised to 80 ° C. and maintained for 3 days.
제조예 4.3 진공 처리 방법Preparation Example 4.3 Vacuum Processing Method
실온에서 사전 진공 상태 (10-3 mbar)를 유지하고, 온도를 80℃까지 상승시킨 후, 이를 3시간 동안 유지하여 [Zn4O(atb)2]에 MgCp2를 화학적 기상 증착시켰다.MgCp 2 was chemically vapor deposited in [Zn 4 O (atb) 2 ] by maintaining a pre-vacuum state (10 −3 mbar) at room temperature, raising the temperature to 80 ° C. and then holding it for 3 hours.
상기 제조예 4.1 내지 4.3에서 합성된 물질들에 대한 MgCp2의 화학적 기상 증착 여부는 1H NMR로 확인하였으며, 관련 데이터를 도 3a 내지 3c에 도시하였다. 제조된 물질들을 아르곤으로 충진된 건조 박스 중의 다른 쉬렌크 튜브로 옮기고, 튜브들을 약 3시간 동안 200℃로 유지된 오일 중탕에 침지시켰다. 상기 과정에 의해서 MgCp2의 열분해를 수행하였으며, Mg 나노결정을 제조하였다. 열분해 과정에서 생성된 유기 분해 산물들은 실온에서 24시간 동안 진공배기 (10-6 bar)에 의해서 제거하였으며, 결과물로서 다양한 함량의 마그네슘 나노결정이 로딩된 혼성 나노복합체를 제조하였다.Chemical vapor deposition of MgCp 2 on the materials synthesized in Preparation Examples 4.1 to 4.3 was confirmed by 1 H NMR, and related data are shown in FIGS. 3A to 3C. The prepared materials were transferred to another Schlenk tube in a dry box filled with argon and the tubes were immersed in an oil bath maintained at 200 ° C. for about 3 hours. Pyrolysis of MgCp 2 was performed by the above procedure, and Mg nanocrystals were prepared. Organic decomposition products generated during the pyrolysis process were removed by vacuum exhaust (10 −6 bar) at room temperature for 24 hours, and as a result, a hybrid nanocomposite loaded with magnesium nanocrystals of various contents was prepared.
하기 표 1에는 상기 제조예 4.1 내지 4.3으로부터 합성된 본 발명에 따른 혼성 나노복합체들에 포함된 금속-유기물 골격 ([Zn4O(atb)2])의 함량, MgCp2 함량 및 유도 커플링된 플라즈마 원자 발광 스펙트로스코피 (Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy; ICP-AES) 데이터를 나타내었다.Table 1 below shows the contents of the metal-organic framework ([Zn 4 O (atb) 2 ]), MgCp 2 content and inductively coupled to the hybrid nanocomposites according to the present invention synthesized from Preparation Examples 4.1 to 4.3. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) data is shown.
mg(mol)Content of [Zn 4 O (atb) 2 ]
mg (mol)
mg(mol)MgCp 2 content
mg (mol)
Mg/Zn (mole/mole)ICP data
Mg / Zn (mole / mole)
평가예Evaluation example
평가예 1. X-선 결정학Evaluation Example 1. X-ray Crystallography
[Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O의 회절 데이터를 150 K에서 with an Enraf-Nonius Kappa CCD 회절기 (Mo Ka, λ=0.71073, graphite monochromator)를 사용하여 얻었다. [Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O의 X-선 회절 데이터를 얻기 위해서, 결정의 게스트 분자들을 무수 톨루엔으로 2일 동안 교환하였으며, 그 동안 무수 톨루엔을 수차례 보충해 주었다. 결정들 중의 하나는 파라톤 오일 (Paratone oil)로 즉시 코팅시켰다. 예비 배향 매트릭스 (preliminary orientation matrices) 및 유닛 셀 패러미터들을 최초 10 프레임의 피크들로부터 얻었고, 이어서 전체 데이터 세트를 사용하여 조정하였다. 프레임들은 DENZO (Otwinowski, Z. & W. Minor in processing of x-ray diffraction data collected in oscillation mode, methods in enzymology. Vol. 276 Part A, (Ed. C.W .Carter Jr., R. M. Sweet): (Academic Press, New York, 1997, pp. 307 - 326)를 사용하여 Lorentz 및 편광 효과에 대해서 통합 및 보정하였다. 결정 패러미터들에 대한 스케일링 및 전체적인 조정은 SCALEPACK을 사용하여 수행하였다. 흡착 보정은 수행되지 않았다. 결정 구조는 직접 방법 (Sheldrick, G. M. Phase annealing in SHELX-90: direct methods for larger structures. Acta Crystallogr . A, 46, 467-473. (1990))을 사용하여 해석하였으며, SHELXS-97 컴퓨터 프로그램 (Sheldrick, G. M. SHELXS-97. Program for the crystal structure refinement: (University of Gottingen, Gottingen, Germany (1997))을 사용하는 풀 매트릭스 최소자승 조정법 (full matrix least-square refinement)을 사용하여 조정하였다. 모든 비-수소 원자들의 위치는 이방성 변위 인자 (anisotropic displacement factors)로 조정하였다. 수소 원자들을 기하학적으로 위치시켰으며, 라이딩 모델 (riding model)을 사용하여 조정하였다. 2개의 독립적인 Zn4O 클러스터들이 존재하였으며, 이들은 통계적으로 2개의 위치에 걸쳐서 무질서하게 존재하였다. 위치 차지 인자 (site occupancy factors)들은 Zn(1) 원자에 대해서 0.5로 (3배 결정학적 축 상에 존재), Zn(2) 원자에 대해서 0.16667 (일반적 위치에 존재)로 주어졌다. 위치 차지 인자들은 Zn(3) 원자에 대해서 0.49683으로, Zn(4) 원자에 대해서 0.51917로, Zn(5) 원자에 대해서 0.50317로, Zn(6) 원자에 대해서 0.48083으로 주어졌다. 위치 차지 인자들은 O(5A), O(5B), O(6A), O(6B), O(9A), 및 O(9B) 원자들에 대해서 0.5로 주어졌다. 모든 아민 관능기들 또한 위치 차지 인자들이 주어졌다; N(1A), N(1B), N(1C)에 대해서 0.33333, N(2)에 대해서 0.16667. 무질서화된 게스트 분자들에 대한 전자 밀도는 PLATON (Spek, A. L. PLATON99 a multipurpose crystallographic tool: (Utrecht University: Utrecht, 1999)의 SQUEEZE 옵션을 사용하여 평탄화하였다. 그러므로, [Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O 중의 게스트 분자들은 IR 스펙트럼, 원소 분석, 및 TGA 결과들에 기초하여 결정하였다. 비록, 게스트 분자들과 연관된 전자 밀도가 관찰되지는 않았으나, atb3 -의 페닐 고리 주변의 잔여 전자 밀도는 PLATON의 SQUEEZE 옵션을 사용하여 평탄화하였으며, 이는 SQUEEZE 없이 결정된 R 수치보다 약간 낮은 값을 나타내었다.Diffraction data of [Zn 4 O (atb) 2 ] .22DMF.9H 2 O was obtained using an Enraf-Nonius Kappa CCD diffractometer (Mo Ka, λ = 0.71073, graphite monochromator) at 150 K. In order to obtain X-ray diffraction data of [Zn 4 O (atb) 2 ] .22DMF.9H 2 O, the guest molecules of the crystals were exchanged with anhydrous toluene for 2 days, during which the anhydrous toluene was supplemented several times. One of the crystals was immediately coated with Paratone oil. Preliminary orientation matrices and unit cell parameters were obtained from the peaks of the first 10 frames and then adjusted using the entire data set. Frames are DENZO (Otwinowski, Z. & W. Minor in processing of x-ray diffraction data collected in oscillation mode, methods in enzymology.Vol. 276 Part A, (Ed. CW .Carter Jr., RM Sweet): (Academic Press, New York, 1997, pp. 307-326), and integrated and corrected for Lorentz and polarization effects, scaling and global adjustments to crystal parameters were performed using SCALEPACK. . the crystal structure is a direct method (Sheldrick, GM Phase annealing in SHELX -90:. direct methods for larger structures Acta Crystallogr . A , 46, 467-473. (1990)) and full matrix least-squares adjustment using the SHELXS-97 computer program (Sheldrick, GM SHELXS-97.Program for the crystal structure refinement: (University of Gottingen, Gottingen, Germany (1997))). (Full matrix least-square refinement) was used to adjust the position of all non-hydrogen atoms with anisotropic displacement factors.The hydrogen atoms were geometrically positioned and the riding model was adjusted. There were two independent Zn 4 O clusters, which were statistically disordered across two positions: site occupancy factors were 0.5 (3) for the Zn (1) atom. On the fold crystallographic axis), 0.16667 for the Zn (2) atom (at its normal position), and the position occupancy factors are 0.49683 for the Zn (3) atom, Z 0.51917 for the n (4) atom, 0.50317 for the Zn (5) atom, and 0.48083 for the Zn (6) atom.The positional charge factors are O (5A), O (5B), and O (6A). , O (6B), O (9A), and O (9B) atoms were given as 0.5. All amine functional groups were also given positional charge factors; N (1A), N (1B), N (1C). 0.33333 for N) and 0.16667 for N (2). Electron density for disordered guest molecules was flattened using the SQUEEZE option from PLATON (Spek, AL PLATON99 a multipurpose crystallographic tool: (Utrecht University: Utrecht, 1999). Therefore, guest molecules in [Zn 4 O (atb) 2 ] .22DMF.9H 2 O were determined based on IR spectra, elemental analysis, and TGA results. Although no electron density associated with the guest molecules was observed, the residual electron density around the phenyl ring of atb 3 − was flattened using the SQUEEZE option of PLATON , which was slightly lower than the R value determined without SQUEEZE. .
[Zn4O(atb)2]·22DMF·9H2O에 대한 결정학 데이터Crystallographic data for [Zn 4 O (atb) 2 ] · 22DMF · 9H 2 O
M r = 1170.23, 트리고날, 스페이스 기 P-31c (no. 163), α = 37.1796(6), c = 29.9563(6)Å, V = 35861.5(11) Å3, Z = 8, d calcd = 0.433 gcm-3, T = 150 K, 결정 크기 0.1 x 0.1 x 0.1 mm3, λ = 0.71073 Å, 2θ= 24.79, 575 패러미터, R 1 = 0.1149 (I>2σ(I), 20255 반사), wR 2 = 0.2760 (모든 데이터, 56800 반사), GOF = 1.070. CCDC-846696가 본 발명에 대한 보충적인 결정학적 데이터를 포함하고 있으며, 이는 The Cambridge Crystallographic Data Centre via ww.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif로부터 무료로 입수 가능함. M r = 1170.23, Trigonal, space group P -31c (no. 163), α = 37.1796 (6), c = 29.9563 (6) Å, V = 35861.5 (11) Å 3 , Z = 8, d calcd = 0.433 gcm -3 , T = 150 K, crystal size 0.1 x 0.1 x 0.1 mm 3 , λ = 0.71073 Å, 2 θ = 24.79, 575 parameters, R 1 = 0.1149 ( I> 2σ ( I ), 20255 reflection), wR 2 = 0.2760 (all data, 56800 reflections), GOF = 1.070. CCDC-846696 contains supplemental crystallographic data for the present invention, which is available free of charge from The Cambridge Crystallographic Data Center via ww.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif.
평가예 2. 저압 기체 수착 측정Evaluation Example 2 Low Pressure Gas Sorption Measurement
기체흡착-탈착 실험은 자동화된 마이크로포어 기체 분석기인, Autosorb-3B (Quantachrome Instruments)를 사용하여 수행하였다. 사용된 모든 기체들은 99.999% 순도를 갖는 것들이었다. N2 수착 (sorption) 등온선들은 77 K에서 측정하였다. H2 수착 등온선들은 정적 부피 방법에 의한 각 흡착 압력에서 77K 및 87K에서 모니터링하였다. 기체 수착 측정이 완료된 이후에는, 시료의 중량을 정확하게 측정하였다. 표면적은 브루나우어-에메트-텔러 (Brunauer-Emmett-Teller; BET) 및 랑뮈에 모델 (Lanmuir model)을 사용하여 77K에서 측정된 N2 흡착 등온선으로부터 측정하였는데, 데이터들은 각각 P/P 0 = 0.01 - 0.1 (BET) 및 0.005 - 0.3 (Langmuir) 범위의 것들을 수집하였다. 공극 부피 (pore volume)는 두비닌-라두쉬케비치 (Dubinin-Radushkevich; DR) 방정식을 사용하여 결정하였다.Gas adsorption-desorption experiments were performed using Autosorb-3B (Quantachrome Instruments), an automated micropore gas analyzer. All gases used were 99.999% pure. N 2 sorption isotherms were measured at 77 K. H 2 sorption isotherms were monitored at 77K and 87K at each adsorption pressure by the static volume method. After the gas sorption measurement was completed, the weight of the sample was accurately measured. Surface area was measured from N 2 adsorption isotherms measured at 77K using Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Lanmuir model, where the data were P / P 0 = Those in the range 0.01-0.1 (BET) and 0.005-0.3 (Langmuir) were collected. The pore volume was determined using the Dubinin-Radushkevich (DR) equation.
평가예 3. H2 물리적 흡착의 등량 흡착열 (isosteric heats) 측정Evaluation Example 3 Measurement of Isosteric Heats of H 2 Physical Adsorption
H2 흡착의 등량 흡착열은 77K 및 87K에서 측정한 H2 수착 데이터를 사용하여 측정하였다. 하기 수학식 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 비리알 타입의 표현이 사용되었으며, 이는 온도에 대해서 독립적인 패러미터들인 a i 및 b i 로 구성된다 (Czepirski, L. & Jagiello, J. Virial-type thermal equation of gas-solid adsorption. Chem . Eng . Sci . 44, 797 - 801 (1989); Dinca, M et al Hydrogen storage in a microporous metal-organic framework with exposed Mn2 + coordination sites. J. Am . Chem . Soc . 128, 16876-16883 (2006)).H2 Equivalent adsorption heat of adsorption was measured at 77K and 87K2 It was measured using the sorption data. As can be seen in
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서, P 는 압력이고 (atm), N은 흡착된 H2 기체의 양이며 (mg g-1), T는 온도이고 (K), m 및 n은 등온선들을 적당하게 서술하기 위해서 필요한 계수들의 숫자를 나타낸다. 방정식은 R 통계적 소프트웨어 패키지 (http://www.r-project.org.로부터 입수 가능)를 사용하여 적합화되었다.In
H2 등량 흡착열값을 결정하기 위해서, 하기 수학식 2를 적용하였으며, 하기 식에서 R 은 유니버설 기체 상수를 나타낸다.In order to determine the H 2 equivalent adsorption heat value,
[수학식 2]&Quot; (2) "
평가예 4. 고압 기체 수착 측정Evaluation Example 4 High Pressure Gas Sorption Measurement
고압 H2 기체 수착은 Rubotherm MSB (magnetic suspension balance) 장치를 사용하는 중량측정 방법에 의해서 측정하였다. [Zn4O(atb)2] 및 제조예 4.1에 따른 혼성 나노복합체의 H2 물리적 흡착 등온선은 77 K 및 298 K에서 측정하였다. 제조예 4.3에 따른 혼성 저장 물질의 H2 물리적 흡착 등온선은 323 K 및 415 K에서 측정하였다. 제조예 4.1 내지 4.3에 따른 혼성 나노복합체들의 473K에서의 H2 흡착은 High Pressure Volumetric Analyzer (HPVA-100), VTI Corp를 사용하여 측정하였다. 사용된 기체들은 99.999% 순도를 가지며, 기체 중에 포함된 미세 수분들은 5 Å 분자체로 충진된 건조 트랩을 사용하여 제거되었는데, 이는 Chromatography Research Supplies (model 500)로부터 구입하였다. 용매가 제거된 실험 물질들의 고형분 (300 mg 이상)들을 신속하게 기체 수착 장치로 도입하고, 100℃에서의 배기에 의해서 활성화시켰다. 기체 수착 실험 이전에, He 등온선 (80 bar까지)을 298 K에서 측정함으로써 골격구조의 부피를 측정하였다. 과량의 수착 등온선들을 측정한 다음, 시스템 및 시료의 부력에 대해서 보정하였다. 시료에 대한 부력 보정은 각 압력 및 온도에서 골격 구조의 부피를 대응되는 기체의 밀도로 곱함으로써 수행되었다.High pressure H 2 gas sorption was measured by gravimetric method using Rubotherm MSB (magnetic suspension balance) apparatus. H 2 physical adsorption isotherms of the hybrid nanocomposites according to [Zn 4 O (atb) 2 ] and Preparation Example 4.1 were measured at 77 K and 298 K. H 2 physical adsorption isotherms of hybrid storage materials according to Preparation Example 4.3 were measured at 323 K and 415 K. Adsorption of H 2 at 473K of the hybrid nanocomposites according to Preparation Examples 4.1 to 4.3 was measured using a High Pressure Volumetric Analyzer (HPVA-100), VTI Corp. The gases used had 99.999% purity and the fine moisture contained in the gas was removed using a dry trap filled with 5 μs molecular sieve, which was purchased from Chromatography Research Supplies (model 500). Solids (over 300 mg) of the solvent-free test materials were quickly introduced into the gas sorption apparatus and activated by exhaust at 100 ° C. Prior to gas sorption experiments, the volume of the framework was determined by measuring the He isotherm (up to 80 bar) at 298 K. Excess sorption isotherms were measured and then corrected for buoyancy of the system and sample. Buoyancy correction for the sample was performed by multiplying the volume of the skeletal structure by the corresponding gas density at each pressure and temperature.
평가예 5. NMR 스펙트럼의 측정Evaluation Example 5 Measurement of NMR Spectrum
[Zn4O(atb)2]에 MgCp2를 담지한 시료, 상기 시료를 열분해시킴으로써 얻어진 시료, 및 제조예 4.3으로부터 제조된 혼성 나노복합체 (200℃, 300 bar)에 H2가 화학적으로 흡착된 시료를 DCl (10 - 20 μL) 및 d6-디메틸설폭사이드 (600 μL)의 혼합물에 용해시킨 다음, 1H NMR 스펙트럼을 BRUKER DE/DPS-300 스펙트로미터로 기록하였다 (도 3a 내지 3c 참조).Chemically adsorbed H 2 on a sample carrying MgCp 2 on [Zn 4 O (atb) 2 ], a sample obtained by pyrolyzing the sample, and a hybrid nanocomposite prepared at Preparation Example 4.3 (200 ° C., 300 bar). Samples were dissolved in a mixture of DCl (10-20 μL) and d 6 -dimethylsulfoxide (600 μL), and then 1 H NMR spectra were recorded with a BRUKER DE / DPS-300 spectrometer (see FIGS. 3A-3C). .
검토Review
전술한 바와 같이, [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O를 황색 결정의 형태로 제조할 수 있었으며, 이는 DMF 중의 Zn(NO3)2 및 H3atb의 혼합물을 가열함으로써 제조되었다. 제조된 결정에 대한 X-선 단일 결정 구조는 쿰 토폴로지 (qom topology)의 비-상호관통 (6,3)-연결된 네트 구조 (non-interpenetrated (6,3)-connected net)를 가지며, 이는 도 1a 및 1b, 및 도 2a 및 2b에서 볼 수 있는 바와 같이 종래문헌의 금속-유기물 골격 구조인 MOF-177 (Chae, H. K. et al. A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature 427, 523-527 (2004))의 구조와 유사하다. 제조된 결정에서 게스트 용매 분자들을 초임계 CO2로 처리함으로써 제거하게 되면, 게스트 분자가 존재하지 않는 [Zn4O(atb)2]를 제조할 수 있게 된다. 이와 같이 제조된 [Zn4O(atb)2]에 비스-시클로펜타디에닐 마그네슘 증기 (MgCp2)를 80 ℃에서 증착시킨 다음, 결과물을 아르곤 분위기 하, 473 K에서 열분해시키면 [Zn4O(atb)2]에 마그네슘 나노결정이 담지된 화합물을 얻게 된다. 또한, MgCp2 의 증착 과정에서 사용된, 반응시간 및 반응기에의 사전-진공 인가 등과 같은 반응 조건들을 변화시켜줌으로써 금속-유기물 골격 내에 담지되는 MgCp2의 함량을 조절할 수 있으며, 다른 함량의 마그네슘 나노결정이 담지된 여러 시료들을 제조할 수 있었다. 구체적으로, 제조예 4.1, 4.2 및 4.3에서 제조된 물질들에 담지된 마그네슘 나노결정의 함량은 각각 1.26 중량%, 6.52 중량%, 및 10.5 중량%였으며, 이는 유도 커플링된 플라즈마 원자 발광 스펙트로스코피 (Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy; ICP-AES)에 의해서 측정하여 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다. 도 3a 내지 3c에 도시된 NMR 스펙트럼을 참조하면, 결과물인 나노복합체 중에는 시클로펜타디엔이 존재하지 않는다는 것을 알 수 있다. 비록, 종래문헌에 MgCp2를 Li+(나프탈렌)과 폴리메틸메타크릴레이트의 테트라하이드로퓨란 용액 중에서 반응시켜 환원시킴으로써 5 - 15nm 크기의 마그네슘 나노입자를 제조하는 방법이 개시된 바 있으나 (Jeon, K. -J. et al. Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. Nature Materials 10, 286-290 (2011)), 본 발명에서와 같이 MgCp2를 열분해시킴으로써 나노크기의 Mg를 제조하는 방법은 종래에 전혀 개발된 바가 없다.As mentioned above, [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] .22DMF.9H 2 O could be prepared in the form of yellow crystals, which was Zn (NO 3 ) 2 in DMF. And H 3 atb by heating the mixture. The X-ray single crystal structure for the prepared crystal has a non-interpenetrated (6,3) -connected net of qom topology, which is shown in FIG. MOF-177 (Chae, HK et al. , Which is a metal-organic skeleton structure of the prior art as seen in FIGS. 1A and 1B, and FIGS. 2A and 2B). al . A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals. Nature 427, 523-527 (2004)). By removing the guest solvent molecules from the prepared crystals by treating with supercritical CO 2 , it is possible to prepare [Zn 4 O (atb) 2 ] in which the guest molecules are not present. Bis-cyclopentadienyl magnesium vapor (MgCp 2 ) was deposited in [Zn 4 O (atb) 2 ] prepared at 80 ° C., and the resultant was pyrolyzed at 473 K under argon atmosphere to obtain [Zn 4 O ( atb) 2 ] to obtain a compound having magnesium nanocrystals. Further, the reaction time and prior to the reactor used in the deposition of MgCp 2-metals by giving by varying the reaction conditions, such as vacuum is applied - and to control the content of MgCp 2 is supported in the organic skeleton, and other content of magnesium nano Several samples carrying crystals could be prepared. Specifically, the contents of magnesium nanocrystals supported on the materials prepared in Preparation Examples 4.1, 4.2, and 4.3 were 1.26 wt%, 6.52 wt%, and 10.5 wt%, respectively, which were inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy ( Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) measured and the results are shown in Table 1 above. Referring to the NMR spectra shown in FIGS. 3A to 3C, it can be seen that cyclopentadiene does not exist in the resulting nanocomposite. Although, the prior art discloses a method for preparing magnesium nanoparticles having a size of 5-15 nm by reducing MgCp 2 by reacting it in a tetrahydrofuran solution of Li + (naphthalene) and polymethylmethacrylate (Jeon, K. -J. et al . Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts.
본 발명에서 제조된 다양한 혼성 나노복합체에 대한 고해상도 투과 전자 현미경 (HRTEM) 사진들은 본 발명에 따른 마그네슘 나노결정이 육각형 디스크 형태로서, 대각선 길이가 44 - 88 nm (평균: 60 ± 18 nm)이고, 두께가 16 - 61 nm (평균: 37 ± 12 nm)임을 보여준다 (도 4a 내지 4e; 도 5a 내지 5i 참조). 본 발명의 마그네슘 나노결정에 대한 고속 푸리에 변환 (fast Fourier transform) 패턴 (도 4b)은 2.805Å의 분리 거리를 갖는 격자 무늬이며, 이는 금속 마그네슘의 (100) d-스페이싱 (2.7782 Å, JCPDS 04-0770, 도 4d)과 일치하는 수치이다. 또한, 상기 금속-유기물 골격 내에 다양한 함량의 마그네슘 나노결정을 담지시킴에도 불구하고, 본 발명에서 담지된 마그네슘 나노결정의 크기 분포는 제조되는 모든 시료들에서 매우 유사하다. 한편, 본 발명에 따른 혼성 나노복합체를 대기 중에 약 3주 동안 노출시키면 마그네슘 나노결정의 형태가 별 형태로 변화하게 되며 (도 4c), 이때의 격자 무늬는 2.1101 Å의 분리 거리를 갖고, 이는 MgO의 (200) d-스페이싱 (2.1061Å, JCPDS 89-7746, 도 4e)과 일치하는 수치이다.High resolution transmission electron microscopy (HRTEM) photographs of the various hybrid nanocomposites prepared in the present invention show that the magnesium nanocrystals according to the present invention are in the form of hexagonal discs, having a diagonal length of 44-88 nm (average: 60 ± 18 nm), It is shown that the thickness is 16-61 nm (mean: 37 ± 12 nm) (see Figures 4a to 4e; see Figures 5a to 5i). The fast Fourier transform pattern (FIG. 4b) for the magnesium nanocrystals of the present invention is a lattice pattern with a separation distance of 2.805 μs, which is (100) d-spaced (2.7782 μs, JCPDS 04- 0770, FIG. 4D). In addition, despite supporting various amounts of magnesium nanocrystals in the metal-organic framework, the size distribution of the magnesium nanocrystals supported in the present invention is very similar in all the samples prepared. Meanwhile, when the hybrid nanocomposite according to the present invention is exposed to the atmosphere for about 3 weeks, the form of magnesium nanocrystals changes into a star shape (FIG. 4C), and the lattice pattern has a separation distance of 2.1101 μm, which is MgO. Is consistent with (200) d-spacing (2.1061 Hz, JCPDS 89-7746, FIG. 4E).
또한, 본 발명에서는 마그네슘 나노결정이 MOF의 채널 내부에 담지되었다는 것을 확인하기 위해서 전자 단층촬영 (tomography)을 수행하였다. 경사각 +40°~ -40°, 1°의 간격으로 얻어진 TEM 영상들로부터, IMOD 프로그램 (Kremer, J. R., Mastronarde, D. N. & McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using imod. J. Struct . Biol . 116, 71-76 (1996))을 사용하여 3차원 영상을 구축할 수 있었다. 시료를 기울이게 되면, 시료 중의 마그네슘 나노결정이 육각형으로부터 직사각형으로, 다시 직사각형으로부터 육각형으로 변화되는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 마그네슘 나노결정이 실제로 MOF 중에 담지되었다는 것을 의미한다 (도 6a (TEM 영상); 도 6b 내지 6d (서로 다른 각도에서 형태적으로 재구성된 마그네슘 나노결정에 대한 영상) 참조). 본 발명에 따른 혼성 나노복합체의 X-선 광전자 스펙트럼 (X-ray photoelectron spectrum; XPS) 결과는 고체 중에 Mg0 및 ZnII가 공존하는 것을 보여주며, 종래에 Mg0에 대해서 보고된 바 있는 것과 유사한 50.6 eV에서의 Mg0 (2p) 피크가 나타났다. ZnII 에 대한 2p 3 /2 및 2p 1 /2 피크들은 1044 및 1021 eV 기준 피크들에서 나타났다 (도 7a (Zn에 대한 피크); 도 7b (Mg에 대한 피크); 도 7c (탄소에 대한 피크); 도 7d (산소에 대한 피크) 참조). 분말 X-선 회절 (PXRD) 패턴들은 [Zn4O(atb)2]의 구조가 마그네슘 나노결정이 형성된 이후에도 유지되는 것을 보여주는데, 그 크기는 MOF의 채널 크기보다 훨씬 더 큰 것이었다 (도 8 참조). 이러한 현상을 이해하기 위해서, 본 발명에서는 형성된 마그네슘 나노결정 대비 제조예 4.3 (10.5 중량%의 마그네슘 함유)에서 제조된 물질에 대한 네트워크 골격의 부피비를 계산하였다. 모든 마그네슘 나노결정들이 네트워크 골격을 파괴하였다는 가정 하에, 마그네슘 나노결정은 최대 4.6 부피%의 네트워크 골격을 파괴할 것이다. 이러한 수치는 MOF의 PXRD 패턴을 변화시키기에는 너무 작은 수치이다. 또한, 종래에 호스트의 공동 크기보다도 훨씬 큰 금속 나노입자들이 네트워크 구조를 유지하면서 MOF 중에 함침된다는 보고가 있었다 (Moon, H. R., Kim, J. H. & Suh, M. P. Redox active porous metal-organic framework producing silver nanoparticles from AgI ion at room temperature. Angew . Chem . Int . Ed . 44, 1261-1265 (2005) 등). 결정성 마그네슘의 PXRD 피크들은 일반적으로 2θ= 32.2, 34.4, 및 36.6°에서 나타나야 하지만, 본 발명에서는, 고해상도 TEM/EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) 데이터가 분명히 매트릭스 중에 마그네슘 나노결정들이 도입되었다는 사실을 보여줌에도 불구하고, 이러한 피크들이 나타나지 않았다. 그러나, 공기 중에 2일 동안 노출시키게 되면, [Zn4O(atb)2]의 골격 구조를 유지하면서 PXRD 패턴이 Mg에서 MgO로 산화되었다는 사실을 도 8로부터 알 수 있다.In the present invention, electron tomography (tomography) was performed to confirm that magnesium nanocrystals were supported inside the channel of the MOF. Tilt angle + 40 ° ~ -40 °,, IMOD program from the TEM images obtained at intervals of 1 ° (Kremer, JR, Mastronarde , DN & McIntosh, JR Computer visualization of three-dimensional image data using imod. J. Struct. Biol 116, using a 71-76 (1996)) were able to build a three-dimensional image. When the sample was tilted, it was observed that the magnesium nanocrystals in the sample changed from hexagon to rectangle and back from rectangle to hexagon, which means that the magnesium nanocrystals were actually supported in MOF (FIG. 6A (TEM image); 6B-6D (images for morphologically reconstituted magnesium nanocrystals at different angles). X-ray photoelectron spectrum (XPS) results of the hybrid nanocomposites according to the present invention show that Mg 0 and Zn II coexist in solids, similar to those previously reported for Mg 0 . Mg 0 (2 p ) peak at 50.6 eV was seen. In Figure 7c (carbon; peak) for the Fig. 7b (Mg; 2 p 3/ 2 and 2 p 1/2 peaks for Zn II are the peak) for the shown (Fig. 7a (Zn at 1044 and 1021 eV reference peak Peaks for oxygen); see FIG. 7D (peaks for oxygen). Powder X-ray diffraction (PXRD) patterns show that the structure of [Zn 4 O (atb) 2 ] remains even after magnesium nanocrystals are formed, the size of which is much larger than the channel size of the MOF (see FIG. 8). . To understand this phenomenon, the volume ratio of the network backbone to the material prepared in Preparation Example 4.3 (containing 10.5% by weight of magnesium) relative to the magnesium nanocrystals formed was calculated. Assuming that all magnesium nanocrystals destroyed the network backbone, the magnesium nanocrystals would destroy up to 4.6% by volume of the network backbone. This is too small to change the PXRD pattern of the MOF. In addition, it has been previously reported that metal nanoparticles much larger than the cavity size of the host are impregnated in the MOF while maintaining the network structure (Moon, HR, Kim, JH & Suh, MP Redox active porous metal-organic framework producing silver nanoparticles from Ag I ion at room temperature. Angew . Chem. Int. Ed. 44, 1261-1265, etc. (2005)). PXRD peaks of the crystalline magnesium generally appear at 2 θ = 32.2, 34.4, and 36.6 ° but, in the present invention, showing that a high resolution TEM / EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) data clearly that magnesium nanocrystals are incorporated into the matrix Nevertheless, these peaks did not appear. However, when exposed to air for 2 days, it can be seen from FIG. 8 that the PXRD pattern was oxidized from Mg to MgO while maintaining the framework structure of [Zn 4 O (atb) 2 ].
[Zn4O(atb)2] 및 제조예 4.1 내지 4.3으로부터 제조된 물질들에 대해서, 77K에서 N2 기체에 대한 흡착-탈착 등온선을, 다양한 온도에서 H2 기체에 대한 흡착-탈착 등온선을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.For materials prepared from [Zn 4 O (atb) 2 ] and Preparation Examples 4.1 to 4.3, the adsorption-desorption isotherm for N 2 gas at 77K and the adsorption-desorption isotherm for H 2 gas at various temperatures were measured And the results are shown in Table 2 below.
mol/mol
(중량%)Mg / Zn,
mol / mol
(weight%)
[cm3g-1]N 2
[cm 3 g -1 ]
[m2g-1]
Surface area
[m 2 g -1 ]
[cm3g-1]Void volume
[cm 3 g -1 ]
저압 고압
(1atm) (조건)H 2 storage [% by weight]
Low pressure high pressure
(1atm) (condition)
[kJ mol-1]Q st
[kJ mol -1 ]
0.74(87K)1.21 (77K)
0.74 (87K)
0.45 (298K, 80bar)8.81 (77 K, 75 bar)
0.45 (298K, 80bar)
(1.26)0.15
(1.26)
0.65(87K)1.24 (77K)
0.65 (87 K)
0.54(298K, 90bar)8.74 (77 K, 89 bar)
0.54 (298 K, 90 bar)
(6.52)0.85
(6.52)
0.40(87K)0.72 (77 K)
0.40 (87 K)
(10.5)1.40
(10.5)
0.47(87K)0.60 (77K)
0.47 (87 K)
0.24(415K, 40bar)
0.71(473K, 30bar)0.20 (323 K, 80 bar)
0.24 (415K, 40 bar)
0.71 (473K, 30 bar)
*: BET 표면적*: BET surface area
□: Langmuir 표면적□: Langmuir surface area
§: 두비닌-라두쉬케비치 (DR) 방정식을 사용하여 측정된 공극 부피§: pore volume measured using Dubinin-Radushke Beach (DR) equation
4개의 시료들에 대한 N2 기체 수착 등온선은 타입-I이었으며, 미세기공 물질들에 특징적인 것이었다 (도 9a 및 9b 참조). [Zn4O(atb)2]의 리간드에 존재하는 NH2기의 존재에도 불구하고, 표면적, 공극 부피, 및 H2 흡착능은 종래기술의 MOF-177과 유사하였다. 마그네슘이 담지된 다양한 시료들에 대한 기체 수착 데이터는, 마그네슘의 함량이 증가함에 따라서, 77 K 및 1 atm에서의 BET 표면적, 공극 부피, 및 수소 저장 능력이 감소됨을 보여주는데, 이는 마그네슘 나노결정이 MOF 중의 공극들의 표면 및 공간을 차지하기 때문이다. 그러나, 298 K 및 고압에서는, 제조예 4.1의 물질은 H2 저장능이, 순수 [Zn4O(atb)2]에서의 0.45 중량%에 비해서, 0.54 중량 %로 증가하였는데, 이는 마그네슘 나노결정들이 298 K에서의 H2 흡착에 긍정적인 영향을 미치기 때문이라는 것을 암시한다 (도 10a (77K) 및 도 10b (298K) 참조). 77K 및 87K에서 측정된 H2 흡착 등온선으로부터 계산된 H2 흡착의 제로 커버리지 등량 흡착열 (zero coverage isosteric heats)은, 마그네슘의 함량이 증가함에 따라서 증가하였는데, [Zn4O(atb)2]의 4.55 kJ mol-1로부터, 제조예 4.3의 11.6 kJ mol-1까지 증가하였다 (표 2 및 도 11 참조). 이는, 마그네슘 나노결정이 골격의 일부 기공 크기를 감소시키고, 이는 골격과 수소 사이의 잠재적인 중첩을 증가시킴을 암시한다.The N 2 gas sorption isotherm for the four samples was type-I and characteristic of microporous materials (see FIGS. 9A and 9B). Despite the presence of NH 2 groups present in the ligand of [Zn 4 O (atb) 2 ], the surface area, pore volume, and H 2 adsorption capacity were similar to MOF-177 of the prior art. Gas sorption data for various magnesium-loaded samples show that as the magnesium content increases, the BET surface area, pore volume, and hydrogen storage capacity at 77 K and 1 atm decrease, indicating that the magnesium nanocrystals are MOF. This is because the voids occupy the surface and space of the pores. However, at 298 K and high pressure, the material of Preparation 4.1 increased the H 2 storage capacity to 0.54 wt%, compared to 0.45 wt% in pure [Zn 4 O (atb) 2 ], which resulted in magnesium nanocrystals 298 Implying a positive effect on H 2 adsorption at K (see FIGS. 10A (77K) and 10B (298K)). The zero coverage isosteric heats of H 2 adsorption calculated from H 2 adsorption isotherms measured at 77K and 87K increased with increasing magnesium content, 4.55 of [Zn 4 O (atb) 2 ]. From kJ mol −1 , it increased to 11.6 kJ mol −1 of Preparation Example 4.3 (see Table 2 and FIG. 11). This suggests that magnesium nanocrystals reduce some pore size in the backbone, which increases the potential overlap between the backbone and hydrogen.
담지된 마그네슘 나노결정의 화학적 흡착능을 관찰하기 위해서, 고압 조건 하, 323K, 415K 및 473K에서 제조예 4.3으로부터 제조된 물질의 H2 저장을 측정하였다 (도 12b (473K), 13a (325K, 80 bar) 및 13b (415K, 40bar) 참조). 고온에서 H2 저장이 감소하는 물리적 흡착 MOF들과는 달리, H2 화학적 흡착능은 온도가 상승함에 따라서 증가하였다. 제조예 4.3으로부터 제조된 물질의 H2 흡착능은 80 bar의 H2 압력 하, 323 K에서 0.20 중량%였고, 40 bar의 H2 압력 하, 415 K에서 0.24 중량%였으며, 30 bar의 H2 압력 하, 473 K에서는 0.71 중량%였다. 제조예 4.3의 물질에 대한 이러한 수치는, 이는 제조예 4.3의 물질이 높은 정도로 로딩된 마그네슘으로 인해서 훨씬 더 낮은 표면적 및 공극 부피를 가짐에도 불구하고, 동일한 조건의 제조예 4.2의 물질에 비해서 현저하게 높은 수치이다. 이는 473 K에서의 H2 저장이 로딩된 마그네슘 나노결정의 함량이 증가함에 따라서 증가함을 의미한다. 온도 및 마그네슘 나노결정의 함량이 증가함에 따라서 H2 저장능력이 향상된다는 사실은 323 K, 415 K, 및 473 K에서의 본 발명에 따른 혼성 나노복합체의 수소 저장이 화학적 흡착에 의한 것임을 확인해 주는 것이다. 이러한 화학적 흡착 온도는 50 - 100 ㎛ 크기를 갖는 순수 마그네슘 분말의 화학적 흡착 온도 (10 bar 하에서 673 K)보다 현저하게 낮은 것이다 (> 200 K). 마그네슘 단독에 의한 H2 저장능을 데이터로부터 계산한 결과, 473 K 및 30 bar에서 7.5 중량%였다. 순수 마그네슘의 H2 화학적 흡착능이 7.66 중량%라는 점을 감안하면, 본 발명의 혼성 나노복합체 중 99%의 마그네슘 나노결정이 H2를 화학적으로 흡착하는 것이며, 이는 기존에 폴리머 중에 통합된 마그네슘 나노입자들 (Jeon, K. -J. et al. Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. Nature Materials 10, 286-290 (2011)) 또는 순수 마그네슘 분말 (Sakintuna, B., Lamari-Darkrim, F. & Hirscher, M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: a review. Int J. Hydrogen Energy 32, 1121-1140 (2007))에 대해서 보고된 결과보다 월등하게 우수한 것이다. 473 K 및 30 bar에서 측정된 제조예 4.3 물질의 부피 수소 저장능은 3.1 g L- 1였다.In order to observe the chemisorption capacity of the supported magnesium nanocrystals, the H 2 storage of the material prepared from Preparation Example 4.3 at 323K, 415K and 473K under high pressure conditions was measured (FIG. 12B (473K), 13a (325K, 80 bar) ) And 13b (415K, 40bar)). At high temperature, unlike physical adsorption MOF for H 2 storage is reduced, H 2 chemical adsorption capacity was increased as the temperature rises. H 2 adsorption capacity of the material prepared from Preparation 4.3 was 0.20% by weight in H 2 under pressure, 323 K of 80 bar, was 0.24% by weight in H 2 under pressure, 415 K of 40 bar, of 30 bar H 2 pressure At 473 K, the weight was 0.71 wt%. This figure for the material of Preparation 4.3 is markedly comparable to the material of Preparation 4.2, even though the material of Preparation 4.3 has much lower surface area and pore volume due to the magnesium loaded to a higher degree. It is a high figure. This means that the H 2 storage at 473 K increases with increasing content of the loaded magnesium nanocrystals. The fact that the H 2 storage capacity improves with increasing temperature and content of magnesium nanocrystals confirms that the hydrogen storage of the hybrid nanocomposites according to the invention at 323 K, 415 K, and 473 K is due to chemical adsorption. . This chemisorption temperature is significantly lower (> 200 K) than the chemisorption temperature (673 K under 10 bar) of pure magnesium powder with a size of 50-100 μm. The H 2 storage capacity with magnesium alone was calculated from the data and found to be 7.5 wt% at 473 K and 30 bar. Given that the H 2 chemical adsorption capacity of pure magnesium is 7.66% by weight, 99% of the magnesium nanocrystals in the hybrid nanocomposites of the present invention chemically adsorb H 2 , which is a magnesium nanoparticle that is previously incorporated into a polymer. (Jeon, K.-J. et al . Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts.
제조예 4.3으로부터 제조된 물질의 수소 탈착 특성은 온도 프로그래밍된 탈착 질량 스펙트로스코피 (TPD-MS) 분석에 의해서 조사하였다 (도 12c 참조). 상기 TPD-MS 결과는 H2가 T > 523 K 및 1 atm에서 탈착된다는 것을 보여 주었다. 특히, H 원자 신호의 강도는 H2 분자 신호의 강도의 정확히 두 배라는 점에 주목할 필요가 있다. 이는 모든 탈착된 수소원들이 MgH2이며, 전혀 MOF가 아니라는 점을 의미한다 (도 13a 및 13b 참조). H2 흡착 이후의 제조예 4.3 물질에 대한 TG 질량 손실 역시 TPD-MS 데이터와 잘 일치한다 (도 14 참조).The hydrogen desorption properties of the material prepared from Preparation Example 4.3 were investigated by temperature programmed desorption mass spectroscopy (TPD-MS) analysis (see FIG. 12C). The TPD-MS results showed that H 2 desorbs at T> 523 K and 1 atm. In particular, it should be noted that the strength of the H atomic signal is exactly twice the strength of the H 2 molecular signal. This means that all desorbed hydrogen sources are MgH 2 and not MOF at all (see FIGS. 13A and 13B). Preparation 4.3 after H 2 adsorption TG mass loss for the material is also in good agreement with the TPD-MS data (see FIG. 14).
473 K 및 30 bar에서의 H2 화학적 흡착 이후에 측정된 제조예 4.3 물질에 대한 HRTEM 영상들은 Mg의 결정 형태는 유지되었지만, 결정 크기는 현저하게 증가하였음을 나타낸다. FFT 패턴은 2.247 Å의 분리간격을 갖는 격자 무늬상을 나타내었으며, 이는 β-MgH2의 (110) d-스페이싱 (2.257 Å, JCPDS 35-1185) (도 15a (HRTEM 영상); 도 15b ([Zn4O(atb)2]에 담지된 육각형 MgH2 나노결정); 도 15c (MgH2 나노결정에 대한 고속 푸리에 변환 패턴) 참조)과 잘 일치하는 것이다. H2 흡착 이후의 본 발명에 따른 물질들은 결정 크기 (육각형의 대각선 길이) 및 두께가 각각 80 - 200 nm (평균: 142 ± 41 nm) 및 50 - 110 nm (평균: 83 ± 18 nm)였으며, 이는 마그네슘 나노결정의 크기보다 약 2.3배 큰 수치이다 (도 16a (크기 분포) 및 16b (두께 분포) 참조). 이러한 사실은 MgH2 결정이 Mg 결정보다 약 12배 큰 부피를 갖는다는 것을 의미한다. 마그네슘의 부피가 수소화물을 형성하게 되면 약 30% 정도의 부피가 증가하여야 된다는 점을 고려하면 (Zlotea, C., Lu, J. & Andersson, Y. Formation of one-dimensional MgH2 nano-structures by hydrogen induced disproportionation. J Alloys Compd. 426, 357-362 (2006)), 이러한 결과는 H2의 고온 및 고압에서의 화학적 흡착 과정 도중에 평균적으로 9개의 마그네슘 나노결정이 응집되어 MgH2 나노결정을 형성한다는 사실을 의미한다. 이는 3차원 오스왈드 숙성 (three dimensional Ostwald ripening)에 의해서 설명되는데, 이러한 과정에서는 더 큰 결정들이 좀 더 작은 이동성 결정들을 흡수하게 된다 (Di Vece, M. et al. Hydrogen-induced ostwald ripening at room temperature in a Pd nanocluster film. Phys . Rev . Lett . 100 236105 (2008)). MgH2가 형성된 이후에도, [Zn4O(atb)2]의 유기 리간드들은 수소화되지 않았으며, 이는 결과물인 나노복합체를 d6-DMSO (디메틸설폭사이드) 및 DCl의 혼합물에 용해시킨 후 관찰한 1H NMR 스펙트럼으로부터 알 수 있었다 (도 3a 내지 3c 참조). 수소가 결합된 본 발명에 따른 물질을 공기 중에 노출시키게 되면, PXRD 패턴은 2θ = 36.8 및 42.8도에서 새로운 피크를 나타내었는데, 이는 MgO에 해당되는 것이며, 또 다른 새로운 피크인 2θ= 38.0도에서의 피크는 Mg(OH)2에 해당되는 것으로서, 수소가 결합된 본 발명에 따른 물질이 공기 중에 노출됨에 따라서, MgO 및 Mg(OH)2가 결합된 형태로 변화하였음을 의미한다 (도 8 참조).HRTEM images of Preparation 4.3 material measured after H2 chemisorption at 473 K and 30 bar showed that the crystal form of Mg was retained, but the crystal size increased significantly. The FFT pattern showed a lattice pattern with a separation interval of 2.247
Claims (14)
상기 금속-유기물 골격 내에 담지된 (embedded) 마그네슘 나노결정을 포함하는 수소 저장능을 갖는 혼성 나노복합체.Metal-organic backbones having a non-interpenetrated (6,3) -connected net of a qom topology; And
A hybrid nanocomposite having hydrogen storage capacity, including magnesium nanocrystals embedded in the metal-organic backbone.
2) 상기 [Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2]·22DMF·9H2O를 초임계 CO2를 사용하여 활성화시킴으로써 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2를 제조하는 단계;
3) 상기 Zn4O(아닐린-2,4,6-트리벤조에이트)2에 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘을 화학적 기상 증착시키는 단계;
4) 상기 기상 증착된 비스(시클로펜타디에닐) 마그네슘을 열분해시키는 단계; 및
5) 상기 열분해 단계로부터 생성된 유기 분해 산물을 제거하는 단계를 포함하는 수소 저장능을 갖는 혼성 나노복합체의 제조방법.1) A mixture of Zn (NO 3 ) 2 and aniline-2,4,6-tribenzoic acid was heated in DMF to give [Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ] .22DMF.9H 2 Preparing O;
2) The [Zn 4 O (aniline-2,4,6-benzoate) 2], by activating, using the 22DMF · 9H 2 O supercritical CO 2 Zn 4 O (2,4,6 aniline Preparing tribenzoate) 2 ;
3) chemical vapor deposition of bis (cyclopentadienyl) magnesium on Zn 4 O (aniline-2,4,6-tribenzoate) 2 ;
4) pyrolysing the vapor deposited bis (cyclopentadienyl) magnesium; And
5) A method of producing a hybrid nanocomposite having a hydrogen storage capacity, comprising the step of removing an organic decomposition product generated from the pyrolysis step.
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A.W. Thornton et al. J. Am. Chem. Soc. 2009, Vol. 131, pp. 10662-10669 * |
A.W. Thornton et al. J. Am. Chem. Soc. 2009, Vol. 131, pp. 10662-10669* |
Y.E. Cheon et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, Vol. 48, pp. 2899-2903 * |
Y.E. Cheon et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, Vol. 48, pp. 2899-2903* |
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