KR101589581B1 - Process for preparing of Metal oxide with mesopore - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 산화물 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관능기를 갖는 고분자 화합물을 이용하여 메조기공을 갖는 금속 산화물을 제조하는 방법 및 그로부터 제조된 금속 산화물에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method for producing a metal oxide having mesopores by using a polymer having a functional group and a metal oxide prepared therefrom.

Description

메조기공을 갖는 금속 산화물 및 그의 제조 방법{Process for preparing of Metal oxide with mesopore}Technical Field [0001] The present invention relates to a metal oxide having mesopores and a process for preparing the same,

본 발명은 금속 산화물 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관능기를 갖는 고분자 화합물을 이용하여 메조기공을 갖는 금속 산화물을 제조하는 방법 및 그로부터 제조된 금속 산화물에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method for producing a metal oxide having mesopores by using a polymer having a functional group and a metal oxide prepared therefrom.

금속 산화물 내에 존재하는 금속은 다양한 산화 상태를 가질 수 있다. 때문에, 다양한 산화환원 반응에서 반응물질에 전자를 내어주거나 받는 역할을 수행하는 입자표면에 노출된 금속의 양을 최대화하여 금속과 반응 물질이 많이 접촉하도록 해야 한다. 그러나 이러한 금속 산화물 물질을 실제로 합성하는 것은 어렵다. 일반적인 나노물질에서도 그러하듯이 크기가 작아질수록 그만큼 높은 표면에너지를 가지고 있기 때문에 열역학적으로 불안정하게 된다. 이러한 금속 산화물의 경우에는 골격 내부에 메조기공을 도입하여 메조다공성 금속 산화물을 합성함으로써 해결할 수 있다. 이러한 이유로 인해 금속 산화물 골격 내부에 메조기공 (2< 직경<50nm) 이 도입된 메조다공성 금속산화물을 합성하여 비표면적 증진시키려는 시도가 있었다.The metal present in the metal oxide may have various oxidation states. Therefore, it is necessary to maximize the amount of the metal exposed on the surface of the particle, which plays a role of giving or receiving electrons to the reactant in various oxidation-reduction reactions, so that the metal and the reactant are in much contact with each other. However, it is difficult to actually synthesize these metal oxide materials. As is the case with conventional nanomaterials, the smaller the size, the more thermodynamically unstable it has because of its higher surface energy. Such a metal oxide can be solved by introducing mesopores into the skeleton to synthesize a mesoporous metal oxide. For this reason, attempts have been made to improve the specific surface area by synthesizing a mesoporous metal oxide having mesopores (2 <diameter <50 nm) introduced into the metal oxide framework.

메조다공성 금속산화물을 합성하기 위해서 일반적으로 사용되는 방법은 유기계면활성제나 블록 혼성 중합체(block copolymer)가 자가조립되어 형성된 마이쉘 (micelle)를 메조기공 유도체로 사용하는 것이다.(P. Yang, 외. Nature 1998, 396, 152). 하지만 약한 반데르발스힘(Van der walls force)을 기반으로 형성된 마이쉘은 금속산화물의 결정성장을 효과적으로 제한하는 경우가 흔치 않다. 뿐만 아니라, 특별한 관능기를 가지도록 설계되어야 하기 때문에 유기계면활성제나 블록 혼성 중합체 합성에 필요한 재료비가 매우 고가인 단점을 가지고 있다.A commonly used method for synthesizing a mesoporous metal oxide is to use a micelle formed by self-assembly of an organic surfactant or a block copolymer as a mesoporous derivative (P. Yang, et al. Nature 1998, 396, 152). However, it is not uncommon for a microshell formed on the basis of a weak van der walls force to effectively limit the crystal growth of metal oxides. In addition, since it has to be designed to have a special functional group, the material cost required for synthesizing an organic surfactant or a block copolymer is very expensive.

상기의 단점들을 극복하기 위해 현재까지 다양한 종류의 유기계면활성제를 이용하여 메조기공이 규칙적 또는 불규칙적으로 연결된 금속 산화물 합성에 성공하였다.(F. Schuth 외, Chem.Mater.2001, 13, 3184). 특히, 유기계면활성제의 머리 부분에 다양한 그룹을 관능화시킴으로써 다양한 종류의 메조다공성 금속 산화물을 합성하였다. 하지만 탄화수소의 꼬리부분은 화학적 안정성이 뛰어나기 때문에 무한정 탄화수소를 늘릴 수 없을 뿐 더러, 특수 설계된 계면활성제를 합성하기 위해서는 많은 비용과 시간이 소모된다는 한계점을 가지고 있다.
In order to overcome the disadvantages described above, a variety of organic surfactants have been used to synthesize metal oxides regularly or irregularly connected (F. Schuth et al., Chem. 2001, 13, 3184). In particular, various types of mesoporous metal oxides were synthesized by functionalizing various groups at the head of organic surfactants. However, since the tail portion of the hydrocarbon is excellent in chemical stability, it can not increase the hydrocarbon indefinitely, and it has a limit in that it is expensive and time consuming to synthesize a specially designed surfactant.

KR 제 10-2000-7006287호KR 10-2000-7006287 KR 제 10-2008-0035621호KR No. 10-2008-0035621

본 발명은 금속 산화물 내부로의 분자 확산을 극대화시켜 수명이 길면서 효율이 뛰어난 촉매, 흡착제 및 분리제를 합성하기 위해서 고분자 랜덤 공중합체를 이용하여 금속 산화물 내부로의 분자 확산을 극대화시키고자 하였다.The present invention maximizes the diffusion of molecules into the metal oxide by maximizing the molecular diffusion into the metal oxide, and using the polymer random copolymer to synthesize catalysts, adsorbents and separating agents with long life and high efficiency.

이에 본 발명자들은 관능기를 포함하는 고분자 화합물을 메조기공 유도체로 활용하여 메조다공성 금속산화물을 제조하고자 하였다. 보다 구체적으로는, 다양한 종류의 관능기를 포함하는 고분자를 메조기공 유도체로 이용하여 메조기공을 가지면서 그 골격이 결정성 금속 산화물로 이루어진 물질을 제조하였다.
Accordingly, the present inventors made attempts to prepare a mesoporous metal oxide by using a macromolecular compound containing a functional group as a mesoporous derivative. More specifically, a polymer having various types of functional groups was used as a mesoporous derivative to prepare a material having a mesopore and a skeleton of crystalline metal oxide.

본 발명은 a) 관능기를 갖는 고분자 화합물과 금속산화물 전구체를 혼합하여 유기-무기 복합겔을 형성하는 단계;The present invention relates to a method for preparing an organic-inorganic hybrid gel, comprising the steps of: a) mixing a polymer compound having a functional group with a metal oxide precursor to form an organic-inorganic hybrid gel;

b) 상기 유기-무기 복합겔을 결정화하여 결정성 유기-무기 복합겔을 제조하는 단계; 및b) crystallizing the organic-inorganic hybrid gel to prepare a crystalline organic-inorganic hybrid gel; And

c) 상기 b)단계에서 얻어진 결정성 유기-무기 복합겔에서 유기물을 선택적으로 제거하는 단계; 를 포함하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법을 제공한다.c) selectively removing the organic material from the crystalline organic-inorganic hybrid gel obtained in the step b); Wherein the mesoporous metal oxide is a mesoporous metal oxide.

본 발명에 따른 제조방법에서 관능기를 갖는 고분자 화합물에 포함되는 관능기는 (C1-C10)알킬기 , (C5-C10)아릴기, (C5-C10)아르(C1-C10)알킬, 나이트릴(nitrile), 카르복실산기(carboxyl acid), 하이드록실기, (C1-C10)알킬에스터, (C1-C10)알킬에테르 및 설파이드(sulfide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기관능기를 포함하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법을 제공한다.The functional group contained in the polymer compound having a functional group in the production process according to the present invention may be a (C1-C10) alkyl group, a (C5-C10) aryl group, a (C5- A mesoporous metal oxide comprising at least one organic functional group selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxyl group, a (C1-C10) alkyl ester, (C1-C10) alkyl ether, and sulfide Of the present invention.

상기 관능기를 갖는 고분자 화합물은 폴리아크릴계, 폴리 아크릴산 에스테르계, 폴리아크릴 아마이드계, 폴리페닐렌계, 폴리스틸렌계 또는 폴리바이닐계로부터로부터 선택될 수 있다.The polymer compound having the functional group may be selected from polyacrylic, polyacrylic ester, polyacrylamide, polyphenylene, polystyrene, or polyvinyl.

본 발명은 상기 관능기를 포함하는 고분자 화합물은 단위체들이 랜덤으로 구성되는 랜덤고분자인 것을 특징으로 하며, 상기 랜덤고분자는 상기 고분자 화합물의 고분자 사슬 중 하나의 블록영역 내에 단위체들이 랜덤으로 구성되는 블록형 고분자 상기 랜덤고분자는 블록형 고분자의 경우 블록형 고분자 사슬 중 하나의 블록영역 내에 단위체들이 랜덤으로 구성되는 고분자를 포함한다.The present invention is characterized in that the polymer compound comprising the functional group is a random polymer in which units are randomly formed, wherein the random polymer is a block-type polymer in which units are randomly formed in one block region of the polymer chains of the polymer compound In the case of the block-type polymer, the random polymer includes a polymer in which units are randomly formed in one block region of the block-type polymer chain.

상기 금속 산화물 전구체의 금속 원소는 4족 내지 12족 및 14족 원소에서 선택되는 것을 특징으로 하며, 구체적으로는 4족 , 5족, 8족 및 12족에서 선택된 금속원소일 수 있다. The metal element of the metal oxide precursor may be selected from the group consisting of Group 4 to Group 12 elements, and specifically, it may be a metal element selected from Group 4, Group 5, Group 8, and Group 12 elements.

상기 금속산화물 전구체는 메탈할라이드(metal halide), 메탈알콕사이드(metal alkoxide), 메탈아세틸아세테이트(metal acetylacetate),메틸아세틸아세토네이트(metal acetyltonate), 금속염(metal salt)인 것이 바람직하나 이에 한정하지는 않는다. The metal oxide precursor may be a metal halide, a metal alkoxide, a metal acetylacetate, a metal acetyltate, or a metal salt, but is not limited thereto.

또한 본 발명에서 사용되는 유기용매로서는 물이나 알코올을 제외한 비양자성 용매(aprotic solvent)를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF), 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran, THF) 또는 n-메틸-2-피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 사용하는 것 바람직하나 이에 한정하지는 않는다.The organic solvent used in the present invention is preferably an aprotic solvent other than water or alcohol. Specific examples thereof include dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF), or tetrahydrofuran it is preferable to use n-methyl-2-pyrrolidone (NMP), but not limited thereto.

더욱 구체적으로는, 결정화단계가 80℃이상, 특히 100℃ 이상에서 수행되는 것이 바람직하기 때문에 상기 용매들이 BP(boilling point)가 100℃ 이상인 것이 바람직하나, 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 처럼 100℃ 이하의 BP를 갖는 용매 경우에 결정화단계에서 오트클레이브를 이용하여 100℃ 이상으로 유지하는 것이 가능하므로 용매의 BP의 범위가 특별히 영향을 받는 것은 아니다.More specifically, since it is preferable that the crystallization step is performed at 80 ° C or higher, particularly 100 ° C or higher, the boiling point of the solvent is preferably 100 ° C or higher, but it is preferably 100 ° C such as tetrahydrofuran (THF) In the case of a solvent having a BP of not more than 100 DEG C in the crystallization step, the range of the BP of the solvent is not particularly affected.

본 발명의 제조방법에 따라 제조된 메조다공성 금속 산화물은 단일 단위 격자 1개 내지 10개의 두께로 이루어지는 결정성 골격과 상기 결정성 골격의 조립에 의해 형성된 2nm 이상의 메조기공을 포함하는 것을 특징으로 하며, 또한 BET 비표면적이 100 내지 800 m2/g, 메조기공부피가 0.1 내지 2.0 ml/g 인 것을 특징으로 한다.
The mesoporous metal oxide produced according to the production method of the present invention is characterized in that it comprises a single unit cell lattice having a crystalline skeleton having a thickness of 1 to 10 and a mesopore of 2 nm or more formed by assembling the crystalline lattice, And has a BET specific surface area of 100 to 800 m 2 / g and a mesopore volume of 0.1 to 2.0 ml / g.

본 발명은 금속산화물 전구체와 강하게 결합할 수 있는 관능기를 가진 고분자화합물을 이용해서 극도로 얇은 결정성 골격을 유도함과 동시에, 고분자의 분자 내 상호작용 및 분자 간 상호작용에 의해 균일한 크기의 메조기공을 유도하는 금속 산화물 제조방법을 제공한다. The present invention uses a polymer compound having a functional group capable of strongly bonding with a metal oxide precursor to induce an extremely thin crystalline structure and to form a mesoporous structure having a uniform size due to intramolecular interactions and intermolecular interactions of the polymer And a method for producing the metal oxide.

본 발명의 제조방법을 통해 제조된 메조다공성 금속 산화물은 수 nm 이하 두께의 결정성 골격과 이들의 유기적인 결합에 의해 형성된 하나 이상의 메조기공 또는 마이크로 기공을 포함하고 있는 새로운 물질이다.
The mesoporous metal oxide prepared by the method of the present invention is a novel material containing a crystalline skeleton having a thickness of several nm or less and at least one mesopore or micropored formed by organic bonds thereof.

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따라 만들어진 티타늄 산화물 나노시트의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따라 만들어진 티타늄 산화물 나노시트의 고각 X-선 회절 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따라 만들어진 티타늄 산화물 나노시트의 질소흡착 등온선(a)과 기공분포도(b) 이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따라 만들어진 메조다공성 티타늄 산화물의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따라 만들어진 메조다공성 티타늄 산화물의 저각과 고각 X-선 회절 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따라 만들어진 메조다공성 티타늄 산화물의 질소흡착 등온선(좌), 기공분포도(우) 이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따라 만들어진 메조다공성 틴 옥사이드의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 5에 따라 만들어진 메조다공성 틴 옥사이드의 고각 X-선 회절 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 5에 따라 만들어진 메조다공성 틴 옥사이드의 질소흡착 등온선(좌), 기공분포도(우) 이다.
도 10은 본 발명의 실시예 6에 따라 만들어진 메조다공성 질코니아의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예 6에 따라 만들어진 메조다공성 질코니아의 고각 X-선 회절 결과이다.
1 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a titanium oxide nanosheet made according to Example 2 of the present invention.
2 is a high-angle X-ray diffraction result of a titanium oxide nanosheet made according to Example 2 of the present invention.
3 is a nitrogen adsorption isotherm (a) and pore distribution diagram (b) of a titanium oxide nanosheet made according to Example 2 of the present invention.
4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the mesoporous titanium oxide prepared according to Example 4 of the present invention.
5 is a low angle and elevation angle X-ray diffraction result of the mesoporous titanium oxide prepared according to Example 4 of the present invention.
6 is a nitrogen adsorption isotherm (left) and a pore distribution diagram (right) of the mesoporous titanium oxide prepared according to Example 4 of the present invention.
7 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a mesoporous tin oxide made according to Example 5 of the present invention.
FIG. 8 is a high-angle X-ray diffraction result of mesoporous tin oxide made according to Example 5 of the present invention.
9 is a nitrogen adsorption isotherm (left) and pore distribution diagram (right) of the mesoporous tin oxide produced according to Example 5 of the present invention.
10 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of mesoporous zirconia prepared according to Example 6 of the present invention.
11 is a high-angle X-ray diffraction result of mesoporous zirconia prepared according to Example 6 of the present invention.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the following description of the present invention, a detailed description of known configurations and functions will be omitted. Also, the terms and words used should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.

이하, 본 발명의 메조기공을 갖는 메조다공성 금속 산화물의 제조 방법을 단계별로 나누어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, the process for producing the mesoporous meso-porous metal oxide of the present invention will be described in more detail by dividing it into stages.

제 1 단계: 금속원소와 금속 산화물 전구체에 강한 결합력을 가진 관능기가 포함된 고분자 화합물을 혼합하여 반응시켜 유기-무기 복합겔을 형성한다. Step 1 : A polymer compound containing a functional group having strong binding force to the metal element and the metal oxide precursor is mixed and reacted to form an organic-inorganic hybrid gel.

이 때 소수성 유기물 영역이 유기물질 간의 비공유결합, 즉, 반데르발스 힘, 쌍극자-쌍극자 상호작용, 이온 상호작용 등에 의해 무기물 영역 사이에서 자가조립 되어 형성된다. 이 때 고분자의 구조와 농도에 따라 각각의 겔 영역들은 규칙적이거나 불규칙적인 배열을 하게 된다. At this time, the hydrophobic organic region is formed by self-assembling between inorganic regions by non-covalent bonding between organic materials, that is, van der Waals force, dipole-dipole interaction, ion interaction, At this time, depending on the structure and concentration of the polymer, each gel region has a regular or irregular arrangement.

제 2 단계: 이후, 고분자 화합물에 의해 형성되어 안정화된 상기 유기-무기 복합겔은 결정화 과정을 거쳐 결정성 유기-무기 복합겔 형태의 금속 산화물로 전환된다. 본 발명의 상기 관능기를 포함하는 고분자 화합물은 단위체들이 랜덤으로 구성되는 랜덤고분자인 것을 특징으로 하며, 상기 랜덤고분자는 블록형 고분자의 경우 블록형 고분자 사슬 중 하나의 블록영역 내에 단위체들이 랜덤으로 구성되는 고분자를 포함한다. 상기 고분자 화합물의 메조기공 구조 유도체는 관능기의 종류를 다양화하여 결정성 골격의 종류 및 메조기공의 배열을 더욱 넓은 범위의 금속 산화물 골격을 형성할 수 있다. 구체적으로는, 이 때, 고분자의 구조와 겔의 조성에 따라서 단일 단위 격자 5 내지 10개 이하의 두께로 이루어진 금속 산화물 골격을 형성하고 이들을 유기적으로 조립되어 불규칙적 구조를 가지는 거대기공을 형성한다. Step 2 : Thereafter, the organic-inorganic hybrid gel formed and stabilized by the polymer compound is converted into a crystalline organic-inorganic hybrid gel-type metal oxide through crystallization. The polymer compound comprising the functional group of the present invention is characterized in that the units are random polymers composed randomly. In the case of the block-type polymer, the random polymers are randomly formed within one block region of the block- Polymer. The mesoporous structure derivative of the polymer compound may form a broader range of metal oxide skeletons by changing the types of functional groups and arranging the kind of crystal skeleton and arrangement of mesopores. Specifically, at this time, a metal oxide skeleton having a thickness of 5 to 10 or less of a single unit cell is formed according to the structure of the polymer and the composition of the gel, and they are organically assembled to form macropores having an irregular structure.

제 3 단계: 결정화 과정이 끝난 후, 금속 산화물은 여과법이나 원심분리 등을 통해 수득될 수 있다. 수득된 결정성 금속 산화물은 소성 또는 다른 화학적 반응을 통해 유기물만 선택적으로 제거할 수 있다. Step 3 : After the crystallization process, the metal oxide may be obtained through filtration or centrifugation. The obtained crystalline metal oxide can selectively remove only organic substances through firing or other chemical reaction.

본 발명에 따른 제조방법에서 관능기를 갖는 고분자 화합물에 포함되는 관능기는 (C1-C10)알킬기, (C5-C10)아릴기, (C5-C10)아르(C1-C10)알킬, 나이트릴(nitrile), 카르복실산기(carboxyl acid), 하이드록실기, (C1-C10)알킬에스터, (C1-C10)알킬에테르 및 설파이드(sulfide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기관능기를 포함하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법을 제공한다.The functional group contained in the polymer compound having a functional group in the production process according to the present invention may be a (C1-C10) alkyl group, a (C5-C10) aryl group, a (C5- A mesoporous metal oxide comprising at least one organic functional group selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxyl group, a (C1-C10) alkyl ester, (C1-C10) alkyl ether, and sulfide Of the present invention.

상기 관능기를 갖는 고분자 화합물은 폴리아크릴계, 폴리 아크릴산 에스테르계, 폴리아크릴 아마이드계, 폴리페닐렌계, 폴리스틸렌계 또는 폴리바이닐계로부터로부터 선택될 수 있다.The polymer compound having the functional group may be selected from polyacrylic, polyacrylic ester, polyacrylamide, polyphenylene, polystyrene, or polyvinyl.

상기 관능기는 (C1-C10)알킬기, (C5-C10)아릴기, (C5-C10)아르(C1-C10)알킬, 나이트릴(nitrile), 카르복실산기(carboxyl acid), 하이드록실기, (C1-C10)알킬에스터, (C1-C10)알킬에테르기 및 설파이드(sulfide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유기관능기를 포함할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.The functional group may be a (C1-C10) alkyl group, a (C5-C10) aryl group, a (C5-C10) aralkyl group, a nitrile group, a carboxyl acid group, (C1-C10) alkyl ester, (C1-C10) alkyl ether group, and sulfide, but the present invention is not limited thereto.

더욱 구체적으로는, 관능기는 카르복실산, 하이드록실기, 또는 페놀기를 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 카르복실산을 관능기로 포함하는 고분자 화합물은 적어도 1개 이상의 카르복실산 관능기는 포함한다.More specifically, the functional group preferably includes a carboxylic acid, a hydroxyl group, or a phenol group, but is not limited thereto. The polymer compound containing the carboxylic acid as a functional group includes at least one carboxylic acid functional group.

상기 적어도 1개 이상의 카르복실산 관능기를 가지는 모노머로는 아크릴산, 메타크릴산, 말레인산, 퓨마릭산, 이타코닉산, 이들의 무수물 또는 이들의 2종 이상의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며 최종적으로 얻어지는 고분자 화합물에 카르복실산 관능기를 부여할 수 있는 것이라면 어떠한 물질도 사용할 수 있다.Examples of the monomer having at least one carboxylic acid functional group include acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, anhydrides thereof, or a mixture of two or more thereof. And any substance can be used as long as it can impart a carboxylic acid functional group to the finally obtained polymer compound.

본 발명은 상기 관능기를 갖는 고분자 화합물은 단위체들이 랜덤으로 구성되는 랜덤고분자인 것을 특징으로 하며, 상기 랜덤고분자는 블록형 고분자의 경우 블록형 고분자 사슬 중 하나의 블록영역 내에 단위체들이 랜덤으로 구성되는 고분자를 포함한다.In the present invention, the polymer compound having a functional group is a random polymer in which units are randomly formed. In the case of the block polymer, the random polymer is a polymer in which units are randomly formed in one block region of a block- .

상기 고분자 화합물은 고분자는 다양한 종류의 단위체를 단독 또는 혼합 사용함으로써, 그 고분자의 물리적, 화학적 특이성을 넓은 범위에서 변화시킬 수 있다. 또한 작은 유기계면활성제 분자와는 달리 고분자는 고분자 고유의 물적 특성이 다른 나노물질 입자와 결합하여 나노물질의 특성 조절이 용이하다는 장점을 가진다. 또한, 고분자의 크기는 고분자의 합성 방법에 따라 크기조절이 용이하기 때문에 이에 따른 메조기공의 크기나 메조구조를 다양하게 만들 수 있다.The polymer compound can vary the physical and chemical specificity of the polymer in a wide range by using various types of monomers alone or in combination. Unlike small organic surfactant molecules, polymers have the advantage that they can easily control the properties of nanomaterials by combining with polymer nanomaterials. In addition, since the size of the polymer can be easily controlled according to the synthesis method of the polymer, the size of the mesopores and the meso structure can be varied.

상기 고분자 화합물은 폴리아크릴계, 폴리 아크릴산 에스테르계, 폴리아크릴 아마이드계, 폴리페닐렌계, 폴리스틸렌계 또는 폴리바이닐계로부터 선택되는 것을 특징으로 하지만 이에 한정하지는 않는다. The polymer compound is characterized by being selected from polyacrylic, polyacrylic ester, polyacrylamide, polyphenylene, polystyrene, or polyvinyl. However, the present invention is not limited thereto.

더욱 구체적으로는, 폴리아크릴산(poly acrylic acid, PAA), 폴리(4-베닐페놀-코-메틸메타크릴레이트(poly(4-vinylphenol-co-methylmethacrylate))을 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정하지는 않는다. More specifically, it is preferable to use polyacrylic acid (PAA) or poly (4-vinylphenol- co- methylmethacrylate), but not limited thereto .

상기 고분자 화합물의 분자량은 1000 < Mw < 1000000 인 것일 수 있으나 이에 한정하지는 않으며, 고분자 화합물에 있어서 보다 중요한 것은 고분자 내에 관능기의 종류 및 몰비이다.The molecular weight of the polymer compound may be 1000 < Mw < 1000000, but the present invention is not limited thereto. More important in the polymer compound is the kind and molar ratio of the functional group in the polymer.

본 발명의 상기 관능기를 포함하는 고분자 화합물은 단위체들이 랜덤으로 구성되는 랜덤고분자인 것을 특징으로 하며, 상기 랜덤고분자는 블록형 고분자의 경우 블록형 고분자 사슬 중 하나의 블록영역 내에 단위체들이 랜덤으로 구성되는 고분자를 포함한다. 랜덤형을 가진 고분자 화합물은 기존에 개발되었던 유기계면활성제 또는 블록 혼성 중합체 유형의 구조유도체를 벗어나 랜덤 공중합체 유형의 메조기공을 가지는 결정성 골격 구조유도체를 제시함으로써, 메조기공 유도체의 유기분자 유형을 더욱 확장할 수 있다. 또한 상기 랜덤형 또는 군집형 단위체들의 고분자 화합물의 메조기공 구조 유도체는 관능기의 종류를 다양화하여 결정성 골격의 종류 및 메조기공의 배열을 더욱 넓은 범위에서 변형화하기 용이하다. 또한 고분자가 가지고 있는 본래의 특이성이 유기물의 제거 전 과정에서 금속 산화물에 그대로 반영이 되기 때문에, 이러한 점을 활용하여 메조다공성 결정성 금속 산화물의 활용범위를 넓힐 수 있다.  The polymer compound comprising the functional group of the present invention is characterized in that the units are random polymers composed randomly. In the case of the block-type polymer, the random polymers are randomly formed within one block region of the block- Polymer. Random-type polymer compounds can be classified into organic molecular types of mesoporous derivatives by presenting a crystalline skeleton derivative having mesopores of random copolymer type, apart from the existing organic surfactants or structural derivatives of block interpolymer type Can be further expanded. In addition, the mesoporous structure derivatives of the polymer compounds of the random or cluster type units can easily modify the types of the crystalline skeletons and the arrangement of mesopores in a wider range by diversifying the types of functional groups. In addition, since the inherent specificity of the polymer is reflected in the metal oxide as it is before the removal of the organic material, the application range of the mesoporous crystalline metal oxide can be broadened by utilizing this point.

상기 금속산화물 전구체는 메탈할라이드(metal halide), 메탈알콕사이드(metal alkoxide), 메탈아세틸아세테이트(metal acetylacetate),메틸아세틸아세토네이트(metal acetyltonate), 금속염(metal salt)인 것이 바람직하나 이에 한정하지는 않는다. The metal oxide precursor may be a metal halide, a metal alkoxide, a metal acetylacetate, a metal acetyltate, or a metal salt, but is not limited thereto.

상기 금속 산화물 전구체의 금속원소는 4족 내지 12족 및 14족의 단독 또는 이들의 혼합물에 선택되는 금속원소로 이루어진 메조다공성 금속 산화물의 제조방법일 수 있지만 이에 한정하지는 않는다.  The metal element of the metal oxide precursor may be a method of producing a mesoporous metal oxide consisting of a metal element selected from the group consisting of Group 4 to Group 12 and Group 14 alone or a mixture thereof. However, the present invention is not limited thereto.

구체적으로는 4족 , 5족, 8족, 12족 및 14족에서 선택된 금속원소일 수 있다.Specifically, it may be a metal element selected from Group 4, Group 5, Group 8, Group 12 and Group 14.

바람직하게는, 4족의 Ti, Zr, Hf, Ce, Th, 5족의 V, Nb, Ta, Pr, Pa, 8족의 Fe, Ru, Os, Sm, Pu , 12족의 Zn, Cd, Hg 및 14족의 C, Si, Ge, Sn, Pb 일 수 있지만 이에 한정하지는 않는다.Preferably, at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, Ce, Th in Group 4, V, Nb, Ta, Pr in Group 5, Fe, Ru, Os, Sm, Pu in Group 8, Zn, Hg, and Group 14 of C, Si, Ge, Sn, and Pb, but are not limited thereto.

더욱 바람직하게는, 4족의 Ti, Zr, Ce, 5족의 V 및 8족의 Fe, 12족의 Zn 의 전이 금속원소 및 14족의 Sn의 금속원소일 수 있다.More preferably, it may be a Group 4 element of Ti, Zr, Ce, V of Group V and Fe of Group 8, a transition metal element of Group 12, and a Group 14 element of Sn.

또한 본 발명에서 사용되는 유기용매로서는 비양자성 용매(aprotic solvent)를 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 물 또는 알코올 등 수소이온을 내는 용매를 제외한 비양자성 용매를 채용할 수 있다. 이는 수소이온을 발생시키는 용매는 OH기가 관능기에 먼저 붙어 관능기를 포함하는 고분자 화합물과 금속원소 및 금속 산화물 전구체와의 상호작용을 방해할 수 있기 때문이다. The organic solvent used in the present invention is preferably an aprotic solvent. More preferably, an aprotic solvent other than a solvent which releases hydrogen ions such as water or alcohol can be employed. This is because a solvent capable of generating hydrogen ions can interfere with the interaction between a polymer compound containing a functional group and a metal element and a metal oxide precursor due to the OH group first attached to the functional group.

구체적으로는 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 또는 n-메틸-2-피롤리돈(n-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 사용하는 것 바람직하나 이에 한정하지는 않는다. Specifically, it is preferable to use dimethylformamide (DMF), tetrahydrofuran (THF) or n-methyl-2-pyrrolidone (NMP) I do not.

더욱 구체적으로는, 결정화단계가 80 내지 200℃, 특히 100℃ 이상에서 수행되는 것이 바람직하기 때문에 상기 용매들이 BP(boilling point)가 100℃ 이상인 것이 바람직하나, 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 처럼 100℃ 이하의 BP를 갖는 용매 경우에 결정화단계에서 오트클레이브를 이용하여 100℃ 이상으로 유지하는 것이 가능하므로 용매의 BP(boilling point)의 범위가 특별히 영향을 받는 것은 아니다.More specifically, since the crystallization step is preferably performed at 80 to 200 ° C, particularly 100 ° C or more, the solvent preferably has a boiling point (BP) of 100 ° C or more, but it is preferable to use a solvent such as tetrahydrofuran It is possible to maintain the solvent at 100 DEG C or higher by using an autoclave in the crystallization step, so that the range of the boiling point (BP) of the solvent is not particularly affected.

본 발명은 반응 촉진제를 더 첨가하여 상기 금속원소, 금속 산화물 전구체 및 고분자 화합물을 혼합하는 과정에서 촉매역할을 하여 반응을 더욱 촉진시킬 수 있으며, 상기 반응촉진제로서는 트리에틸아민, 트리알킬아민, 트리부틸아민, 트리프로필아민, 트리프로필에틸아민, 트리헥실아민 등의 성질을 갖는 것이면 가능하다.The present invention can further accelerate the reaction by acting as a catalyst in the process of mixing the metal element, the metal oxide precursor and the polymer compound by further adding a reaction promoter, and examples of the reaction promoter include triethylamine, trialkylamine, tributyl Amines, tripropylamines, tripropylethylamines, trihexylamines, and the like.

상기 결정화 과정은 80 내지 200℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하지만 이에 한정하는 것은 아니다.The crystallization process is preferably performed at a temperature of 80 to 200 ° C, but is not limited thereto.

상기 결정화 과정은 용매열합성법(solvothermal synthesis), 건식-겔 합성(dry-gel synthesis), 마이크로파 합성(microwavesynthesis) 등 통상적인 방법을 통해서 모두 가능하지만 이에 한정하지는 않는다. 상기 용매열합성법은 80℃ 내지 200℃에서 합성하는 것이 바람직하며, 100℃ 이상 시에는 고압상태의 1 ~ 10기압을 유지해 주는 것이 더욱 바람직하나 이에 한정하지는 않는다. 또한, 상기 용매열합성법에 사용되는 용매가 100℃이하인 경우 고압조건의 1 ~ 5기압에서 이루어 질 수 있다.The crystallization may be performed by conventional methods such as solvothermal synthesis, dry-gel synthesis and microwavesynthesis, but the present invention is not limited thereto. The solvent thermal synthesis method is preferably carried out at 80 ° C to 200 ° C, and it is more preferable to maintain the high pressure state at 1 to 10 atmospheres at 100 ° C or higher, but it is not limited thereto. Further, when the solvent used in the solvent thermal synthesis method is 100 ° C or lower, it may be carried out at a high pressure of 1 to 5 atm.

상기 결정성 유기-무기 복합겔은 여과법 또는 원심분리법으로 여과 또는 세척과정을 거친 후, 소성을 통해 유기물만을 선택적으로 완전 또는 부분적으로 제거함으로써 메조기공을 가지는 결정성 골격 메조다공성 금속 산화물을 제조할 수 있다. The crystalline organic-inorganic hybrid gel may be subjected to filtration or washing with filtration or centrifugal separation, and then the organic material may be selectively or wholly or partially removed through calcination to produce a crystalline mesoporous mesoporous metal oxide having mesopores. have.

상기 여과법 또는 원심분리법은 통상적으로 행해지는 방법이라면 모두 가능하다.The filtration method or the centrifugal separation method can be carried out in any conventional manner.

본 발명에 따른 제조방법에서 상기 고분자 화합물에 의해 형성되어 안정화된 상기 유기-무기 복합겔은 결정화 과정을 거쳐 결정성 유기-무기 복합겔 형태의 금속 산화물로 전환된다. 이 때, 고분자의 구조와 겔의 조성에 따라서 단일 단위 격자 5 내지 10개 이하의 두께로 이루어진 금속 산화물 골격을 형성하고 이들을 유기적으로 조립되어 불규칙적 구조를 가지는 거대기공을 형성한 메조다공성 금속 산화물을 제조할 수 있다.In the production process according to the present invention, the organic-inorganic hybrid gel formed and stabilized by the polymer compound is converted into a crystalline organic-inorganic hybrid gel-like metal oxide through crystallization. At this time, a mesoporous metal oxide is formed by forming a metal oxide skeleton having a thickness of 5 to 10 or less in a single unit lattice according to the structure of the polymer and the gel, organically assembled to form large pores having an irregular structure can do.

상기 메조다공성 금속 산화물의 제조방법에 의해 제조된 메조기공들은 합성 환경과 반응물의 조성비에 따라 제어할 수 있다. 또한 반응 시 사용하는 금속산화물, 고분자 단위체의 작용기 몰비를 조절함으로서 다수의 위계적 계층구조의 금속 산화물을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물도 합성할 수 있다.The mesopores produced by the mesoporous metal oxide production method can be controlled according to the synthesis environment and the composition ratio of the reactants. Also, by controlling the molar ratio of functional groups of the metal oxide and the polymer unit used in the reaction, mesoporous metal oxides characterized by a plurality of hierarchical metal oxides can be synthesized.

본 발명의 메조다공성 금속 산화물의 제조방법에 의해 메조다공성 금속 산화물을 제조 시 중요한 변수는 반응물의 조성이며, 특히 금속산화물 전구체, 고분자 작용기 몰수 및 물의 양이다.An important parameter in the production of the mesoporous metal oxide by the method of the present invention is the composition of the reactant, in particular, the metal oxide precursor, the number of moles of the polymer functional group, and the amount of water.

본 발명에 따라 제조되는 제 1 구현예로서 메조다공성 금속산화물의 제조에 있어서 바람직한 반응물의 조성은 금속전구체의 금속원소 : 고분자 단위체 작용기 수 : 물의 몰비가 1 : 0.1 ~ 0.8 : 1 ~ 40인 것이 바람직하며, 금속전구체의 금속원소 : 고분자 단위체 작용기 수 : 물의 몰비가 1 : 0.1 ~ 0.5 : 1 ~ 20인 것이 보다 바람직하다. 금속전구체의 금속 원소 기준으로 상기 고분자 단위체의 작용기의 몰비가 0.1 보다 작은 경우 메조구조 금속산화물이 형성되지 않는 문제가 있고, 0.8 보다 큰 경우는 모든 고분자가 용해되지 않는 문제가 발생하며, 물의 양이 1 이하인 경우 고분자를 모두 용해시킬 수 없고, 40보다 큰 경우는 단위부피당 얻는 메조다공성 금속산화물의 양이 적다. As a first embodiment to be produced according to the present invention, it is preferable that the composition of the reactant in the production of the mesoporous metal oxide is such that the molar ratio of the metal element: polymeric monomer functional group: water in the metal precursor is 1: 0.1 to 0.8: 1 to 40 And the molar ratio of the metal element: polymeric monomer functional group: water of the metal precursor is more preferably 1: 0.1 to 0.5: 1 to 20. When the molar ratio of the functional group of the polymer unit based on the metal element of the metal precursor is less than 0.1, meso structure metal oxide is not formed. When the mole ratio is larger than 0.8, all the polymers are not dissolved. When the molecular weight is less than 1, the polymer can not be completely dissolved. When the molecular weight is more than 40, the amount of the meso-porous metal oxide per unit volume is small.

결정화 시 유기 용매의 양은 상기 고분자 단위체 작용기 및 물의 양보다는 중요하지 않으나, 금속전구체의 금속 원소 기준으로 100 ~ 1000 몰비의 용매량을 첨가하는 것이 바람직하며, 이를 벗어나면 고분자를 용해시킬 수 없는 문제가 있다.The amount of the organic solvent in the crystallization is not more important than the amount of the polymeric monomer functional group and water, but it is preferable to add a solvent amount of 100 to 1000 molar ratio based on the metal element of the metal precursor, have.

보다 구체적으로는 금속이 티타늄인 경우 메조다공성 티타늄 산화물을 제조하기 위한 반응물의 몰 조성비율은 Ti : [-CH(COOH)CH2-] : H2O : DMF = 1 : 0.1 ~ 0.5 : 1 ~ 20 : 100 ~ 300인 것이 바람직하다.More specifically, when the metal is titanium, the molar composition ratio of the reactants for producing the mesoporous titanium oxide is Ti: [-CH (COOH) CH 2 -]: H 2 O: DMF = 1: 0.1 to 0.5: 20: 100-300.

본 발명에 따라 제조되는 또 다른 구현예로서 메조다공성 금속 산화물은 나노시트 형태로도 제조될 수 있다.As another embodiment of the present invention, the mesoporous metal oxide may be prepared in the form of a nanosheet.

본 발명에 따른 메조다공성 금속 산화물의 제조방법에 의해 제조된 금속 산화물은 1 내지 2개의 메조기공과 1 내지 2개의 마이크로기공(50nm < 직경 < 1000nm)을 동시에 가지는 금속 산화물일 수 있지만 이에 한정하지는 않는다. The metal oxide produced by the process for preparing a mesoporous metal oxide according to the present invention may be a metal oxide having 1 to 2 mesopores and 1 to 2 micropores (50 nm <diameter <1000 nm), but the present invention is not limited thereto .

구체적으로는 단일 단위 격자 1개 내지 10개의 두께로 이루어지는 결정성 골격과 상기 결정성 골격의 조립에 의해 형성된 2 nm 내지 20 nm 의 메조기공을 포함하는 메조다공성 금속 산화물인 것을 특징으로 하며, 또한 BET 비표면적이 100 내지 800 m2/g, 메조기공부피가 0.1 내지 2.0 ml/g인 것을 특징으로 한다.Specifically, it is a mesoporous metal oxide containing a single unit lattice and a crystalline skeleton having a thickness of 1 to 10 and a mesopores of 2 nm to 20 nm formed by assembling the crystalline skeleton. A specific surface area of 100 to 800 m 2 / g, and a mesopore volume of 0.1 to 2.0 ml / g.

상기 금속 산화물을 이용하여 형성되는 나노시트는 상기 유기-무기 합성 겔의 몰 조성비에 따라 제어될 수 있다.The nanosheet formed using the metal oxide may be controlled according to the molar composition ratio of the organic-inorganic synthetic gel.

구체적으로는, 상기 유기-무기 합성 겔의 몰 조성은 물, 고분자 화합물 및 용매의 비율에 따라 또 다른 메조기공 골격을 가지는 금속 산화물 나노시트 형태로도 제조될 수 있다.  Specifically, the molar composition of the organic-inorganic synthetic gel may be in the form of a metal oxide nanosheet having another mesoporous skeleton depending on the ratio of water, a polymer compound and a solvent.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 금속 산화물 나노시트는 종래에 존재하지 않은 새로운 구조의 화합물로서 본 발명에서 처음으로 제조된 구조이다.The metal oxide nanosheet prepared by the production method of the present invention is a structure that is the first to be produced in the present invention as a novel structure compound which is not present in the prior art.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 금속 산화물 나노시트는 상기 유기-무기 합성겔의 제조단계에서의 반응물의 조성비가 금속전구체의 금속원소 기준으로 고분자 단위체 작용기 수 및 물의 몰비가 1 : 0.3 ~ 0.8 :10 ~ 30인 범위에서 제조할 수 있으며, 바람직하게는 금속전구체의 금속원소 : 고분자 단위체 작용기 수 : 물의 몰비가 1 : 0.3 ~ 0.5 : 10 ~ 20인 범위이다. 금속전구체의 금속 원소 기준으로 상기 고분자 단위체의 작용기의 몰비가 0.3 보다 작은 경우 나노시트가 아닌 다른 메조구조의 금속산화물이 생길 수 있는 문제가 있고, 0.8 보다 큰 경우는 고분자가 용해되지 않는 문제가 발생하며, 물의 양이 10 이하인 경우 결정화 과정이 일어나지 않고, 30보다 큰 경우는 나노시트가 아닌 다른 메조구조의 금속산화물이 생기는 문제가 있다.The metal oxide nanosheet produced by the production method of the present invention may have a composition ratio of the reactants in the production step of the organic-inorganic synthetic gel is in the range of 1: 0.3 to 0.8: The molar ratio of the metal element: polymeric monomer functional group: water of the metal precursor is preferably in the range of 1: 0.3 to 0.5: 10 to 20. When the mole ratio of the functional group of the polymer unit is less than 0.3 on the basis of the metal element of the metal precursor, there is a problem that a metal oxide having a meso structure other than the nanosheet may be formed. When the mole ratio is larger than 0.8, When the amount of water is less than 10, crystallization does not occur. When the amount of water is larger than 30, there is a problem that a metal oxide having a meso structure other than the nanosheet is formed.

본 발명에 따른 나노시트 결정화 시 유기 용매의 양은 상기 고분자 단위체 작용기 및 물의 양보다는 중요하지 않으나, 금속전구체의 금속 원소 기준으로 200 ~ 1000 몰비의 용매량을 첨가하는 것이 바람직하며 이를 벗어나면 고분자가 용해되지 않는 문제가 있다.The amount of the organic solvent in the nanosheet crystallization according to the present invention is not more important than the amount of the polymeric monomer functional group and water, but it is preferable to add a solvent amount of 200 to 1000 molar ratio based on the metal element of the metal precursor. There is a problem that does not exist.

구체적으로, 티타늄을 이용하여 수득된 티타늄 산화물 나노시트의 결정화시 반응물 몰 조성비율은 Ti : [-CH(COOH)CH2-] : H2O : DMF = 1 : 0.3 ~ 0.8 : 5 ~ 30 : 200 ~ 1000의 범위이다.Specifically, the molar composition ratio of the reactants in the crystallization of the titanium oxide nanosheets obtained using titanium is Ti: [-CH (COOH) CH 2 -]: H 2 O: DMF = 1: 0.3 to 0.8: Lt; / RTI &gt;

상기 제조방법에 따라 제조된 티타늄 산화물 나노시트는 도 2의 X-선 회절 결과에서 보는 바와 같이, 20° ≤2θ≤ 30°, 45° ≤2θ≤ 55, 60° ≤2θ≤ 65° 3개의 영역에서 회절피크가 보인다. 또한, FWHM(full width at half maximum) 이 25° ≤ FWHM ≤ 30°, 45° ≤ FWHM ≤ 50°, 60° ≤ FWHM ≤ 65°의 회절피크를 가지는 것을 확인하였다. 상기 각각의 회절 피크는 아나타아제 (anatase) 구조의 티타니아에서 보이는 (101), (200), (204) 의 회절각도와 일치한다. 또한, 1 nm 이하의 두께의 티타늄 산화물 나노시트가 불규칙적으로 조립된 구조를 가지며, 비표면적이 300 내지 800 m2/g 인 것이 특징으로 한다. As shown in the X-ray diffraction results of FIG. 2, the titanium oxide nanosheets prepared according to the above-described manufacturing method have 20 °?? 2? 30 °, 45 °? 2? 55, 60 °? 2? The diffraction peak appears. It was also confirmed that FWHM (full width at half maximum) had a diffraction peak of 25 ° ≤ FWHM ≤ 30 °, 45 ° ≤ FWHM ≤ 50 °, and 60 ° ≤ FWHM ≤ 65 °. Each of the diffraction peaks corresponds to the diffraction angles of (101), (200), and (204) shown in the titania of the anatase structure. In addition, the titanium oxide nanosheets having a thickness of 1 nm or less are irregularly assembled and have a specific surface area of 300 to 800 m 2 / g.

이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 이해를 돕기 위해 예시적으로 기재하는 것 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. These embodiments are provided for illustrative purposes only and are not intended to limit the present invention.

[실시예][Example]

본 발명에 따라 제조된 메조다공성 금속산화물의 BET은 물리흡착 및 화학흡착 현상을 이용하여 시료의 소재에 관계없이 분말 또는 괴상을 가지고 있는 비표면적을 측정하는 측정방법으로, 본 발명의 제조방법으로 제조된 메조다공성 금속산화물의 비표면적을 측정하였다. 상기 BET의 측정원리는 밀폐된 용기 내에서 다른 조건의 변화 없이 온도의 변화로 인하여 가스가 용기의 내부표면 또는 기타의 고체에 흡착 및 탈착될 경우 주어진 일정량의 가스 중 일부분자들이 흡착 또는 탈착된 것으로, 압력의 측정으로 흡착된 기체의 부피를 계산하여 시료의 비표면적을 측정할 수 있다. 상기 메조기공 크기 측정을 위해 Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 계산하였다. 또한, 상기 메조기공 부피의 측정을 위해서는 상대압력 0.95이하에서 흡착된 질소의 양을 사용하여 분석하였다. The BET of the mesoporous metal oxide prepared according to the present invention is a measurement method for measuring the specific surface area having powdery or massive form regardless of the material of the sample using physical adsorption and chemisorption phenomenon. The specific surface area of the mesoporous metal oxide was measured. The measurement principle of BET is that when a gas is adsorbed and desorbed on the inner surface of a container or other solid due to a change in temperature without changing other conditions in the closed container, some of the molecules in a given amount of gas are adsorbed or desorbed , The specific surface area of the sample can be measured by calculating the volume of the adsorbed gas by measuring the pressure. The mesopore size was calculated by the Kelvin equation-based BJH method (Barrett-Joyner-Halenda). In order to measure the mesopore volume, the amount of adsorbed nitrogen was analyzed at a relative pressure of 0.95 or less.

[실시예 1]. 티타늄 산화물 나노시트의 합성  [Example 1]. Synthesis of Titanium Oxide Nanosheet

티타늄 산화물 합성을 위해 고분자는 동종 중합체로 단위체는 아크릴산(acrylic acid)이다. 0.051g의 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA)과 티타늄 산화물 전구체인 티타늄 아이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 0.1g을 글러브 박스 내에서 10ml의 DMF(dimethylformamide)와 혼합하였다. 상기 혼합물에 물 0.075ml을 첨가한 후, 상온에서 9시간동안 교반한다. 합성 겔의 몰 조성은 다음과 같다. For the synthesis of titanium oxide, the polymer is a homopolymer and the unit is acrylic acid. 0.051 g of polyacrylic acid (PAA) and 0.1 g of titanium isopropoxide, a titanium oxide precursor, were mixed with 10 ml of dimethylformamide (DMF) in a glove box. 0.075 ml of water is added to the mixture, and the mixture is stirred at room temperature for 9 hours. The molar composition of the synthetic gel is as follows.

1 TiO2 : 0.5[-CH(COOH)CH2-] : 2O H2O : 600 DMF1 TiO 2 : 0.5 [-CH (COOH) CH 2 -]: 2 O H 2 O: 600 DMF

상기 최종 혼합물을 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 100℃에서 2일 보관한다. 이 후, 4000rpm에서 10분간 원심분리하고, 아세톤으로 세척하였다. 수득된 최종 생성물을 상온 진공오븐에서 건조 시킨 후, 공기를 흘려주면서 350℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 유기 고분자를 제거하여 티타늄 산화물 나노시트를 합성하였다. 합성된 티타늄 산화물 나노시트의 BET 비표면적을 측정하였으며, Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 메조기공 크기 측정하였다.The resulting mixture is placed in a stainless steel autoclave and stored at 100 ° C for 2 days. Thereafter, it was centrifuged at 4000 rpm for 10 minutes, and washed with acetone. The obtained final product was dried in a room-temperature vacuum oven, and then the organic polymer was removed by sintering at 350 ° C for 4 hours while flowing air, thereby synthesizing a titanium oxide nanosheet. The BET specific surface area of the synthesized titanium oxide nanosheets was measured, and the mesopore size was measured by the BJH method (Barrett-Joyner-Halenda) based on the Kelvin equation.

[실시예 2] 티타늄 산화물 나노시트의 합성 [Example 2] Synthesis of titanium oxide nanosheet

0.72g의 폴리(4-비닐페놀-코-메틸메타크릴레이트(poly(4-vinylphenol-co-methylmethacrylate))와 0.67ml의 티타늄클로라이드(titanium chloride)를 25ml의 DMF에 혼합하였다. 혼합된 혼합물에 0.33ml의 물을 첨가한 후, 3.4ml 의 반응촉진제로서 트리에틸아민(triethylamine)을 첨가한 후, 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 150℃에서 3.5일 보관하였다. 이 후 13,000rpm에서 15분간 원심분리하고, 아세톤으로 세척하였다. 수득된 생성물을 상온 진공오븐에서 건조 시킨 후, 공기를 흘려주면서 350℃에서 4시간동안 소성 과정을 통해 유기 고분자를 제거하여 티타늄 산화물 나노시트를 합성하였다. 합성된 티타늄 산화물 나노시트의 BET 비표면적을 측정하였으며, Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 메조기공 크기 측정하였다. 0.72 g of poly (4-vinylphenol-co-methylmethacrylate) and 0.67 ml of titanium chloride were mixed in 25 ml of DMF. To the mixed mixture After adding 0.33 ml of water, triethylamine was added as a reaction accelerator of 3.4 ml, and the mixture was placed in a stainless autoclave and stored at 150 ° C. for 3.5 days. The obtained product was dried in a vacuum oven at room temperature, and then the organic polymer was removed by sintering at 350 DEG C for 4 hours while flowing air, thereby synthesizing a titanium oxide nanosheet. The BET specific surface area of the titanium oxide nanosheets was measured and the mesopore size was measured by the BJH method based on Kelvin equation (Barrett-Joyner-Halenda).

도 1은 실시예 2에 따라 제조된 티타늄 산화물 나노시트의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, 티타늄 산화물이 나노시트형태의 메조다공성 구조로 이루어져있음을 확인할 수 있다.FIG. 1 is a transmission electron microscope (TEM) image of a titanium oxide nanosheet prepared according to Example 2, showing that titanium oxide is composed of a mesoporous structure in nanosheet form.

또한, 도 2은 실시예 2에 따라 제조된 티타늄 산화물 나노시트의 고각 X-선 회절 패턴을 통해 상기 물질이 결정성 아나타나제(antatase) 나노시트 골격 구조를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한 도 3의 질소 흡착 분석 결과로부터 상기 물질이 350m2/g 의 BET표면적과 0.6 ml/g의 총 기공 부피를 갖는다는 것을 보여준다.In addition, FIG. 2 shows that the material has a crystalline antarase nanosheet skeleton structure through the high-angle X-ray diffraction pattern of the titanium oxide nanosheet prepared according to Example 2. The nitrogen adsorption analysis results of FIG. 3 also show that the material has a BET surface area of 350 m 2 / g and a total pore volume of 0.6 ml / g.

[실시예 3] 메조다공성 티타늄 산화물의 합성.[Example 3] Synthesis of mesoporous titanium oxide.

0.025g의 carboxylic acid 관능기를 가진 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA)과 티타늄 산화물 전구체인 티타늄 0.3g의 아이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)를 글러브 박스 내에서 10ml의 DMF와 혼합하였다. 상기 혼합물에 0.075ml의 물을 첨가한 후, 상온에서 9시간동안 교반하였다. 합성된 겔의 몰 조성은 하기와 같다. Polyacrylic acid (PAA) having 0.025 g of carboxylic acid functional groups and 0.3 g of titanium isopropoxide, a titanium oxide precursor, were mixed with 10 ml of DMF in a glove box. 0.075 ml of water was added to the mixture, and the mixture was stirred at room temperature for 9 hours. The molar composition of the synthesized gel is as follows.

3 TiO2 : 1 [-CH(COOH)CH2-] : 20 H2O : 600 dimethylforamide 3 TiO 2 : 1 [-CH (COOH) CH 2 - ]: 20 H 2 O: 600 dimethylforamide

상기 혼합물을 스테인리스 오토클레이브에 넣은 후, 100℃에서 14시간 보관한 후, 4000rpm에서 10분간 원심분리하고, 아세톤으로 세척하였다. 수득된 최종 생성물을 상온 진공오븐에서 건조 시킨 후, 공기를 흘려주면서 350℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 유기 고분자을 제거하여 최종 메조다공성 티타늄 산화물을 합성하였다. 합성된 메조다공성 티타늄 산화물의 BET 비표면적을 측정하였으며, Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 메조기공 크기 측정하였다.The mixture was placed in a stainless steel autoclave, stored at 100 ° C for 14 hours, centrifuged at 4000rpm for 10 minutes, and washed with acetone. The resulting final product was dried in a room-temperature vacuum oven, and then the organic polymer was removed through calcination at 350 ° C for 4 hours while flowing air to synthesize the final mesoporous titanium oxide. The BET specific surface area of the synthesized mesoporous titanium oxide was measured and the mesopore size was measured by the BJH method (Barrett-Joyner-Halenda) based on the Kelvin equation.

[실시예 4] 메조다공성 티타늄 산화물 합성[Example 4] Synthesis of mesoporous titanium oxide

0.72g의 폴리(4-비닐페놀)과 1.98ml의 티타늄 클로라이드(titanium chloride)를 15ml의 DMF에 혼합한 후 상기 혼합물에 6.48ml의 물을 첨가하였다. 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 100℃에서 30시간 보관하였다. 이 후 13,000rpm에서 15분간 원심분리하고, 아세톤으로 세척하였다. 수득된 생성물을 상온 진공오븐에서 건조 시킨 후, 공기를 흘려주면서 350℃에서 4시간동안 소성 과정을 통해 유기 고분자를 제거하여 최종 메조다공성 티타늄 산화물을 합성하였다. 합성된 메조다공성 티타늄 산화물의 BET 비표면적을 측정하였으며, Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 메조기공 크기 측정하였다.0.72 g of poly (4-vinylphenol) and 1.98 ml of titanium chloride were mixed in 15 ml of DMF, and 6.48 ml of water was added to the mixture. Placed in a stainless steel autoclave, and stored at 100 DEG C for 30 hours. Thereafter, the mixture was centrifuged at 13,000 rpm for 15 minutes and washed with acetone. The resulting product was dried in a room-temperature vacuum oven, and then the organic polymer was removed through calcination at 350 ° C. for 4 hours while flowing air to synthesize the final mesoporous titanium oxide. The BET specific surface area of the synthesized mesoporous titanium oxide was measured and the mesopore size was measured by the BJH method (Barrett-Joyner-Halenda) based on the Kelvin equation.

그 결과, 도 4는 실시예 4에 따라 제조된 티타늄 산화물 나노 결정의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, 메조다공성 티타니아가 나노 스폰지 형태의 메조다공성 구조로 이루어져있음을 확인하였다. As a result, FIG. 4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the titanium oxide nanocrystals prepared according to Example 4, confirming that the mesoporous titania is composed of a mesoporous structure in the form of nano sponge.

또한, 도 5는 실시예 4에 따라 제조된 티타늄 산화물의 저각과 고각 X-선 회절 패턴을 통해 상기 물질이 결정성 아나타나제(antatase) 나노스폰지 골격 구조를 가짐을 확인할 수 있었다. FIG. 5 also shows that the material has a crystalline anti-nano-sponge skeleton structure through the low angle of the titanium oxide prepared according to Example 4 and the high angle X-ray diffraction pattern.

또한 도 6는 실시예 4에 따라 제조된 티타늄 산화물이 4nm의 균일한 메조기공을 가지고 있으며, 270m2/g 의 BET표면적과 0.3 ml/g의 총 기공 부피를 갖는다는 것을 확인하였다.Figure 6 also shows that the titanium oxide prepared according to Example 4 had a homogeneous mesopore of 4 nm and a BET surface area of 270 m 2 / g and a total pore volume of 0.3 ml / g.

[실시예 5] 메조다공성 틴 옥사이드(Tin Oxide) 합성[Example 5] Synthesis of mesoporous tin oxide (Tin Oxide)

0.72g의 폴리(4-비닐페놀-코-메틸메타크릴레이트)(poly(4-vinylphenol-co-methyl methacrylate)와 0.22ml의 틴클로라이드(Tin chloride)를 13ml의 DMF에 혼합하여 반응시켰다. 상기 혼합물에 0.099ml의 물을 첨가한 후, 이어서 1.02ml의 트리에틸아민(triethylamine)을 첨가하여 반응을 촉진시켰다. 최종 혼합물은 스테인리스 오토클레이브에 넣은 후, 150℃에서 1일간 보관한다. 이 후, 13,000rpm에서 15분간 원심분리하고, 아세톤으로 세척하였다. 수득된 최종 생성물을 상온 진공오븐에서 건조 시킨 후, 공기를 흘려주면서 350℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 유기 고분자을 제거하여 최종 메조다공성 틴 옥사이드를 합성하였다. 합성된 메조다공성 틴 옥사이드의 BET 비표면적을 측정하였으며, Kelvin equation 기반의 BJH 방법(Barrett-Joyner-Halenda)으로 메조기공 크기 측정하였다.0.72 g of poly (4-vinylphenol-co-methyl methacrylate) and 0.22 ml of Tin chloride were mixed and reacted in 13 ml of DMF. 0.099 ml of water was added to the mixture and then 1.02 ml of triethylamine was added to accelerate the reaction.The final mixture was placed in a stainless steel autoclave and then stored at 150 ° C. for 1 day, The resulting final product was dried in a room-temperature vacuum oven, and the organic polymer was removed by sintering at 350 DEG C for 4 hours while flowing air to remove the final mesoporous tin oxide The BET specific surface area of the synthesized mesoporous tin oxides was measured and meso pore size was measured using the Kelvin equation based BJH method (Barrett-Joyner-Halenda).

그 결과, 도 7은 실시예 5로부터 제조된 틴 옥사이드 나노 결정의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, 메조다공성 틴 옥사이드가 나노 스폰지 형태의 메조다공성 구조로 이루어져있음을 확인하였다. 또한, 도 8의 고각 X-선 회절 패턴을 통해 상기 물질이 결정성 커시터라이트(cassiterite)로 구성된 나노스폰지 골격 구조를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한 도 9의 질소 흡착 분석과 그에 따른 메조기공의 분포곡선 결과로부터 상기 물질이 4nm의 균일한 메조기공을 가지고 있으며, 220m2/g 의 BET표면적과 0.2 ml/g의 총 기공 부피를 갖는다는 것을 확인하였다.As a result, FIG. 7 shows transmission electron microscope (TEM) photographs of the tin oxide nanocrystals prepared in Example 5, confirming that the mesoporous tin oxide was composed of a mesoporous structure in the form of nano sponge. In addition, it was confirmed through the high-angle X-ray diffraction pattern of FIG. 8 that the material had a nano-sponge skeleton structure consisting of crystalline crystalline cassiterite. The nitrogen adsorption analysis of FIG. 9 and the resulting distribution curve of the mesopores shows that the material has a homogeneous mesopore of 4 nm and a BET surface area of 220 m 2 / g and a total pore volume of 0.2 ml / g Respectively.

[실시예 6] 메조다공성 지르코늄 산화물 합성 [Example 6] Synthesis of mesoporous zirconium oxide

0.72g의 폴리(4-비닐페놀-코-메틸메타크릴레이트(poly(4-vinylphenol-co-methyl methacrylate))와 0.71g의 지르코늄 클로라이드(Zirconim chloride)를 13ml의 DMF에 혼합하여 반응시켰다. 상기 혼합물에 0.164ml의 물을 첨가한 후, 이어서 1.7ml의 트리에틸아민(triethylamine)을 첨가하여 반응을 촉진시킨다. 최종 혼합물은 스테인리스 오토클레이브에 넣은 후, 150℃에서 2일간 보관한다. 이후, 13,000rpm에서 15분간 원심분리하고, 아세톤으로 세척하였다. 수득된 최종 생성물을 상온 진공오븐에서 건조 시킨 후, 공기를 흘려주면서 350℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 유기 고분자를 제거하여 최종 메조다공성 지르코늄 산화물을 합성하였다. 0.72 g of poly (4-vinylphenol-co-methyl methacrylate) and 0.71 g of zirconium chloride were mixed and reacted in 13 ml of DMF. To the mixture was added 0.164 ml of water and then 1.7 ml of triethylamine was added to accelerate the reaction. The final mixture was placed in a stainless steel autoclave and then stored at 150 ° C for 2 days. The resulting final product was dried in a room-temperature vacuum oven, and the organic polymer was removed by sintering at 350 ° C. for 4 hours while air was being flowed to obtain a final mesoporous zirconium oxide Were synthesized.

도 10은 실시예 6에 따라 제조된 지르코늄 산화물 나노 결정의 투과전자현미경(TEM) 사진으로, 메조다공성 지르코늄 산화물이 나노 스폰지 형태의 메조다공성 구조로 이루어져있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 11의 고각 X-선 회절 패턴을 통해 상기 물질이 결정성 모노클리닉(monoclinic) 구조로 구성된 나노스폰지 형태의 메조다공성 구조를 가짐을 확인하였다.10 is a transmission electron microscope (TEM) image of zirconium oxide nanocrystals prepared according to Example 6, confirming that the mesoporous zirconium oxide has a mesoporous structure in the form of nano sponge. Also, it was confirmed through the high-angle X-ray diffraction pattern of FIG. 11 that the material had a mesoporous structure in the form of a nano sponge composed of a crystalline monoclinic structure.

Claims (15)

a) 카르복실산기, 하이드록실기, 또는 페놀기의 관능기를 갖는 고분자 화합물과 금속산화물 전구체를 혼합하여 유기-무기 복합겔을 형성하는 단계;
b) 상기 유기-무기 복합겔을 결정화하여 결정성 유기-무기 복합겔을 제조하는 단계; 및
c) 상기 결정성 유기-무기 복합겔에서 유기물을 선택적으로 제거하는 단계;
를 포함하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
a) forming an organic-inorganic hybrid gel by mixing a polymer compound having a functional group of a carboxylic acid group, a hydroxyl group, or a phenol group and a metal oxide precursor;
b) crystallizing the organic-inorganic hybrid gel to prepare a crystalline organic-inorganic hybrid gel; And
c) selectively removing the organic material from the crystalline organic-inorganic hybrid gel;
&Lt; / RTI &gt;
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 고분자 화합물은 폴리아크릴계, 폴리 아크릴산 에스테르계, 폴리아크릴
아마이드계, 폴리페닐렌계, 폴리스틸렌계 또는 폴리바이닐계로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
The polymer compound may be a polyacrylic, polyacrylic ester, polyacrylic
An amide-based, polyphenylene-based, polystyrene-based, or polyvinyl-based one.
제 1항에 있어서,
상기 관능기를 갖는 고분자 화합물은 단위체들이 랜덤으로 구성되는 랜덤고분자인 것을 특징으로 하며, 상기 랜덤고분자는 상기 고분자 화합물의 고분자 사슬 중 하나의 블록영역 내에 단위체들이 랜덤으로 구성되는 블록형 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer compound having a functional group is a random polymer in which units are randomly formed, wherein the random polymer comprises a block-type polymer in which units are randomly formed in one block region of the polymer chains of the polymer compound &Lt; / RTI &gt; wherein the mesoporous metal oxide is a metal oxide.
제 1항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체의 금속원소는 4족 내지 12족 및 14족 원소에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal element of the metal oxide precursor is at least one selected from Group 4 to Group 12 elements and Group 14 element.
제 1항에 있어서,
상기 금속산화물 전구체는 메탈할라이드(metal halide), 메탈알콕사이드(metal alkoxide), 메탈아세틸아세테이트(metal acetylacetate), 메틸아세틸아세토네이트(metal acetyltonate) 및 금속염(metal salt)으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
The metal oxide precursor is at least one selected from the group consisting of metal halide, metal alkoxide, metal acetylacetate, metal acetyltate, and metal salt. (Method for producing mesoporous metal oxide).
제 1항에 있어서,
상기 a) 단계에서 비양자성 용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (a) further comprises a non-protonic solvent.
제 1항에 있어서,
상기 유기-무기 복합겔은 금속 산화물 전구체 : 고분자 단위체 : 물이 1 : 0.3 내지 0.8 : 10 내지 30의 몰비로 포함되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the organic-inorganic hybrid gel comprises a metal oxide precursor: polymer unit: water in a molar ratio of 1: 0.3 to 0.8: 10 to 30.
제 8항에 있어서,
상기 유기-무기 복합겔은 상기 금속 산화물 전구체의 함량을 기준으로 금속 산화물 전구체 : 비양자성 용매가 1 : 200 내지 1000의 몰 비로 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the organic-inorganic hybrid gel is further doped with a metal oxide precursor: non-protic solvent in a molar ratio of 1: 200 to 1000 based on the content of the metal oxide precursor.
제 1항에 있어서,
상기 유기-무기 복합겔의 결정화는 용매열합성(solvethermal synthesis), 건식-겔 합성(dry-gel synthesis) 또는 마이크로파 합성(microwave synthesis) 방법으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 이루어진 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the crystallization of the organic-inorganic hybrid gel is selected from solvent thermo-synthesis, dry-gel synthesis, or microwave synthesis. .
제 1항에 있어서,
상기 b) 단계에서 상기 결정화는 80 내지 200℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the crystallization is performed at 80 to 200 ° C in the step b).
제 1항 및 제 3항 내지 11항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되며, 단일 단위 격자 1개 내지 10개의 두께로 이루어지는 결정성 골격과 상기 결정성 골격의 조립에 의해 형성된 2 nm 내지 20 nm의 메조기공을 포함하는 메조다공성 금속 산화물.A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it comprises the steps of: forming a single unit cell lattice with a thickness of 1 to 10 and a crystal skeleton mesoporous metal oxide comprising mesopores of nm. 제 12항에 있어서, BET 비표면적이 100 내지 800 m2/g, 메조기공부피가 0.1 내지 2.0 ml/g 인 것을 특징으로 하는 메조다공성 금속 산화물.The mesoporous metal oxide according to claim 12, wherein the mesoporous metal oxide has a BET specific surface area of 100 to 800 m 2 / g and a mesopore volume of 0.1 to 2.0 ml / g. 삭제delete 삭제delete
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