KR101683774B1 - Porous Silica Spheres Having Various Pore Structural Tunability and Method of Preparing the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 기공 구조적 특성을 가지는 구형의 다공성 실리카 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 합성되는 실리카 시료의 메조기공도와 골격구조를 합성 조건에 따라 조절할 수 있으며, 첨가하는 알칸의 탄소 사슬 길이에 따른 실리카 콜로이드 서스펜션 내 용매와 상 분리 현상을 통해 메조다공성 실리카 구체 내에 추가적으로 기공 크기와 분포도가 조절 가능한 마크로 기공 형성되는 위계다공성 실리카를 제조할 수 있다.The present invention relates to a spherical porous silica having various pore structural characteristics and a method for producing the same. The mesoporous and skeletal structure of a synthesized silica sample can be controlled according to the synthesis conditions, By the phase separation with the solvent in the colloidal suspension, it is possible to produce the hierarchical porous silica in which the macropores are formed in the mesoporous silica spheres so as to further control the pore size and distribution.

Description

다양한 기공 구조적 특성을 가지는 구형의 다공성 실리카 및 이의 제조방법{Porous Silica Spheres Having Various Pore Structural Tunability and Method of Preparing the Same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to spherical porous silica having various pore structural characteristics, and to a method for producing the porous silica.

본 발명은 구형의 다공성 실리카 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초소형 실리카 콜로이드를 다공성 실리카를 이루는 기본 단위체로 합성하고, 상기 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션(suspension)에 에어로졸 공법을 접목하여 합성 조건에 따라 기공 구조적 특성을 조절할 수 있는 구형의 다공성 실리카 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a spherical porous silica and a process for producing the same, and more particularly, to a process for preparing a microporous silica colloid by synthesizing a micro silica colloid as a basic unit constituting porous silica, and applying an aerosol process to the micro silica colloidal suspension, The present invention relates to a spherical porous silica capable of controlling pore structural characteristics and a method for producing the same.

실리카(SiO2)는 규소(Si)의 이산화물로서, 지각을 이루는 원소 중에서 가장 많은 원소인 규소와 산소로 이루어져 있으며, 지구상에 여러 종류의 광물 형태로 존재하거나 여러 합성법을 통해 생산된다. 또한, 실리카는 물질 내부에 기공이 많은 다공성 물질로서, 흡착제, 약물 전달체, 기체 분리체, 촉매 지지체, 센서 등의 다양한 분야로 응용될 수 있으며, 이러한 분야에서 최적 및 최고의 성능을 도출하기 위해선 실리카의 기공도(porosity)를 조절하는 것이 기술적으로 매우 중요하다. 특히, 메조다공성(2nm < 기공 크기 < 50nm)의 기공 구조를 갖는 실리카는 마이크로다공성(기공 크기 < 2nm) 물질들과 비교해 볼 때 보다 빠른 물질 확산 속도(Knudsen diffusion)를 가지며 더욱 커다란 분자들을 기공에 저장하고 이를 응용하는 것이 가능하기 때문에 광범위하게 주목을 받아왔다.Silica (SiO 2 ) is a silicon dioxide (Si), which is composed of silicon and oxygen, which are the most elements of the crustal elements. They are present in various types of minerals on the earth or are produced by various synthetic methods. In addition, silica can be applied to various fields such as an adsorbent, a drug carrier, a gas separator, a catalyst support, and a sensor as a porous material having a lot of pores inside the material. In order to obtain optimum and best performance in this field, Controlling the porosity is technically very important. In particular, silica with a pore structure of mesoporosity (2 nm <pore size <50 nm) has a faster Knudsen diffusion than microporous (pore size <2 nm) materials, And has been attracting widespread attention because it is possible to store and apply it.

이러한 메조다공성 실리카를 합성하는 다양한 합성법 중 기공 구조를 제대로 조절할 수 있는 거대분자 주형법(supramolecular templating)이 1990년대 초반 미국의 모빌사에 의하여 개발되면서 가장 널리 응용되기 시작하였다(C.T. Kresge et al., Nature, 359: 710(1992)). 이 방법으로 합성된 MCM-41 계열 물질(M41S)들은 넓은 비표면적 넓이와 규칙적인 기공 배열 및 일정한 기공 크기 분포를 가진다.Among the various synthetic methods for synthesizing mesoporous silica, the supramolecular templating method, which can control the pore structure properly, has been most widely used since it was developed by Mobil Inc. in the early 1990s (CT Kresge et al. Nature , 359: 710 (1992)). MCM-41-based materials (M41S) synthesized by this method have wide specific surface area, regular pore arrangement, and uniform pore size distribution.

규칙적으로 배열된 이 물질들의 메조다공성 구조는 이온성 계면활성제를 주형(template)으로 하여 합성된다. 양쪽성 계면활성제는 물에 용해되어 친수성의 머리 부분은 바깥쪽 표면을 형성하고, 소수성의 꼬리 부분은 중심부로 자리하면서 마이셀(micelle) 형태의 거대분자를 이룬다. 그 후, 용액 내의 실리케이트 이온들은 계면활성제의 친수성 머리 부분인 마이셀의 바깥 부분에 위치하게 되고, 실리케이트 이온들끼리 중합되어 축합된 실리카 구조를 형성한다(J.S. Beck et al., Chem. Mater., 6:1816(1994)). 합성된 실리카-계면활성제 혼합물(composite)은 소성(calcination) 과정을 거쳐 균일한 메조 기공 분포도를 갖는 메조다공성 실리카가 형성되게 된다. 실리케이트와 마이셀의 혼합물의 크기와 모양 그리고 연결성은 계면활성제의 구조, 추가로 첨가되는 첨가물, 그리고 합성 온도에 따라 변화될 수 있으며, 이는 합성되는 메조다공성 실리카의 기공 구조를 조절할 수 있음을 의미한다.The mesoporous structure of these regularly ordered materials is synthesized using ionic surfactants as templates. Amphoteric surfactants dissolve in water to form a micelle-like macromolecule, with the hydrophilic head forming the outer surface and the hydrophobic tail being centered. Then, the silicate ions in the solution are located at the outer portion of the micelle which is the hydrophilic head portion of the surfactant, and the silicate ions are polymerized to form a condensed silica structure (JS Beck et al., Chem. Mater . 6 : 1816 (1994)). The synthesized silica-surfactant composite is subjected to a calcination process to form a mesoporous silica having a uniform mesopore distribution. The size, shape and connectivity of the mixture of silicate and micelle can vary depending on the structure of the surfactant, the additives to be added, and the synthesis temperature, which means that the pore structure of the synthesized mesoporous silica can be controlled.

미국등록특허 제6,027,706호 및 제6,054,111호에는 중성계열의 계면활성제(nonionic surfactants)인 양친성 블록 공중합체(amphiphilic block copolymers)를 이용하여 제조된 메조다공성 물질이 개시되어 있다.U.S. Patent Nos. 6,027,706 and 6,054,111 disclose mesoporous materials prepared using amphiphilic block copolymers, which are nonionic surfactants of the neutral series.

제올라이트의 경우는 일반적으로 무기 또는 유기 분자하나가 세공 구조를 유도하는 주형물질로 작용하는 반면, 메조다공성 물질은 단분자가 아닌 여러 개의 계면활성제 분자들이 집합된 마이셀(micelle) 구조가 세공을 유도한다.In the case of zeolite, in general, an inorganic or organic molecule acts as a template material to induce the pore structure, whereas a mesoporous material induces pores in a micelle structure in which a plurality of surfactant molecules are collected rather than a single molecule .

마이셀의 중심부에 위치하게 되는 계면활성제의 소수성 꼬리 부분의 탄소 사슬 길이를 작게는 12개에서 크게는 22개 사이로 조절하여 합성되는 메조다공성 실리카의 메조 기공 크기를 조절하기도 하였다(M. Kruk et al., J. Phys. Chem. B., 104:292(2000)). 또한 거대분자 주형법의 주형으로 작은 계면활성제에 비해 커다란 양쪽성의 블록 공중합체를 사용하여 메조 기공의 크기가 최대 30nm까지 조절이 가능하게 되었다(D. Zhao et al., Science, 279:548(1998)). 이러한 거대분자 주형법은 실리카뿐만 아니라 다른 금속 산화물과 금속 황화물 및 금속 인산염의 메조다공성 구조 형성에도 적용되어왔다.The mesopore size of the synthesized mesoporous silica was controlled by controlling the carbon chain length of the hydrophobic tail portion of the surfactant located at the center of the micelle from 12 to 22 (M. Kruk et al. , J. Phys. Chem. B. , 104: 292 (2000)). As a template for the macromolecular casting method, meso pore size can be adjusted up to 30 nm by using a large amphoteric block copolymer as compared to a small surfactant (D. Zhao et al., Science , 279: 548 )). These macromolecular casting processes have been applied not only to silica but also to the formation of mesoporous structures of other metal oxides, metal sulfides and metal phosphates.

비록 이러한 거대분자 주형법이 합성물이 물질의 골격 및 기공 구조의 변화가 용이하고, 균일한 배열의 메조기공을 생성 가능케 하지만, 주형으로 사용되는 계면활성제 및 블록 공중합체들이 실리카에 비해 매우 고가인 단점이 있다. 이들 유기 주형들은 고가의 물질이므로, 이를 사용하는 제조법은 합성물의 생산 비용을 비약적으로 증가시킨다. 또한 합성 용액 내에서 실리케이트와 유기 계면활성제 간의 적절한 상호 인력 작용을 발생시키기 위해 일반적으로 매우 강한 염기성 혹은 산성 조건에서 합성이 진행되어야 하며, 이로 인해 추가적으로 환경에 매우 해로운 합성 폐기물을 생산하게 된다. 따라서, 기존의 메조다공성 실리카 합성법이 가지고 있는 한계점들을 극복하고, 합성물이 실제 산업에서 사용될 수 있도록 경제적이며, 친환경적인 메조다공성 실리카의 새로운 합성법에 대한 필요성이 대두되고 있다.
Although such a macromolecular casting method allows a compound to easily change the skeleton and pore structure of a substance and to produce a uniform array of mesopores, the surfactants and block copolymers used as templates are very expensive . Because these organic templates are expensive materials, the manufacturing process using them dramatically increases the cost of producing the composite. In addition, in order to generate the proper mutual attraction between the silicate and the organic surfactant in the synthesis solution, the synthesis should proceed under generally very strong basic or acidic conditions, thereby producing synthetic waste which is further harmful to the environment. Therefore, there is a need for new synthetic methods for economical and environmentally friendly mesoporous silica, which overcome the limitations of conventional mesoporous silica synthesis methods and enable the compounds to be used in real industries.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 예의 노력한 결과, 1~200nm 직경의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션(suspension)을 합성하고, 상기 콜로이드 서스펜션에 에어로졸 공법을 접목하여 합성 조건에 따라 다양한 기공 구조적 특성을 가지는 구형 메조다공성 실리카를 제조할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
As a result of intensive efforts, the present inventors have found that a colloidal suspension of micro silica having a diameter of 1 to 200 nm is synthesized, and an aerosol process is applied to the colloidal suspension, It was confirmed that spherical mesoporous silica can be produced, and the present invention was completed.

본 발명의 목적은 기공 구조적 특성을 조절할 수 있는 구형의 다공성 실리카 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a spherical porous silica capable of controlling pore structural properties and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 기공 구조적 특성을 조절할 수 있는 구형의 다공성 실리카를 포함하는 흡착제, 촉매 지지체, 약물 전달체 또는 분리체를 제공하는 데 있다.
It is another object of the present invention to provide an adsorbent, catalyst support, drug carrier or separator comprising spherical porous silica capable of controlling pore structural properties.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 구형의 초소형 실리카 콜로이드 입자가 응집되어 구성된 구형의 다공성 실리카를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides spherical porous silica comprising spherical micro silica colloid particles aggregated.

본 발명은 또한, 다음 단계를 포함하는 구형의 다공성 실리카의 제조방법을 제공한다:The present invention also provides a method of making spherical porous silica comprising the steps of:

(a) 솔(sol)상의 1~200nm 직경의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 준비하는 단계; (a) preparing a micro silica colloidal suspension having a diameter of 1 to 200 nm on a sol;

(b) 상기 서스펜션을 분무가능한 에어로졸 방울(droplet)형태로 변환시켜 분무하는 단계; 및(b) converting said suspension into a sprayable aerosol droplet form and spraying; And

(c) 상기 분무된 에어로졸 방울을 에어로졸 반응기에서 열처리하여 메조다공성 실리카를 생성하는 단계.(c) heat treating the sprayed aerosol droplets in an aerosol reactor to produce mesoporous silica.

본 발명은 또한, 상기 구형의 다공성 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착제, 촉매 지지체, 약물 전달체 또는 분리체를 제공한다.
The present invention also provides an adsorbent, a catalyst support, a drug carrier or a separator, characterized in that they comprise the spherical porous silica.

본 발명에 따른 구형의 메조다공성 실리카는 크기별로 합성된 콜로이드 서스펜션을 합성 조건에 따라 메조기공도와 골격 구조가 다양한 기공 구조적 특성을 가질 수 있다. The spherical mesoporous silica according to the present invention may have various pore structure characteristics such as mesopores and skeletal structures depending on synthesis conditions of colloidal suspensions synthesized by size.

탄소 사슬 길이가 다른 알칸(alkane)들을 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션에 첨가함으로써, 마크로 기공이 추가적으로 형성된 위계다공성 실리카를 합성할 수 있으며 에어로졸 공법을 사용하므로, 메조다공성 실리카의 대량 생산이 가능하며, 합성된 메조다공성 및 위계다공성 실리카 구체 시료들은 흡착제, 촉매 지지체 및 약물 전달체로서 사용 가능할 뿐만 아니라 더욱 복합적인 나노구조 물질을 이루는 기본 단위체로서도 응용할 수 있다.
By adding alkanes having different carbon chain lengths to the micro silica colloidal suspension, it is possible to synthesize a hierarchical porous silica having macropores added thereto. Since the aerosol method is used, mass production of mesoporous silica is possible, Porous and Hierarchical Porous Silica Spherical Samples Not only can be used as adsorbents, catalyst supports and drug delivery materials, but also as basic monomers constituting more complex nanostructured materials.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른, 실리카 콜로이드 서스펜션을 합 성하는 방법인 스토버 합성법을 응용하여 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른, 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션 합성 조성 중 암모니아의 몰농도를 변화시켜 입자 크기가 서로 다르게 합성된 시료들에 동적 광산란 분석(Dynamic light scattering, DLS)을 적용하여 도출한 실리카 콜로이드의 입자 크기와 암모니아의 몰농도 간의 상관 관계를 나타낸 그래프이다
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른, 합성된 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 에어로졸 반응기의 초음파식 분무 장치 부분에 투입하여 에어로졸로 변환시킨 후, 이 에어로졸이 운반 기체와 같이 고온의 화로를 지나 메조다공성 및 위계다공성 실리카 구체 형태로 필터에 수득되는 합성 과정의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른, 실리카 콜로이드의 크기와 에어로졸 반응기의 온도에 따라 다양한 메조기공도 및 비표면적을 갖는 메조다공성 실리카 구체 시료들(Si-7.2(573), Si-15(573), Si-29(573), Si-7.2(773), Si-15(773) 및 Si-29(773))의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른, 실리카 콜로이드의 크기와 에어로졸 반응기의 온도에 따라 다양한 메조기공도 및 비표면적을 갖는 메조다공성 실리카 구체 시료들(Si-3.0(573), Si-29(573), Si-3.0(773) 및 Si-29(773))의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른, 실리카 콜로이드의 크기와 에어로졸 반응기의 온도에 따라 다양한 메조기공도 및 비표면적을 갖는 메조다공성 실리카 구체 시료들(Si-3.0(573), Si-7.2(573), Si-15(573), Si-29(573), Si-3.0(773), Si-7.2(773), Si-15(773) 및 Si-29(773))의 질소 물리 흡착 등온선(Nitrogen physisorption isotherm)의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른, 실리카 콜로이드의 크기와 에어로졸 반응기의 온도에 따라 다양한 메조기공도 및 비표면적을 갖는 메조다공성 실리카 구체 시료들(Si-3.0(573), Si-7.2(573), Si-15(573), Si-29(573), Si-3.0(773), Si-7.2(773), Si-15(773) 및 Si-29(773))의 메조기공 크기 분포도 비교 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른, 실리카 콜로이드의 크기와 에어로졸 반응기의 온도에 따라 다양한 메조기공도 및 비표면적을 갖는 메조다공성 실리카 구체 시료들(Si-3.0(573), Si-7.2(573), Si-15(573), Si-29(573), Si-3.0(773), Si-7.2(773), Si-15(773), Si-29(773))의 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller, BET) 비표면적과 메조기공 부피 값들의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른, 첨가제로 알칸 중 도데케인(dodecane)과 아이코세인(icosane)을 각각 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션에 투입한 후, 에어로졸 공법을 이용해 합성한 위계다공성 실리카 구체 시료들(hierSi(12), hierSi(20))의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른, 첨가제로 알칸 중 도데케인(dodecane)과 아이코세인(icosane)을 각각 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션에 투입한 후, 에어로졸 공법을 이용해 합성한 위계다공성 실리카 구체 시료들(hierSi(12), hierSi(20))의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예 3에 따른, 첨가제로 알칸 중 도데케인(dodecane)과 아이코세인(icosane)을 각각 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션에 투입한 후, 에어로졸 공법을 이용해 위계다공성 실리카 구체 시료들이 합성될 때, 에어로졸 반응기 내에서 에탄올과 각각의 알칸 간의 상 분리(phase separation)되는 메커니즘이 서로 달라, 각기 다른 마크로기공도가 형성되는 합성 과정의 모식도이다.
1 is a schematic diagram showing a process of synthesizing a micro silica colloidal suspension by applying a method of synthesizing a silica colloidal suspension according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results obtained by applying dynamic light scattering (DLS) to samples synthesized with different particle sizes by varying the molarity of ammonia in the synthesis composition of micro silica colloidal suspensions according to Example 1 of the present invention A graph showing the correlation between the particle size of one silica colloid and the molar concentration of ammonia
FIG. 3 is a graph showing the results obtained by converting the synthesized microcolumn silica colloidal suspension according to Example 1 of the present invention into an aerosol by injecting the synthesized silica colloidal suspension into an ultrasonic atomizer portion of an aerosol reactor and then passing the aerosol through a high temperature furnace, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; a &lt; / RTI &gt; hierarchical porous silica spheres.
Fig. 4 is a graph showing the results of measurement of mesoporous silica spherical samples (Si-7.2 (573), Si-15 (SiO2)) having various mesoporosity and specific surface area according to the size of silica colloid and the temperature of an aerosol reactor according to Example 2 of the present invention 573), Si-29 (573), Si-7.2 (773), Si-15 (773) and Si-29 (773).
5 is a graph showing the results of measurement of mesoporous silica spherical samples (Si-3.0 (573), Si-29 (573), and Si- 573), Si-3.0 (773) and Si-29 (773).
Fig. 6 is a graph showing the results of measurement of mesoporous silica spherical samples (Si-3.0 (573), Si-7.2 (573), and Si- Nitrogen physical adsorption isotherms of Si-15 (573), Si-15 (573), Si-29 (573), Si-3.0 (773), Si- (Nitrogen physisorption isotherm).
7 is a graph showing the results of measurement of mesoporous silica spherical samples (Si-3.0 (573), Si-7.2 (573), and Si- Mesopore size distribution of Si-15 (573), Si-15 (573), Si-29 (573), Si-3.0 (773), Si- FIG.
8 is a graph showing the results of measurement of mesoporous silica spherical samples (Si-3.0 (573), Si-7.2 (573), and Si- 573), Si-15 (573), Si-29 (573), Si-3.0 (773), Si-7.2 (773), Si- A graph of Brunauer-Emmett-Teller (BET) specific surface area and mesopore volume values.
FIG. 9 is a graph showing the results of measurement of the permeability and permeability of the heavily porous silica spherical samples synthesized by the aerosol method after injecting dodecane and icosane in an alkane as an additive into an ultra-small silica colloidal suspension, respectively, according to Example 3 of the present invention (SEM) image of hiSi (12), hiSi (20).
FIG. 10 is a graph showing the results of measurement of the permeability and permeability of hemi-porous silica spherical samples synthesized by aerosol method after putting dodecane and icosane in an alkane as an additive into an ultra-small silica colloidal suspension, respectively, according to Example 3 of the present invention (TEM) image of hiSi (12), hiSi (20).
Fig. 11 is a graph showing the results obtained by adding an alkane dodecane and icosane as an additive to an ultra-small silica colloidal suspension, respectively, according to Example 3 of the present invention, and then using the aerosol method to synthesize the hierarchical porous silica spherical samples , The mechanism of the phase separation between ethanol and each alkane in the aerosol reactor is different from each other and different macro-porosity is formed.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적인 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다. 동일 구성요소에 대한 중복된 설명은 중요하지 않은 경우에는 생략하였다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein and the experimental methods described below are well known and commonly used in the art. Duplicate descriptions of the same components are omitted if they are not important.

본 발명에서는 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성하고, 에어로졸 공법을 적용하여 합성조건에 따라 기공 구조적 특성을 조절할 수 있는 구형의 메조다공성 실리카를 제조하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.In the present invention, it has been confirmed that it is possible to produce a spherical mesoporous silica capable of controlling pore structural characteristics according to synthesis conditions by synthesizing a micro silica colloidal suspension and applying an aerosol method.

또한 실리카 콜로이드 서스펜션에 첨가제 알칸을 첨가함으로써 메조 기공도 및 마크로 기공도까지 조절할 수 있는 구형의 위계다공성 실리카를 제조하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.
It has also been found that it is possible to produce spherical, hierarchical porous silica which can control the mesoporosity and macroporosity by adding an additive alkane to the silica colloidal suspension.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 구형의 초소형 실리카 콜로이드 입자가 응집되어 구성된 구형의 다공성 실리카에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to spherical porous silica composed of aggregated spherical microcrystalline silica colloidal particles in one aspect.

상기 구형의 다공성 실리카는 메조다공성(mesoporous) 실리카 또는 위계다공성(hierarchial porous) 실리카일 수 있다.The spherical porous silica may be a mesoporous silica or a hierarchical porous silica.

상기 초소형 실리카 콜로이드 입자의 직경은 1~50nm일 수 있다.The diameter of the micro silica colloidal particles may be 1 to 50 nm.

메조다공성 실리카는, 직경이 2~50nm이고 부피가 0.1~2cm3/g인 메조기공을 포함하고, BET 비표면적이 100~1000m2/g 이며, 직경이 100nm~2㎛인 구형의 다공성 실리카일 수 있다.The mesoporous silica is a spherical porous silica having a mesopore having a diameter of 2 to 50 nm and a volume of 0.1 to 2 cm 3 / g, a BET specific surface area of 100 to 1000 m 2 / g and a diameter of 100 nm to 2 μm .

또한, 위계다공성 실리카는 직경이 2~50nm이고 부피가 0.1~2cm3/g인 메조기공을 포함하고, BET 비표면적이 100~1000m2/g 이며, 직경이 100nm~2㎛인 구형의 다공성 실리카에 50~300nm 크기의 마크로 기공들이 균일하게 분포되어 있는 구형의 다공성 실리카이거나 직경이 2~50nm이고 부피가 0.1~2cm3/g인 메조기공을 포함하고, BET 비표면적이 100~1000m2/g 이며, 직경이 100nm~2㎛인 구형의 다공성 실리카의 중심부에 200~1500nm 크기의 마크로 기공이 중공(hollow) 형태로 존재하는 구형의 다공성 실리카일 수 있다.
Also, the hierarchical porous silica is a spherical porous silica having mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and a volume of 0.1 to 2 cm 3 / g, a BET specific surface area of 100 to 1000 m 2 / g and a diameter of 100 nm to 2 μm Or mesopores having a diameter of from 2 to 50 nm and a volume of from 0.1 to 2 cm 3 / g and having a BET specific surface area of from 100 to 1000 m 2 / g And may be a spherical porous silica having macropores of 200 to 1500 nm in a hollow form at the center of a spherical porous silica having a diameter of 100 nm to 2 탆.

본 발명은 다른 관점에서 다음 단계를 포함하는 구형의 다공성 실리카의 제조방법에 관한 것이다:The present invention in another aspect relates to a process for preparing spherical porous silica comprising the steps of:

(a) 솔(sol)상의 1~200nm 직경의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 준비하는 단계; (b) 상기 서스펜션을 분무가능한 에어로졸 방울(droplet)형태로 변환시켜 분무하는 단계; 및 (c) 상기 분무된 에어로졸 방울을 에어로졸 반응기에서 열처리하여 메조다공성 실리카를 생성하는 단계.(a) preparing a micro silica colloidal suspension having a diameter of 1 to 200 nm on a sol; (b) converting said suspension into a sprayable aerosol droplet form and spraying; And (c) heat treating the sprayed aerosol droplets in an aerosol reactor to produce mesoporous silica.

구형의 다공성 실리카의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계 이후에 상기 서스펜션에 탄소수 6~25인 알칸을 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In the method of manufacturing spherical porous silica, the step (a) may further include adding an alkane having 6 to 25 carbon atoms to the suspension.

즉, 본 발명은 (a) 솔(sol)상의 1~200nm 크기의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 준비하는 단계; (b) 상기 서스펜션을 분무가능한 에어로졸 방울(droplet)형태로 변환시켜 분무하는 단계; 및 (c) 상기 분무된 에어로졸 방울을 에어로졸 반응기에서 열처리하여 메조다공성 실리카를 생성하는 단계를 포함하는 구형의 메조다공성 실리카의 제조방법에 관한 것이다.(A) preparing a micro silica colloidal suspension having a size of 1 to 200 nm on a sol; (b) converting said suspension into a sprayable aerosol droplet form and spraying; And (c) heat treating the sprayed aerosol droplets in an aerosol reactor to produce mesoporous silica.

본 발명은 또한 (a) 솔(sol)상의 1~200nm 크기의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 준비하는 단계; (b) 상기 서스펜션에 첨가제를 추가하고 분무가능한 에어로졸 방울(droplet)형태로 변환시켜 분무하는 단계; 및 (c) 상기 분무된 에어로졸 방울을 에어로졸 반응기에서 열처리하여 위계다공성 실리카를 생성하는 단계를 포함하는 구형의 위계다공성 실리카의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention also provides a method of preparing a microcolumn silica colloidal suspension comprising: (a) preparing a micro silica colloidal suspension having a size of 1 to 200 nm on a sol; (b) adding the additive to the suspension and converting it into a sprayable aerosol droplet form and spraying; And (c) heat treating the sprayed aerosol droplets in an aerosol reactor to produce a hierarchical porous silica.

본 발명에 따른 구형의 메조다공성 및 위계다공성 실리카를 제조하기 위한 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션은 (i) 교반 중인 아민계 물질과 용매의 혼합용액에 실리카 전구체를 드롭방식으로 첨가하고 추가로 교반하거나; (ii) 알칼리 실리케이트를 물에 용해시킨 후에 pH 7~10에서 중합을 수행함으로써 합성할 수 있다.The micro silica colloidal suspension for producing spherical mesoporous and hierarchical porous silica according to the present invention comprises (i) a silica precursor is added dropwise to a mixed solution of an amine compound and a solvent under agitation and further stirred; (ii) dissolving the alkali silicate in water and then carrying out the polymerization at pH 7 to 10.

본 발명에 따른 구형의 메조다공성 및 위계다공성 실리카를 제조하기 위한 초소형 실리카 서스펜션은 첫 번째 합성법으로 스토버 합성법(W. Stet al., J. Colloid Interface Sci., 26:62(1968))을 응용하여 합성할 수 있다. 테트라메틸오소실리케이트(tetramethylorthosilicate, TMOS), 테트라에틸오소실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS) 또는 트리메톡시메틸실란(trimethoxymethylsilane, TMOMS)등과 같은 알콕시실란의 실리카 전구체를 사용하여 암모니아, 아미노산, 디메틸아민 또는 디에틸아민 등의 아민계 물질을 촉매로 하여, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 알코올 용매를 사용하여, 소량 첨가되어 있는 물에 의해 실리카 전구체가 가수분해되고, 중합(polymerization), 핵형성(nucleation) 및 성장(growth) 과정을 통하여 콜로이드 실리카가 합성된다. 서스펜션의 교반은 100~1000rpm 속도의 교반기 또는 20~60khz의 진동수를 가지는 초음파 분무 장치를 사용하여 6~48시간동안 수행될 수 있으며. 합성되는 실리카 콜로이드의 크기는 실리카 전구체, 암모니아수의 농도 및 온도에 따라 영향을 받는다고 알려져 있다.The microsuspension silica suspension for producing spherical mesoporous and hierarchical porous silica according to the present invention can be obtained by applying the Stober synthetic method (W. Stet al., J. Colloid Interface Sci. , 26:62 (1968)) as the first synthetic method . A silica precursor of an alkoxysilane such as tetramethylorthosilicate (TMOS), tetraethylorthosilicate (TEOS) or trimethoxymethylsilane (TMOMS), etc. is used to react with ammonia, amino acid, dimethylamine or diethylamine And the alcohol precursor is hydrolyzed by a small amount of water using an alcohol solvent such as methanol, ethanol, propanol, butanol or the like, Colloidal silica is synthesized through a growth process. Stirring of the suspension can be carried out for 6 to 48 hours using a stirrer at a speed of 100 to 1000 rpm or an ultrasonic atomizer with a frequency of 20 to 60 kHz. The size of the synthesized silica colloid is known to be influenced by the concentration and temperature of the silica precursor and ammonia water.

두 번째 합성법으로는 루독스(Ludox)와 같이 물 용매에서 실리카 콜로이드를 합성하는 방법이 있다. 알칼리 실리케이트(주로 소듐 실리케이트(물유리))를 실리카 전구체로 하여 물에 녹인 뒤에 중합시 pH를 7~10 사이에서 조절하면 실리카 콜로이드가 합성된다. 소듐(sodium), 암모늄(ammonium)과 같은 안정화 양이온(stabilizing cation ion)이 용액 내에 존재하게 된다.
The second synthesis method involves the synthesis of silica colloids in water solvents such as Ludox. Silica colloid is synthesized by dissolving alkali silicate (mainly sodium silicate (water glass)) as a silica precursor in water and adjusting the pH to 7 ~ 10 during polymerization. Stabilizing cation ions such as sodium and ammonium are present in the solution.

초소형 실리카 콜로이드 서스펜션은 솔(sol)상태로서, 합성 종료 후 상온에서 콜로이드간의 축합은 발생하지 않으며 이에 에어로졸을 이용한 분무 방식을 이용하여 이차적인 다공성 구조로의 형성을 진행할 수 있다. 합성된 실리카 콜로이드들은 에어로졸 공법을 통해 합성될 메조다공성 실리카의 골격 두께와 관련이 있으므로, 실리카 콜로이드의 크기가 작을수록 골격 두께는 얇아질 수 있으며, 크기가 커질수록 골격 두께는 두꺼워질 수 있으므로, 이렇게 결정되는 골격 두께에 따라 합성물의 비표면적을 조절할 수 있다.The micro silica colloidal suspension is in the sol state. After the completion of the synthesis, condensation between the colloids does not occur at room temperature. Thus, formation of a secondary porous structure can be carried out by using an aerosol spraying method. Since the synthesized silica colloids are related to the skeleton thickness of the mesoporous silica to be synthesized by the aerosol method, the smaller the silica colloid size, the thinner the skeletal thickness, and the larger the size, the thicker the skeletal thickness. The specific surface area of the composite can be adjusted according to the determined skeleton thickness.

본 발명에 있어서, 상기 아민계 물질은 암모니아, 아미노산, 일차 아민, 이차 아민 및 삼차 아민 구조가 포함된 물질들로 구성된 군에서 선택되며, 바람직하게는 암모니아일 수 있다.In the present invention, the amine-based material is selected from the group consisting of ammonia, amino acid, primary amine, secondary amine, and tertiary amine structure, preferably ammonia.

본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 에탄디올, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올 또는 이소프로판올(isoproanol, IPA)로 구성된 군에서 선택되며, 바람직하게는 에탄올인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the solvent of step (a) may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, ethanediol, propanediol, butanediol, pentanediol, hexanediol or isoproanol And is preferably ethanol.

본 발명에 있어서, 상기 실리카 전구체는 알콕시실란, 아미노실란 및 알킬실란 및 아릴 실란을 포함하는 유기실란으로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 상기 알콕시실란으로는 테트라메틸오소실리케이트(tetramethylorthosilicate, TMOS), 테트라에틸오소실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS), 테트라프로필오소실리케이트(tetrapropylorthosilicate), 테트라부틸오소실리케이트(tetrabutylorthosilicate) 및 트리메톡시메틸실란(trimethoxymethylsilane, TMOMS)으로 구성된 군에서 선택되며, 테트라에틸오소실리케이트, 트리메톡시메틸실란(trimethoxymethylsilane, TMOMS)을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the silica precursor may be selected from the group consisting of an alkoxysilane, an aminosilane, and an organosilane containing an alkylsilane and an arylsilane. Examples of the alkoxysilane include tetramethylorthosilicate (TMOS), tetra Is selected from the group consisting of tetraethylorthosilicate (TEOS), tetrapropylorthosilicate, tetrabutylorthosilicate and trimethoxymethylsilane (TMOMS), tetraethylorthosilicate, tetramethylorthosilicate, tetramethylorthosilicate, It is preferable to use trimethoxymethylsilane (TMOMS).

상기 아미노실란은 디알킬아미노실란, 트리피페리디닐실란 등과 같은 트리알킬아미노실란, 테트라알킬아미노실란, 디아릴아미노실란, 트리아릴아미노실란, 테트라아릴아미노실란으로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 알킬실란 또는 아릴실란은 C1~C20 알킬실란 또는 C6~C20 아릴실란이 바람직하게 사용된다.
The aminosilane may be selected from the group consisting of dialkylaminosilane, trialkylaminosilane such as tripiperidinylsilane, tetraalkylaminosilane, diarylaminosilane, triarylaminosilane, tetraarylaminosilane, and alkyl Silane or arylsilane is preferably C 1 -C 20 alkylsilane or C 6 -C 20 arylsilane.

본 발명에 있어서, 상기 실리카 전구체:아민계 물질:물의 첨가량은 0.1~10:0.1~20:0.2~100(몰비)일 수 있으며, 바람직하게는 0.1~1:0.2~1:0.5~5일 수 있다.
In the present invention, the addition amount of the silica precursor: amine substance: water may be 0.1 to 10: 0.1 to 20: 0.2 to 100 (molar ratio), preferably 0.1 to 1: 0.2 to 1: 0.5 to 5 have.

본 발명에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션의 실리카 콜로이드의 크기는 1~50nm일 수 있다. 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성할 때, 실리카 입자의 크기는 암모니아수의 몰농도로 조절할 수 있다.In the present invention, the size of the silica colloid of the micro silica colloidal suspension may be 1 to 50 nm. When synthesizing a micro silica colloidal suspension, the size of the silica particles can be controlled by the molar concentration of ammonia water.

본 발명에 있어서, 상기 에어로졸 반응기의 온도는 333~1073K이며, 바람직하게는 373~773K일 수 있다.In the present invention, the temperature of the aerosol reactor is 333 to 1073 K, preferably 373 to 773 K.

본 발명에 있어서, 상기 열처리 시간은 5~60초로 수행할 수 있다.In the present invention, the heat treatment time may be 5 to 60 seconds.

본 발명에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드의 입자크기가 (1~50nm)에 따라 생성되는 메조 또는 위계다공성 실리카의 BET 비표면적(100~1000m2/g)이 조절될 수 있다. 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션 입자의 크기에 따라 메조다공성 실리카의 비표면적이 결정되므로, 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션 입자크기를 1~50nm의 범위인 것을 선택하여 사용함으로써 메조다공성 실리카의 비표면적을 100~1,000m2/g로 조절 가능하다.In the present invention, the BET specific surface area (100 to 1000 m 2 / g) of meso or hierarchical porous silica produced according to the particle size (1 to 50 nm) of the micro silica colloid can be controlled. Since the specific surface area of the mesoporous silica is determined depending on the size of the micro silica colloidal suspension particles, the specific surface area of the mesoporous silica is preferably 100 to 1,000 m &lt; 2 &gt; / minute by selecting the micro silica colloidal suspension having a particle size in the range of 1 to 50 nm. g.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 같은 온도의 에어로졸 반응기에서 합성이 진행될 때, 다공성 실리카 시료들의 BET 비표면적은 실리카 콜로이드의 크기가 29nm에서 3nm로 줄어듦에 따라 291m2/g에서 807m2/g으로 증가함을 확인하였다.
According to one embodiment of the invention, when the synthesis take place in an aerosol reactor, the same temperatures, BET specific surface area of porous silica sample is from 291m 2 / g according to shrink to 3nm in the size of the silica colloidal 29nm to 807m 2 / g Respectively.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 에어로졸 반응기의 온도(333~1073K)에 따라 생성되는 메조기공의 부피(0.1~2cm3/g) 및 크기(2~50nm)가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the volume (0.1 to 2 cm 3 / g) and the size (2 to 50 nm) of the mesopores produced according to the temperature (333 to 1073 K) of the aerosol reactor may be controlled.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 에어로졸 반응기의 화로 온도가 더 낮은 573K의 조건에서는 실리카 나노 입자들이 더 촘촘하고 밀집되어 있는 구조로 이루어진, 메조기공의 크기가 작은 메조다공성 실리카 구체가 합성되며, 더 높은 온도인 773K의 조건에서는 비교적 성기게 배열되어 있고, 실리카 나노 입자와 입자 사이에 공극이 더 크게 이루어진, 낮은 온도에서와 비교하여 메조기공의 크기가 큰 메조다공성 실리카 구체가 합성됨을 확인하였다.
According to an embodiment of the present invention, a mesoporous silica spheres having a mesopore size smaller than that of the silica nanoparticles in a dense and dense structure are synthesized under a condition of 573 K, at which the temperature of the aerosol reactor is lower, It was confirmed that mesoporous silica spheres with meso pore size were synthesized at relatively high temperature (773K) and mesoporous silica spheres were formed at a relatively low temperature.

본 발명에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드의 크기(1~50nm) 및 상기 에어로졸 반응기의 온도(333~1073K)에 따라 메조기공 크기(2~50nm) 및 부피(0.1~2cm3/g)가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, mesopore size (2 to 50 nm) and volume (0.1 to 2 cm 3 / g) are controlled according to the size (1 to 50 nm) of the micro silica colloid and the temperature of the aerosol reactor (333 to 1073 K) . &Lt; / RTI &gt;

본 발명의 일 실시예에 따르면, 같은 온도의 에어로졸 반응기에서 합성이 진행될 때, 실리카 콜로이드의 크기가 3.0~29nm로 커질수록 메조기공의 크기 또한 573K에서는 3.1~12nm까지 단계적으로 증가함을 확인하였고, 773K에서도 5.8~26nm까지 점차 증가함을 확인하였다. 그리고 에어로졸 반응기의 온도가 변하더라도 시료들의 BET 비표면적은 거의 영향을 받지 않았음을 확인하였고, 대신에 메조기공 부피는 에어로졸 반응기의 온도에 따라 서로 다른 범위의 부피(573K, 0.42-0.53cm3/g), (773K, 0.75~0.92cm3/g)를 가진다는 것을 확인하였다.According to one embodiment of the present invention, it was confirmed that as the size of the silica colloid increases from 3.0 to 29 nm, the mesopore size gradually increases from 3.1 to 12 nm at 573 K when synthesis proceeds in an aerosol reactor at the same temperature, 773K, it was confirmed that it gradually increased to 5.8 ~ 26nm. It was also found that the BET specific surface area of the samples was not influenced even when the temperature of the aerosol reactor was changed. Instead, the mesopore volume varied with the range of the volume of the aerosol reactor (573K, 0.42-0.53cm 3 / g), (773K, 0.75 to 0.92 cm 3 / g).

에어로졸 반응기 내부에서 합성을 진행하면서 에어로졸 내 액체의 응축 및 건조 속도를 조절할 수 있다. 이를 통해, 에어로졸 반응기 화로의 온도에 따라 달라지는 에어로졸의 응축 속도를 이용하여 합성되는 구형의 메조다공성 실리카의 메조기공도(mesoporosity)인 실리카 콜로이드와 콜로이드 사이에 형성되는 메조기공의 크기와 부피 등을 조절할 수 있다. 같은 온도의 에어로졸 반응기에서 합성이 진행될 때, 상기 실리카 콜로이드의 크기가 커질수록 메조 기공의 크기는 점차 증가할 수 있다. 이는 실리카 콜로이드의 크기가 커질수록 콜로이드 간에 형성되는 공극 또한 커진다는 점에 기인할 것이다. 또한 같은 크기의 실리카 콜로이드 서스펜션을 이용한 합성이 다른 에어로졸 반응기의 온도에서 진행될 시에는 온도가 높을 때, 메조 기공의 크기와 부피가 증가할 수 있다. 이는 실리카 콜로이드 서스펜션이 분무되어 형성된 에어로졸 방울 내의 액체 증발 속도가 높은 온도에서 더 빨라져 실리카 콜로이드 간에 공극이 더 큰 상태에서 응축이 종료되는 점에 기인할 것이다.As the synthesis proceeds in the aerosol reactor, the condensation and drying rate of the liquid in the aerosol can be controlled. The size and volume of the mesopores formed between the silica colloid, which is the mesoporosity of the spherical mesoporous silica synthesized by using the condensation rate of the aerosol depending on the temperature of the aerosol reactor, . When the synthesis proceeds in an aerosol reactor at the same temperature, the mesopore size may gradually increase as the size of the silica colloid increases. This is due to the fact that the larger the size of the silica colloid, the larger the voids formed between the colloids. Also, when the synthesis using the same size silica colloidal suspension proceeds at the temperature of the other aerosol reactor, the mesopore size and volume may increase when the temperature is high. This may be due to the fact that the evaporation rate of the liquid in the aerosol droplets formed by spraying the silica colloidal suspension is faster at higher temperatures and the condensation is terminated when the gap between the silica colloids is larger.

본 발명에 있어서, 상기 에어로졸 반응기의 운반 기체는 질소, 헬륨, 알곤, 산소 및 에어(air)로 구성된 군에서 선택되며, 운반 기체의 유속은 1~5L/min의 범위인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carrier gas of the aerosol reactor is selected from the group consisting of nitrogen, helium, argon, oxygen and air, and the flow rate of the carrier gas is in the range of 1 to 5 L / min.

본 발명에 있어서, 상기 첨가제의 첨가량은 실리카 콜로이드 서스펜션 100중량부에 대하여 0.1~10중량부가 첨가되는 것을 특징으로 한다.  In the present invention, the additive is added in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica colloidal suspension.

본 발명에 있어서, 상기 알칸은 탄소수가 6~25개, 즉 헥세인, 헵테인, 옥테인, 노네인, 데케인, 운데케인, 도데케인, 아이코세인, 헨이코세인, 도코세인, 트리코세인, 테트라코세인, 펜타코세인일 수 있다. 바람직하게는 도데케인 또는 아이코세인을 사용한다. In the present invention, the alkane preferably has 6 to 25 carbon atoms, such as hexane, heptane, octane, nonene, decane, undecane, dodecane, icocaine, henococaine, doocaine, Tetracosane, pentacosane. Preferably, dodecane or icocane is used.

탄소수가 6~14개인 알칸을 첨가할 경우 구형의 다공성 실리카 구조에 50~300nm 크기의 마크로 기공들이 균일하게 분포되어 있는 구형의 위계다공성 실리카를 제조할 수 있는 반면에, 탄소수가 18~25개인 알칸을 사용할 경우 구형의 다공성 실리카 구조의 중심부에 200~1500nm 크기의 마크로 기공이 중공(hollow) 형태로 존재하는 구형의 위계다공성 실리카를 제조할 수 있다.When an alkane having 6 to 14 carbon atoms is added, it is possible to produce spherical hexagonal porous silica having macropores of 50 to 300 nm size uniformly dispersed in a spherical porous silica structure, while alkane having 18 to 25 carbon atoms The spherical porous silica having a macro pore size of 200 to 1500 nm in a hollow form can be produced at the center of the spherical porous silica structure.

탄소수 12개의 도데케인(dodecane)으로 합성 시에는 많은 수의 작은 마크로 기공들이 균일하게 형성되고, 탄소수 20개의 아이코세인(icosane)의 경우에는 중공(hollow) 형태로 합성이 되며, 탄소수 16개의 헥사데케인(hexadecane)의 경우에는 상기 두 가지의 특징이 혼합된 형태로 합성된다.
In the synthesis of dodecane with 12 carbon atoms, many small macropores are uniformly formed. In the case of icosane having 20 carbon atoms, it is synthesized as a hollow form, and hexadecane having 16 carbon atoms In the case of hexadecane, the two features are synthesized in a mixed form.

본 발명의 탄소 사슬 길이가 짧은 알칸의 바람직한 실시예로서, 도데케인을 사용할 경우에는 에탄올과 상 분리가 늦은 순간부터 시작되고, 상 분리된 도데케인 간의 인력 및 축합 속도가 느리기 때문에 증발이 완료되는 순간까지 에어로졸 액체 방울의 여러 군데 존재해 있던 도데케인은 메조다공성 실리카 골격 구조에 다수의 크기가 작고 균일한 마크로 기공들을 형성한다. 이에 반해, 탄소 사슬 길이가 긴 알칸의 바람직한 실시예로서, 아이코세인을 사용할 경우, 탄소 사슬 길이가 비교적 길어 에탄올과 상 분리가 빠른 시점부터 시작되고, 상 분리된 아이코세인 간의 인력이 강해 에어로졸 액체 방울의 중심부로 모여 하나의 커다란 상을 이루기 때문에 메조다공성 실리카 중심에 커다란 마크로기공을 형성시켜 중공구체 형태로 합성된다.
As a preferred embodiment of the alkane having a short carbon chain length of the present invention, when dodecane is used, since the phase separation with ethanol starts late and the attracting and condensing rate between phase separated dodecane is slow, Dodecane, which was present in several places of aerosol droplets, formed small, uniform macropores in the mesoporous silica skeleton. On the other hand, as a preferred example of an alkane having a long carbon chain length, when icocaine is used, the carbon chain length is relatively long and starts from a point where phase separation with ethanol is early, And thus, a large macroscopic pore is formed at the center of the mesoporous silica to form a hollow spherical shape.

합성된 구형의 메조다공성 및 위계다공성 실리카 물질들은 합성 과정 중 조절할 수 있는 합성 조건들을 제어함에 따라 형성되는 시료의 골격 구조와 메조기공 그리고 마크로 기공까지 체계적이고 용이하게 변화시킬 수 있다. 특히, 합성되는 실리카의 기본 단위체로 사용되는 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션 합성 단계와 에어로졸 공법을 이용한 이차적인 다공성 구조로의 조립 단계를 분리함으로써, 기공구조적 특성 중 조절하고 싶은 특성만을 골라 조절하여 합성 결과물을 도출할 수 있다.
The synthesized spherical mesoporous and hierarchical porous silica materials can systematically and easily change the skeletal structure, mesopore, and macropore of the formed sample by controlling the synthesis conditions that can be controlled during the synthesis process. Particularly, by separating the micro silica colloidal suspension synthesis step used as the basic unit of silica to be synthesized and the assembly step to the secondary porous structure using the aerosol method, only the characteristics desired to be controlled among the pore structural properties can be adjusted and derived, can do.

본 발명은 또 다른 관점에서 상기 구형의 메조다공성 실리카 또는 구형의 위계다공성 실리카를 포함하여 제조되는 흡착제, 촉매 지지체, 약물 전달체 및 분리체에 관한 것이다.In another aspect, the present invention relates to an adsorbent, a catalyst support, a drug carrier, and a separator, which are produced by including the spherical mesoporous silica or the spherical porous silica.

합성된 구형의 메조다공성 및 위계다공성 실리카 물질들은 다양한 기공구조적 특성이 있으며, 원하는 기공구조들을 합성하는 것이 가능하므로 유해물질의 흡착제, 촉매 지지체, 약물 전달체 및 분리체로 사용가능하다.The synthesized spherical mesoporous and hierarchical porous silica materials have various pore structural characteristics and can synthesize desired pore structures, and thus can be used as an adsorbent for a harmful substance, a catalyst support, a drug delivery system and a separator.

합성된 구형의 메조다공성 및 위계다공성 실리카 물질들을 이용하여 흡착제로 유용하게 사용할 수 있는데, 특히 CO2 흡착제로 사용할 수 있다. 그 외의 다른 다양한 용도로의 사용은 종래의 메조다공성 실리카인 MCM-41과 SBA-15의 용도에 동일하게 적용될 수 있다.The synthesized spherical mesoporous and hierarchical porous silica materials can be usefully used as an adsorbent, especially as a CO 2 adsorbent. Other uses for various applications are equally applicable to the use of conventional mesoporous silica, MCM-41 and SBA-15.

[실시예][Example]

다음의 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 자명할 것이다. The present invention will be described in further detail with reference to the following examples. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션의 합성Example 1 Synthesis of Microsilica Colloidal Suspension

초소형 실리카 콜로이드 서스펜션은 스토버 합성법을 응용하여 합성하였다(도 1). 실리카 전구체로 TEOS(tetraethyl orthosilicate, 98%, Aldrich)를 사용하였으며, 암모니아수(28중량%, Junsei), 용매로는 에탄올(absolute for analysis, Merck)을 합성에 사용하였다. 반응물의 몰농도 비율을 표 1에 나타난 바와 같이 하여 3.0, 7.2, 15, 29nm 크기의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성하였다.The ultra-small silica colloidal suspension was synthesized by applying the Stokes synthetic method (Fig. 1). TEOS (tetraethyl orthosilicate, 98%, Aldrich) was used as a silica precursor. Ammonia water (28 wt%, Junsei) and ethanol (absolute for analysis, Merck) were used for the synthesis. The microcrystalline silica colloidal suspensions of 3.0, 7.2, 15, and 29 nm in size were prepared as shown in Table 1.

298K에서 1000cm3 용량의 폴리프로필렌 병에 에탄올 685.53g을 넣고, 암모니아수를 10.93g 첨가한 후, 400rpm의 일정한 속도로 5분간 교반하였다. 그 후, 교반 중인 용액에 TEOS를 18.75g을 천천히 드롭방식으로 넣어준 후, 추가적으로 12시간 동안 400rpm의 속도로 교반을 진행하여 3.0nm의 균일한 크기를 갖는 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성하였다.At 298 K, 685.53 g of ethanol was added to a 1000 cm 3 capacity polypropylene bottle, 10.93 g of ammonia water was added, and the mixture was stirred at a constant rate of 400 rpm for 5 minutes. Thereafter, 18.75 g of TEOS was slowly added dropwise to the stirred solution, followed by further stirring at 400 rpm for 12 hours to synthesize a silica colloidal suspension having a uniform size of 3.0 nm.

입자크기에 따른 반응물의 몰농도의 비율The ratio of molar concentration of reactants to particle size 입자크기(nm)Particle Size (nm) 몰 농도 비율          Molar concentration ratio TEOSTEOS NH3 NH 3 H2OH 2 O EtOH EtOH 3.0 3.0 0.10 0.10 0.20  0.20 0.49 0.49 16.53 16.53 7.2 7.2 0.10 0.10 0.30 0.30 0.73 0.73 16.42 16.42 15 15 0.10 0.10 0.40 0.40 0.97 0.97 16.30 16.30 29 29 0.10 0.10 0.50 0.50 1.21 1.21 16.19 16.19

다른 입자 크기의 실리카 콜로이드 서스펜션들의 전체 합성 과정은 상기 3.0nm 크기의 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성한 과정과 동일하게 하였다. 또한, 이보다 큰 크기를 갖는 실리카 콜로이드 서스펜션도 합성에 사용되는 물질들, 특히, 암모니아수의 몰 농도를 조절하여 콜로이드 크기를 조절하였으며, 동일한 합성 과정을 통해 합성하였다.The entire synthesis process of the silica colloidal suspensions having different particle sizes was the same as that of synthesizing the silica colloidal suspension having the size of 3.0 nm. In addition, silica colloidal suspensions having larger sizes were also prepared by controlling the molar concentration of the materials used in the synthesis, in particular, the ammonia water to adjust the colloid size and synthesizing the same.

합성한 초소형 실리카 콜로이드들의 입자 크기는 동적 광산란 분석법(DLS)을 이용하여 측정하였고, 도 2에 나타난 바와 같이, 용액 내의 암모니아 몰농도와 합성되는 실리카 콜로이드 입자 크기와의 상관 관계를 그래프로 나타내었다. 합성된 실리카 콜로이드의 크기는 암모니아의 몰농도가 증가할수록 증가함을 알 수 있으며, 그래프의 추세선을 2차식으로 나타내면 다음과 같다.The particle size of the synthesized microcrystalline silica colloids was measured using a dynamic light scattering analysis (DLS). As shown in FIG. 2, the correlation between the molar concentration of ammonia in the solution and the size of the synthesized silica colloid was graphically shown. It can be seen that the size of the synthesized silica colloid increases as the molar concentration of ammonia increases, and the trend line of the graph is represented by a quadratic equation as follows.

y = 267.86 x 2-126.57x + 20.05 (y = 실리카 콜로이드 크기, x = 암모니아 몰농도) y = 267.86 x 2 -126.57 x + 20.05 ( y = size of silica colloid, x = molar ammonia concentration)

위의 2차식이 측정값들과 얼마나 일치하는지 알 수 있는 결정 계수(coefficient of determination) R2의 값은 0.9795로 확인하였다. 이를 통해, 계산된 2차식을 활용하여 합성될 초소형 실리카 콜로이드의 크기를 예상 가능하며, 실리카 콜로이드의 크기를 체계적으로 변화시키며 합성할 수 있음을 확인하였다.
The value of the coefficient of determination R 2 , which can be used to determine how the above quadratic equation corresponds to the measured values, is 0.9795. It was confirmed that the size of the silica colloid to be synthesized could be predicted by using the calculated quadratic equation and that the silica colloid size could be systematically changed and synthesized.

실시예 2: 메조다공성 실리카 구체의 합성Example 2: Synthesis of mesoporous silica spheres

실시예 1에서 합성한 3.0, 7.2, 15, 29nm의 크기를 갖는 실리카 콜로이드 서스펜션을 각각 초음파식 분무기 통에 400cm3 배치(batch)를 투입하고, 분무장치를 이용하여 분무가 가능한 에어로졸 방울(droplet) 형태로 변환시켜 에어로졸 공법을 진행하였다(도 3).A silica colloidal suspension having a size of 3.0, 7.2, 15, and 29 nm synthesized in Example 1 was injected into each of a 400 cm 3 batch in an ultrasonic atomizer and sprayed in an aerosol droplet form And the aerosol process was carried out (FIG. 3).

초음파식 분무 장치 내부에 투입된 실리카 콜로이드 서스펜션은 시간당 200cm3으로 분무하였고, 에어로졸 반응기를 지나는 운반 기체로는 건조 질소를 사용하였다. 질소의 유속은 5,000cm3/min으로 일정하게 흐름을 유지시켰으며, 이는 에어로졸 방울들이 운반 기체와 함께 에어로졸 반응기의 화로를 11초에 통과하는 속도이다. 분무된 에어로졸은 각 조건별로 573K 또는 773K의 온도로 가열된 화로 내부의 쿼츠관(quartz tube)을 통과하며 건조되었으며, 합성되는 구형의 메조다공성 실리카는 에어로졸 반응기의 후단에 위치한 여과지에 포집하여 수득하였다.The silica colloidal suspension injected into the ultrasonic atomizer was sprayed at 200 cm 3 per hour and dry nitrogen was used as the carrier gas passing through the aerosol reactor. The flow rate of nitrogen was kept constant at 5,000 cm 3 / min, which is the rate at which the aerosol droplets pass the furnace of the aerosol reactor with the carrier gas in 11 seconds. The sprayed aerosol was dried by passing through a quartz tube in a furnace heated to a temperature of 573 K or 773 K under each condition and the synthesized spherical mesoporous silica was collected by collecting the filter paper located at the rear end of the aerosol reactor .

이렇게 합성된 메조다공성 실리카 구체 시료들은 실리카 콜로이드 서스펜션의 초소형 실리카 콜로이드 입자 크기와 에어로졸 반응기의 화로 온도에 따라 다음과 같은 규칙으로 명명하였다.The synthesized mesoporous silica spheres were named according to the size of the silica colloidal particles of the silica colloidal suspension and the temperature of the aerosol reactor.

(Si-n(m), n = 실리카 콜로이드의 입자 크기, m = 에어로졸 반응기의 화로 온도)(Si- n ( m ), n = particle size of silica colloid, m = temperature of furnace of aerosol reactor)

따라서 입자크기와 화로 온도에 따라 각각의 시료들을 Si-3.0(573), Si-7.2(573), Si-15(573), Si-29(573), Si-3.0(773), Si-7.2(773), Si-15(773), Si-29(773)으로 명명하였다.(573), Si-15 (573), Si-29 (573), Si-3.0 (773), and Si-7.2 (773), Si-15 (773) and Si-29 (773).

합성된 모든 메조다공성 실리카는 구의 형태로 이루어져 있으며, 합성된 실리카들은 300~800 nm 사이의 크기 분포를 나타내었다(표 2).All synthesized mesoporous silica was spherical in shape, and the synthesized silica showed a size distribution between 300 and 800 nm (Table 2).

합성된 실리카의 크기분포Size distribution of synthesized silica samplesample SBET
(m2/g)
S BET
(m 2 / g)
Vmicro
(cm3/g)
V micro
(cm &lt; 3 &gt; / g)
Vmeso
(cm3/g)
V meso
(cm &lt; 3 &gt; / g)
Vtotal
(cm3/g)
V total
(cm &lt; 3 &gt; / g)
Mesopore
size (nm)
Mesopore
size (nm)
Si-3.0(573)Si-3.0 (573) 807 807 0.010 0.010 0.52 0.52 0.53 0.53 3.1 3.1 Si-7.2(573)Si-7.2 (573) 676  676 0.010 0.010 0.49 0.49 0.50 0.50 3.8 3.8 Si-15(573)Si-15 (573) 456 456 0.013 0.013 0.44 0.44 0.45 0.45 5.8 5.8 Si-29(573)Si-29 (573) 322 322 0.014 0.014 0.41 0.41 0.42 0.42 12 12 Si-3.0(773)Si-3.0 (773) 802 802 0.010 0.010 0.87 0.87 0.88 0.88 5.8 5.8 Si-7.2(773)Si-7.2 (773) 646 646 0.011 0.011 0.91 0.91 0.92 0.92 9.1 9.1 Si-15(773)Si-15 (773) 458 458 0.017 0.017 0.85 0.85 0.87 0.87 16 16 Si-29(773)Si-29 (773) 291 291 0.017 0.017 0.73 0.73 0.75 0.75 26 26

또한 주사전자현미경 이미지를 통해, 각 시료마다 균일한 크기를 갖는 초소형의 실리카 콜로이드, 즉 나노 입자들이 기본 단위체로 작용하여 커다란 메조다공성 실리카 입자를 형성하는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 나노 입자들의 크기가 변하지 않고 콜로이드 서스펜션 상에서 동적 광산란 분석법을 통해 측정한 값과 일치함을 확인하였다(도 5). 또한, 도 5에 나타난 주사전자현미경 이미지로 같은 크기의 실리카 콜로이드 서스펜션에 각기 다른 에어로졸 반응기 화로 온도(573, 773K)를 적용하였을 때 기본 단위체로 작용하는 실리카 콜로이드 입자들 간의 밀집되는 정도가 다르게 합성 되는 것을 확인하였다. 에어로졸 반응기의 화로 온도가 더 낮은 573K의 조건에서는 실리카 나노 입자들이 더 촘촘하고 밀집되어 있는 구조로 이루어진 메조다공성 실리카 구체가 합성되며, 더 높은 온도인 773K의 조건에서는 비교적 성기게 배열되어 있고, 실리카 나노 입자와 입자 사이에 공극이 더 크고 많이 존재하는 메조다공성 실리카 구체가 합성됨을 확인하였다.In addition, it was confirmed by scanning electron microscope images that microscopic silica colloids, that is, nanoparticles having a uniform size for each sample, act as a basic unit to form large mesoporous silica particles, And consistent with the values measured by dynamic light scattering analysis on a colloidal suspension (FIG. 5). In addition, when the temperature (573, 773K) was applied to the silica colloidal suspensions of the same size by different aerosol reactors in the scanning electron microscope image shown in FIG. 5, the density of silica colloid particles acting as the basic monomers was differently synthesized Respectively. The mesoporous silica spheres with the denser and dense structure of the silica nanoparticles are synthesized under the condition of the lower temperature of the aerosol reactor at 573 K. The silica nanospheres are relatively cemented at the higher temperature of 773 K, It was confirmed that the mesoporous silica spheres having larger and larger voids between the particles and the particles were synthesized.

또한, 이러한 사실을 확인하기 위해 투과전자현미경 이미지 분석도 수행하였다(도 6). 에어로졸 공법을 이용하여 초소형 실리카 콜로이드 입자들을 조립할 경우, 합성되는 실리카 구체의 골격 두께는 사용되는 콜로이드 입자들의 크기에 기인한다. 여기서 말하는 골격은 구형의 다공성 실리카 물질의 형태를 이루는 것으로, 실리카 콜로이드 입자가 그 골격을 이루고 있다. 실라카 콜로이드 입자들이 건조응축되어 다공성 실리카 구체를 형성하는데 이 구체의 골격을 이루는 기본 단위체가 실리카 콜로이드 입자들이다. 따라서 구체의 골격 두께는 실리카 콜로이드 입자의 크기와 동일하다고 할 수 있다.Transmission electron microscopy image analysis was also performed to confirm this fact (Fig. 6). When assembling the micro silica colloidal particles using the aerosol method, the skeleton thickness of the synthesized silica spheres is due to the size of the colloidal particles used. The skeleton referred to herein is a spherical porous silica material, and the silica colloid particles form the skeleton thereof. Silica colloidal particles are dried and condensed to form porous silica spheres. The basic unit that forms the framework of this spherical silica colloidal particles is silica colloidal particles. Therefore, it can be said that the skeleton thickness of the spheres is the same as the size of the silica colloid particles.

그런데 같은 실리카 콜로이드 서스펜션을 사용하여 합성된 실리카 구체 시료들 중에서 더 높은 에어로졸 반응기 온도인 773 K에서 합성된 시료들의 투과전자현미경 이미지에서 구체 내부에 빈 공간으로 확인되는 밝은 부분(domain)들이 더 많이 존재함을 확인하였다. 이를 통해, 에어로졸 공법에 적용되는 온도에 따라 기공도가 서로 다른 시료들이 합성될 수 있음을 확인하였다.However, among the silica spheres synthesized using the same silica colloidal suspension, the transmission electron microscope images of samples synthesized at the higher aerosol reactor temperature of 773 K show that there are more bright domains identified as voids inside the spheres Respectively. It was confirmed that samples with different porosity can be synthesized according to the temperature applied to the aerosol method.

합성된 메조다공성 실리카 구체 시료들의 정확한 기공 구조 분석을 위해 질소 흡탈착 분석을 수행하였다(도 7). 모든 시료들은 메조다공성 물질들이 나타내는 type IV isotherm의 형태를 따름을 확인하였고, t-plot 분석을 통해 마이크로 기공이 거의 존재하지 않는 것을 확인하였다(도 4). 그리고 시료들의 메조기공 분포도를 분석하기 위해 BJH 공식을 적용하여 계산된 분포도를 분석하였다(도 8). 같은 온도의 에어로졸 반응기에서 합성이 진행될 때, 실리카 콜로이드의 크기가 3.0~29nm로 커질수록 메조기공의 크기 또한 573K에서는 3.1~12nm까지 단계적으로 증가함을 확인하였고, 773K에서도 5.8~26nm까지 점차 증가함을 확인하였다. Nitrogen adsorption / desorption analysis was performed to analyze the precise pore structure of synthesized mesoporous silica spheres (FIG. 7). All the samples were confirmed to follow the type IV isotherm of the mesoporous materials, and it was confirmed by t- plot analysis that micro-pores were almost absent (FIG. 4). In order to analyze the mesopore distribution of the samples, the calculated distribution was analyzed by applying the BJH formula (FIG. 8). As the silica colloid size increased from 3.0 to 29 nm, the mesopore size increased gradually from 3.1 to 12 nm at 573 K, and gradually increased from 5.8 to 26 nm at 773 K. Respectively.

따라서, 본 발명에서의 제조 방법으로 더 높은 온도에서 메조다공성 실리카 구체를 합성할 경우, 메조 기공이 더욱 크고, 실리카 콜로이드 입자 크기의 변화가 메조 기공의 크기 변화에 더욱 영향을 많이 미칠 수 있음을 확인하였고, 합성 조건에 따라 체계적으로 메조기공도를 조절할 수 있음을 확인하였다.Therefore, when the mesoporous silica spheres are synthesized at a higher temperature by the production method of the present invention, it is confirmed that the mesopores are larger and the change of the size of silica colloid particles may have a greater influence on the change of mesopore size And it was confirmed that the mesoporosity can be controlled systematically according to the synthesis conditions.

본 발명에서 합성되는 메조다공성 실리카 시료들(Si-n(m))의 합성 조건에 따라 변화하는 BET 비표면적과 메조기공 부피는 도 9에 나타낸 바와 같이, 시료들의 BET 비표면적은 실리카 콜로이드의 크기가 29nm 에서 3.0nm로 줄어듦에 따라 291m2/g에서 807m2/g으로 증가함을 확인하였다. 이는 상기 언급한대로, 메조다공성 실리카 시료들의 골격 두께는 사용되는 실리카 콜로이드의 크기가 작아질수록 얇아지기 때문에 BET 비표면적은 이에 따라 넓어진다고 판단하였다. 또한, 에어로졸 반응기의 온도가 변하더라도 시료들의 BET 비표면적은 거의 영향을 받지 않았음을 확인하였고, 이를 통해, 기본 단위체로서 작용하는 실리카 콜로이드 간의 숙성(ripening)은 존재하지 않았음을 확인하였다. 그 대신에 메조기공 부피는 에어로졸 반응기의 온도에 따라 서로 다른 범위의 부피(573K, 0.42-0.53cm3/g), (773K, 0.75~0.92cm3/g)를 가진다는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 9, the BET specific surface area and the mesopore volume of the mesoporous silica samples (Si- n ( m )) synthesized in the present invention vary depending on the synthesis conditions, Was increased from 291 m 2 / g to 807 m 2 / g with decreasing from 29 nm to 3.0 nm. As described above, it was determined that the skeleton thickness of the mesoporous silica samples became thinner as the size of the silica colloid used became smaller, so that the BET specific surface area widened accordingly. In addition, it was confirmed that the BET specific surface area of the samples was hardly affected even when the temperature of the aerosol reactor was changed. As a result, it was confirmed that there was no ripening between the silica colloids acting as the basic unit. Instead meso pore volume was found to have the volume of each of the other range (573K, 0.42-0.53cm 3 / g) , (773K, 0.75 ~ 0.92cm 3 / g) with the temperature of the aerosol in the reactor.

상기 결과들을 조합하여 합성에 사용되는 초소형 실리카 콜로이드의 입자 크기와 에어로졸 반응기의 화로 온도를 조절함으로써, 합성되는 메조다공성 실리카 구체의 골격 두께 및 기공구조적 특성을 체계적으로 조절할 수 있음을 확인하였다.
By combining the above results, it was confirmed that the skeletal thickness and the pore structural characteristics of the synthesized mesoporous silica spheres can be systematically controlled by adjusting the particle size of the micro silica colloid used in the synthesis and the temperature of the aerosol reactor.

실시예 3: 위계다공성의 기공 구조를 갖는 실리카 구체의 합성Example 3 Synthesis of Silica Spheres Having Hierarchical Porous Pore Structure

실시예 1에서 합성한 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션 중 7.2nm 크기의 실리카 콜로이드 서스펜션 200cm3에 알칸 중 탄소 사슬 길이가 12개인 도데케인(dodecane, TCI)을 1.64cm3(0.80중량%)만큼 투입하였으며, 상온(298K)에서 3시간 동안 교반하여 균일 용액(homogeneous solution) 상태로 만든 후, 에어로졸 분무기에 투입하였다. 에어로졸 공법에서의 운반 기체로는 건조 질소를 동일한 유속(5,000cm3/min)으로 사용하였으며, 반응기의 화로 온도 573K에서 합성하였다. 또한 첨가물로써, 도데케인뿐만 아니라 아이코세인(icosane, Aldrich)도 동량을 사용하여 상기 합성 과정과 동일하게 합성하였다. 이렇게 합성된 실리카 구체 시료들은 여과지에 포집하였으며, 수득한 물질은 첨가한 파라핀의 탄소 사슬 길이에 따라 hierSi(12), hierSi(20)으로 명명하였다.1.64 cm 3 (0.80 wt%) of dodecane (TCI) having a carbon chain length of 12 in an alkane was added to 200 cm 3 of a silica colloidal suspension having a size of 7.2 nm in the micro silica-based colloid suspension synthesized in Example 1, (298K) for 3 hours to prepare a homogeneous solution, which was then introduced into an aerosol sprayer. As the carrier gas in the aerosol method, dry nitrogen was used at the same flow rate (5,000 cm 3 / min) and synthesized at a temperature of 573 K in the reactor. As an additive, not only dodecane but also icosane (Aldrich) was synthesized in the same manner as in the above synthesis process using the same amount. The silica spheres thus synthesized were collected on a filter paper. The obtained material was named hierSi (12) and hierSi (20) according to the carbon chain length of the added paraffin.

합성된 위계다공성 실리카 구체 시료들의 주사전자현미경 이미지는 도 10에 나타난 바와 같이, 도데케인이 첨가되어 합성된 hierSi(12)의 경우, 다수의 마크로 기공(50nm < 기공 크기 < 200nm)들이 메조다공성 실리카 골격 구조에 존재하는 형태로 합성되었음을 확인하였다. 이와는 대조적으로, 아이코세인이 첨가된 hierSi(20)의 경우, 메조다공성 실리카 골격 중심부에 커다란 마크로 기공(200nm < 기공 크기)이 존재하는 형태로 합성되었음을 확인하였다. 이러한 결과는 도 10의 투과전자현미경 이미지를 통해서도 확인하였다.
As shown in FIG. 10, in the case of hierSi (12) synthesized by adding dodecane, a plurality of macropores (50 nm <pore size <200 nm) were synthesized from mesoporous silica Were synthesized in the form existing in skeletal structure. In contrast, in the case of hierSi (20) with icosane, it was confirmed that a large macropore (200 nm < pore size) was present in the mesoporous silica skeleton. These results were also confirmed by the transmission electron microscope image of FIG.

위계적인 기공 구조를 갖는 실리카 구체 시료들의 형성 메커니즘은 도 11에 나타낸 바와 같이, 합성 과정 중 에어로졸 내부의 액체 증발에 의한 알칸과 에탄올의 상 분리 현상으로 판단한다. 탄소 사슬 길이가 비교적 짧은 도데케인은 에탄올과 상 분리가 늦은 순간부터 시작되고, 상 분리된 도데케인 간의 인력 및 축합 속도가 느리기 때문에 증발이 완료되는 순간까지 에어로졸 액체 방울의 여러 군데 존재해 있던 도데케인은 메조다공성 실리카 골격 구조에 다수의 크기가 작고 균일한 마크로 기공들을 형성시키는 것으로 파악하였다. 그에 반해, 아이코세인은 탄소 사슬 길이가 비교적 길어 에탄올과 상 분리가 빠른 시점부터 시작되고, 상 분리된 아이코세인 간의 인력이 강해 에어로졸 액체 방울의 중심부로 모여 하나의 커다란 상을 이루기 때문에 메조다공성 실리카 중심에 커다란 마크로기공을 형성시켜 중공구체 형태로 합성되는 것으로 확인하였다.The formation mechanism of the silica spheres having the hierarchical pore structure is judged as phase separation of alkane and ethanol by liquid evaporation in the aerosol during the synthesis process as shown in FIG. Dodecane, which is relatively short in carbon chain length, starts from the moment when the phase separation with ethanol is late, and because the attracting and condensing rate between the phase separated dodecane is slow, until the evaporation is completed, Were found to form small and uniform macropores in the mesoporous silica skeleton. On the other hand, the icocaine starts from the point where the carbon chain length is relatively long and phase separation with ethanol is early, and the attracting force between the phase-separated icocins is strong and forms a large phase at the center of the aerosol droplet, And it was confirmed that it was synthesized as hollow spheres.

본 발명에서 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션을 합성할 때에는 실리카 콜로이드의 입자크기가 암모니아수의 몰농도가 높을수록 증가하여, 입자크기 조절이 가능했으며, 메조다공성 실리카 구체를 합성할 때에는 화로온도가 573K에서는 나노입자들이 더 촘촘하고 밀집되어 있는 구조로, 773K에서는 비교적 성긴 배열로, 구조적 특성을 조절할 수 있음을 확인하였다. 또한 위계 다공성 기공 구조를 갖는 실리카 구체를 합성할 때에는 합성 과정 중 도데케인이 첨가될 경우에 마크로 기공 존재하며, 아이코세인이 첨가될 경우에는 더 큰 마크로기공이 실리카 골격중심부에 존재함을 확인하였다. In the present invention, when the microcrystalline silica colloidal suspension was synthesized, the particle size of the silica colloid increased as the molar concentration of ammonia water increased, and the particle size could be controlled. When the mesoporous silica spheres were synthesized, It is confirmed that the structure can be controlled by the denser and denser structure, and the comparative sparse arrangement at 773K. In the synthesis of silica spheres with a hierarchical porous structure, macropores were observed when dodecane was added during synthesis, and macropores were found at the center of silica skeleton when icocane was added.

따라서 본 발명의 결과를 통해 알칸 첨가제의 종류에 따라 메조기공뿐 아니라 마크로 기공의 크기와 분포까지 조절할 수 있음을 확인하였다.
Therefore, it has been confirmed through the results of the present invention that the size and distribution of macropores as well as mesopores can be controlled depending on the type of alkane additive.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereto will be. Accordingly, the actual scope of the invention will be defined by the claims and their equivalents.

Claims (22)

구형의 초소형 실리카 콜로이드 입자가 응집되어 구성되며, 직경이 2~50nm인 메조기공을 포함하고, 50~300nm 크기의 마크로 기공들이 분포되어 있는 위계다공성 실리카인 것을 특징으로 하는 구형의 다공성 실리카.
Wherein the spherical porous silica is composed of agglomerated spherical microcrystalline silica colloidal particles and mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and macrocellular pores having a size of 50 to 300 nm are distributed.
구형의 초소형 실리카 콜로이드 입자가 응집되어 구성되며, 직경이 2~50nm인 메조기공을 포함하고, 구형의 다공성 실리카의 중심부에 200~1500nm 크기의 마크로 기공 중공(hollow) 형태로 존재하는 구형의 다공성 실리카.
A spherical porous silica having mesopores having a diameter of 2 to 50 nm and being present in the form of a macropore hollow having a size of 200 to 1500 nm at the center of the spherical porous silica, .
제1항 또는 제2항에 있어서,
직경이 2~50nm이고 부피가 0.1~2cm3/g인 메조기공을 포함하고, BET 비표면적이 100~1000m2/g 이며, 직경이 100nm~2㎛인 구형의 다공성 실리카.
3. The method according to claim 1 or 2,
A spherical porous silica having a mesopore having a diameter of 2 to 50 nm and a volume of 0.1 to 2 cm 3 / g, a BET specific surface area of 100 to 1000 m 2 / g, and a diameter of 100 nm to 2 μm.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드 입자의 직경은 1~50nm인 구형의 다공성 실리카.
The spherical porous silica according to claim 1 or 2, wherein the micro silica colloidal particles have a diameter of 1 to 50 nm.
제1항에 있어서, 구형의 다공성 실리카의 중심부에 200~1500nm 크기의 마크로 기공 중공(hollow) 형태로 존재하는 구형의 다공성 실리카.
The spherical porous silica according to claim 1, wherein the spherical porous silica is present in a macro pore hollow shape having a size of 200 to 1500 nm at the center of the spherical porous silica.
다음 단계를 포함하는 구형의 다공성 실리카의 제조방법.
(a) 솔(sol)상의 1~200nm 직경의 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션에 탄소수 6~25인 알칸을 첨가하는 단계;
(b) 상기 알칸이 첨가된 서스펜션을 분무가능한 에어로졸 방울(droplet)형태로 변환시켜 분무하는 단계; 및
(c) 상기 분무된 에어로졸 방울을 에어로졸 반응기에서 열처리하여 메조다공성 실리카를 생성하는 단계.
A method of making spherical porous silica comprising the steps of:
(a) adding an alkane having 6 to 25 carbon atoms to an ultra-small silica colloidal suspension having a diameter of 1 to 200 nm on a sol;
(b) converting the alkane-added suspension into a sprayable aerosol droplet form and spraying; And
(c) heat treating the sprayed aerosol droplets in an aerosol reactor to produce mesoporous silica.
삭제delete 제6항에 있어서, (a) 단계는 교반 중인 아민계 물질과 용매의 혼합용액에 실리카 전구체를 드롭방식으로 첨가하고 추가로 교반하거나, 실리케이트를 물에 용해시킨 후에 pH 7~10에서 중합을 수행하는 것을 특징으로 하는 구형의 다공성 실리카의 제조방법.
The method according to claim 6, wherein step (a) comprises adding a silica precursor in a dropwise manner to a mixed solution of the amine-based material and the solvent under agitation and further stirring or polymerizing the solution at a pH of 7 to 10 after dissolving the silicate in water Wherein the porous silica is a porous silica.
제8항에 있어서, 상기 실리카 전구체는 알콕시실란, 아미노실란 및 알킬실란 및 아릴 실란을 포함하는 유기실란으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. The method of claim 8, wherein the silica precursor is selected from the group consisting of alkoxysilanes, aminosilanes, and organosilanes comprising alkylsilanes and arylsilanes.
제9항에 있어서, 상기 알콕시실란은 테트라메틸오소실리케이트(tetramethylorthosilicate, TMOS), 테트라에틸오소실리케이트(tetraethylortho silicate, TEOS), 테트라프로필오소실리케이트(tetrapropylorthosilicate), 테트라부틸오소실리케이트(tetrabutylorthosilicate) 및 트리메톡시메틸실란(trimethoxymethylsilane, TMOMS)로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 9, wherein the alkoxysilane is selected from the group consisting of tetramethylorthosilicate (TMOS), tetraethylorthosilicate (TEOS), tetrapropylorthosilicate, tetrabutylorthosilicate, And trimethoxymethylsilane (TMOMS). &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제8항에 있어서, 실리카 전구체:아민계 물질:물의 첨가량은 0.1~10:0.1~20:0.2~100(몰비)인 것을 특징으로 하는 제조방법.
9. The method according to claim 8, wherein the amount of the silica precursor: amine-based material: water is 0.1 to 10: 0.1 to 20: 0.2 to 100 (molar ratio).
제6항에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드 서스펜션의 실리카 콜로이드의 크기는 1~50nm인 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method of claim 6, wherein the size of the silica colloid of the micro silica colloidal suspension is 1 to 50 nm.
제6항에 있어서, 상기 에어로졸 반응기의 온도는 333~1073K인 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. The method according to claim 6, wherein the temperature of the aerosol reactor is 333 to 1073K.
제6항에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드의 입자크기(1~50nm)에 따라 생성되는 구형의 다공성 실리카의 BET 비표면적(100~1000m2/g)이 조절되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 6, wherein the BET specific surface area (100 to 1000 m 2 / g) of the spherical porous silica produced according to the particle size (1 to 50 nm) of the micro silica colloid is controlled.
제6항에 있어서, 상기 에어로졸 반응기의 온도(333~1073K)에 따라 생성되는 메조기공의 부피(0.1~2cm3/g) 및 크기(2~50nm)가 조절되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 6, wherein a volume (0.1 to 2 cm 3 / g) and a size (2 to 50 nm) of the mesopores generated according to the temperature (333 to 1073 K) of the aerosol reactor are controlled.
제6항에 있어서, 상기 초소형 실리카 콜로이드의 크기(1~50nm) 및 상기 에어로졸 반응기의 온도(333~1073K)에 따라 메조기공의 크기(2~50nm) 및 부피(0.1~2cm3/g)가 조절되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 6, wherein the size (2 to 50 nm) and the volume (0.1 to 2 cm 3 / g) of the mesopores are selected according to the size (1 to 50 nm) of the micro silica colloid and the temperature (333 to 1073 K) &Lt; / RTI &gt;
제6항에 있어서, 상기 에어로졸 반응기의 운반 기체는 질소, 헬륨, 알곤, 산소 및 에어(air)로 구성된 군에서 선택되며, 운반 기체의 유속은 1~5L/min의 범위인 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. The process of claim 6 wherein the carrier gas of the aerosol reactor is selected from the group consisting of nitrogen, helium, argon, oxygen and air, and the flow rate of the carrier gas is in the range of 1 to 5 L / min. Way.
제6항에 있어서, 상기 탄소수 6~25인 알칸의 첨가량은 상기 실리카 콜로이드 서스펜션 100중량부에 대하여 0.1~10중량부가 첨가되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. The method according to claim 6, wherein the amount of the alkane having 6 to 25 carbon atoms is 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica colloidal suspension.
제6항에 있어서, 구형의 다공성 실리카 구조에 50~300nm 크기의 마크로 기공들이 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
The method according to claim 6, wherein macropores having a size of 50 to 300 nm are distributed in the spherical porous silica structure.
제6항에 있어서, 구형의 다공성 실리카 구조의 중심부에 200~1500nm 크기의 마크로 기공이 중공(hollow) 형태로 존재하는 제조방법.
The method according to claim 6, wherein macropores having a size of 200 to 1500 nm are present in a hollow form at the center of the spherical porous silica structure.
제1항 또는 제2항의 구형의 다공성 실리카를 포함하는 흡착제.
An adsorbent comprising spherical porous silica of claim 1 or 2.
제1항 또는 제2항의 구형의 다공성 실리카를 포함하는 촉매 지지체.A catalyst support comprising the spherical porous silica of claim 1 or 2.
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