KR101723999B1 - Manufacturing method attached fluorine silane functional group for hexagonal and cubic mesoporous silica materials at room temperature - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 관한 것으로, (a) H2O와 EtOH를 일정한 비율로 혼합하는 단계; (b) 상기 H2O와 EtOH가 일정비율로 혼합된 용액에 계면활성제를 첨가하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 형성된 용액에 상기 메조포러스 실리카 물질의 전구체와 플루오르 실란계 작용기 군(functional group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물을 첨가하여 상온에서 소정시간 교반하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 교반된 용액에 암모니아수를 첨가하고 소정 시간 교반하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 합성된 물질을 여과 후 세척 및 건조하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계 후에 소성하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명은, 메조포러스 실리카 흡착제 표면에 달린 플루오르기에 의해 이산화탄소가 화학결합을 하게 되어, 흡착량을 훨씬 증가시킬 수 있게 한다.
The present invention relates to a process for preparing a mesoporous silica material, comprising the steps of: (a) mixing H 2 O and EtOH at a constant ratio; (b) adding a surfactant to the solution in which H 2 O and EtOH are mixed at a predetermined ratio; (c) adding a compound selected from a precursor of the mesoporous silica material and a fluorosilane functional group to the solution formed in step (b), and stirring the mixture at room temperature for a predetermined time; (d) adding ammonia water to the solution stirred in step (c) and stirring for a predetermined time; (e) washing and drying the material synthesized in the step (d) after filtration; And (f) firing after the step (e).
In the present invention as described above, the carbon dioxide is chemically bonded by the fluorine group on the surface of the mesoporous silica adsorbent, so that the adsorption amount can be greatly increased.

Description

플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조방법{Manufacturing method attached fluorine silane functional group for hexagonal and cubic mesoporous silica materials at room temperature}[0001] The present invention relates to a fluorine-containing mesoporous silica material,

본 발명은 메조포러스 실리카 물질 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온 제조공정에서 육방구조 및 입방구조의 기공구조를 갖는 것으로, 플루오르작용기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a mesoporous silica material, and more particularly, to a method for producing a mesoporous silica material having a fluorine functional group with a pore structure of a hexagonal structure and a cubic structure at a room temperature manufacturing process.

메조포러스 물질은 IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)의 정의에 의하면 나노미터 크기의 다공성 물질을 말하고, 기공의 크기에 따라 2 nm 이하의 기공을 가지는 경우 마이크로포러스(microporous), 2 ∼ 50 nm 인 경우 메조포러스(mesoporous), 그리고 50 nm 이상의 기공을 가지는 경우 마크로포러스(macroporous) 라고 한다. 이러한 나노미터 크기의 기공을 가지는 다공성 물질은 유ㆍ무기 복합재료를 만들 때 유기 고분자의 호스트(host), 크로마토그래피를 이용한 분리, 대기와 수질에서 유독물질 흡착, 큰 유기 고분자의 형태 선택적 촉매 등의 잠재적인 응용성 때문에 많은 연구가 이루어져 왔다.The mesoporous material refers to a porous material having a nanometer size according to the definition of IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), and when the pore size is 2 nm or less depending on the pore size, microporous, (Mesoporous), and when they have pores of 50 nm or more, they are called macroporous. Porous materials with nanometer-sized pores can be used as a host or chromatographic separation of organic polymers when forming organic / inorganic composites, adsorption of toxic substances in air and water, and morphological selective catalysts of large organic polymers Much research has been done because of potential applicability.

메조포러스 물질은 1990년 T. Yanagisawa 연구팀에 의해 계면활성제를 주형으로 하여 1.8 nm에서 3.2 nm 범위의 균일한 크기의 기공을 가지는 물질을 합성한 것으로 출발하였다. 그 후, 1992년 Mobil사의 J. S. Beck 등이 육방구조(hexagonal)의 메조포러스 물질을 합성하였고, 입방구조(cubic), 라멜라구조(lamellar)의 메조포러스 물질을 합성하는데 성공하였다.The mesoporous material started in 1990 by T. Yanagisawa and his colleagues synthesized materials with uniform size pores ranging from 1.8 nm to 3.2 nm using the surfactant as a template. Subsequently, in 1992, J. S. Beck and others of Mobil synthesized hexagonal mesoporous materials and successfully synthesized mesoporous materials of cubic and lamellar structures.

현재까지 연구되어온 졸-겔법(sol-gal method)은 축합 반응 시 고온에서 가열하여 반응하게 되는데, 가열로 인한 공정이 복잡해지고, 비용이 증가되는 문제점이 발생되고 있다. 이에 상온에서 축합 반응을 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 축합 반응 시 pH를 조절하여 합성함으로써 공정의 단순화와 비용을 절감할 수 있다.The sol-gel method, which has been studied so far, reacts by heating at a high temperature during the condensation reaction, which complicates the process due to heating and increases the cost. Therefore, studies for conducting a condensation reaction at room temperature have been actively conducted. By adjusting the pH during the condensation reaction, the process can be simplified and the cost can be reduced.

메조포러스 물질을 합성하기 위해 지지체로 비이온성 계면활성제와 양이온성 계면활성제를 이용하게 된다. 그 중 양이온 계면활성제를 이용한 메조포러스 물질의 합성방법에는 직접적인 방법인 S+ + I- → S+I-와 같이 합성하는 방법과 매개체를 이용한 S+ + X- + I+ = S+X-I+ 와 같이 합성하는 방법이 있다. 이때 S+는 양이온 계면활성제, I+와 I-는 무기상의 이온, X-는 매개 이온을 나타낸다.To synthesize mesoporous materials, nonionic surfactants and cationic surfactants are used as supports. Synthesis of mesoporous material with the cationic surfactant of is no direct way of S + + I - → S + I - S + + X using the methods and media of synthesizing such as - + I + = S + X - I +. & Lt ; / RTI > Where S + is a cationic surfactant, I + and I - are inorganic ions, and X - is a mediating ion.

메조포러스 물질을 합성할 때 주로 쓰이는 양이온성 계면활성제는 알칼리 암모늄 할라이드 (CnH2n +1N+X-)이다. 이 계면활성제가 용액 속에서 일정농도로 녹게 되면 구조를 형성하게 되고, 이를 임계 미셀 농도(critical micelle concentration)라고 하며, 계면활성제 농도에 따라 육방구조(hexagonal), 입방구조(cubic), 라멜라구조(lamellar)를 이루게 된다. 도 1은 임계 미셀 농도에 따른 구조형성과 메조포러스 물질에 대한 합성의 모식도이다.The cationic surfactant, which is mainly used in the synthesis of mesoporous materials, is the alkali ammonium halide (C n H 2n +1 N + X - ). When this surfactant is dissolved in a certain concentration in a solution, it forms a structure, which is called a critical micelle concentration. Depending on the surfactant concentration, hexagonal, cubic, and lamellar structures lamellar. FIG. 1 is a schematic diagram of the structure formation according to the critical micelle concentration and the synthesis of the mesoporous material. FIG.

이렇게 구조를 조절시킨 메조포러스 실리카 물질에 아민기를 부착시키기 위해 탄소 사슬 끝 부분에 아민기가 달린 실란을 사용하였다. 이때 가스 흡착에 관한 간단한 모식도를 도 2에 나타내었다.Silane with amine groups at the carbon chain end was used to attach the amine group to the mesoporous silica material thus regulated. A simple schematic diagram of gas adsorption is shown in FIG.

온실가스인 이산화탄소나 유독가스가 대기 중에서 작용기가 달린 실리카물질을 지나가게 되면 실리카 물질 표면에 달린 작용기에 선택적으로 가스들이 화학 결합을 하게 되어 흡착이 이루어지게 된다.When carbon dioxide or toxic gas, which is a greenhouse gas, passes through a silica material having a functional group in the atmosphere, the gases are chemically bonded selectively to a functional group on the surface of the silica material.

아민기에 대한 이산화탄소의 흡착을 도 3에 나타내었다. 메조포러스 실리카 흡착제의 표면에 달린 아민기 두 개가 이산화탄소를 만나게 되면 산화환원반응에 의해 카바메이트 이온과 암모늄 이온으로 바뀌게 되고 최종적으로 탄산이온과 암모늄이온이 결합된 이온결합형태로 바뀌게 되어 이산화탄소가 흡착되게 된다.The adsorption of carbon dioxide on the amine group is shown in Fig. When the two amine groups on the surface of the mesoporous silica adsorbent meet with carbon dioxide, they are converted into carbamate and ammonium ions by oxidation-reduction reaction, and eventually converted into ion-bonded forms in which carbonate and ammonium ions are bonded. do.

현재까지 연구되어온 졸-겔법(sol-gel method)은 축합반응 시 고온에서 가열하여 반응하게 되는데, 가열로 인한 공정이 복잡해지고, 비용이 증가되는 문제점이 있고, 흡착제로서 사용되는 메조포러스 실리카 물질의 흡착성능을 개선하기 위해 효율적이고 간단한 공정으로 비표면적을 넓힐 수 있는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법이 필요한 실정이다.The sol-gel method, which has been studied so far, reacts by heating at a high temperature during the condensation reaction, which complicates the process due to heating and increases the cost. In addition, the mesoporous silica material used as the adsorbent A method for producing a mesoporous silica material which can broaden the specific surface area by an efficient and simple process is needed in order to improve the adsorption performance.

대한민국 공개번호 제10-2011-0033575호(공개일자:2011년03월31일)Korea Public No. 10-2011-0033575 (public date: March 31, 2011) 대한민국 공개번호 제10-2011-0085363호(공개일자:2011년07월27일)Korea Public Release No. 10-2011-0085363 (public date: July 27, 2011)

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 상온에서 축합반응을 통해 메조포러스 실리카 물질을 합성하는데, 축합반응 시 pH를 조절하여 합성함으로써 공정의 단순화와 비용을 절감할 수 있게 하는 것이다. The object of the present invention to solve the above problems is to synthesize a mesoporous silica material through a condensation reaction at room temperature, and to simplify the process and reduce the cost by synthesizing the mesoporous silica material by adjusting the pH during the condensation reaction.

또한, 비표면적이 넓혀 구조에 따라 흡착능력을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고, 메조포러스 실리카 흡착제 표면에 달린 플루오르기에 의해 이산화탄소가 화학결합을 하게 되어, 흡착량을 훨씬 증가시킬 수 있는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법을 제공하고자 함이다.The present invention also provides a method for increasing the adsorption capacity depending on the structure by enlarging the specific surface area, and the mesoporous silica capable of increasing the amount of adsorption due to the chemical bonding of carbon dioxide by the fluorine group on the surface of the mesoporous silica adsorbent, And to provide a method for producing a substance.

상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 특징은 (a) H2O와 EtOH를 일정한 비율로 혼합하는 단계; (b) 상기 H2O와 EtOH가 일정비율로 혼합된 용액에 계면활성제를 첨가하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 형성된 용액에 상기 메조포러스 실리카 물질의 전구체와 플루오르 실란계 작용기 군(functional group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물을 첨가하여 상온에서 소정시간 교반하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 교반된 용액에 암모니아수를 첨가하고 소정 시간 교반하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 합성된 물질을 여과 후 세척 및 건조하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계 후에 소성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) mixing H 2 O and EtOH at a predetermined ratio; (b) adding a surfactant to the solution in which H 2 O and EtOH are mixed at a predetermined ratio; (c) adding a compound selected from a precursor of the mesoporous silica material and a fluorosilane functional group to the solution formed in step (b), and stirring the mixture at room temperature for a predetermined time; (d) adding ammonia water to the solution stirred in step (c) and stirring for a predetermined time; (e) washing and drying the material synthesized in the step (d) after filtration; And (f) firing after the step (e).

여기서, 상기 플루오르 실란계 작용기 군(functional group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물은 N6330 플루오르 실란인 것이 바람직하고, 상기 (b)단계에서, 상기 계면활성제로서 CTACl를 첨가하는 것이 바람직하고, SiO2와 CTACl의 농도비를 1 대 0.1 ~ 0.2로 구성하는 것이 바람직하다.Here, in any of the compounds N6330 fluorinated silane is preferably, and the step (b) is selected from the fluorine silane functional group (functional group), it is preferable to add a CTACl as the surfactant, SiO 2 and CTACl Is preferably in the range of 1 to 0.1 to 0.2.

또한, 바람직하게는 상기 SiO2와 CTACl의 농도비가 1 대 0.1 이상 ~ 0.15 미만인 경우, 상기 실리카 물질의 기공구조가 육방구조를 갖는 것일 수 있고, 상기 SiO2와 CTACl의 농도비를 1 대 0.15 이상 ~ 0.2 이하인 경우, 상기 실리카 물질의 기공구조가 입방구조를 갖는 것일 수 있다.Preferably, the pore structure of the silica material may have a hexagonal structure when the concentration ratio of SiO 2 to CTACl is in the range of 0.1 to less than 0.15, and the concentration ratio of SiO 2 to CTACl may be 0.15 to 0.15, 0.2 or less, the pore structure of the silica material may have a cubic structure.

더하여, 상기 (c) 단계에서 상기 전구체로 TEOS를 첨가하는 것이 바람직하고, 상기 TEOS와 플루오르 실란의 몰 비율은 1: 1~3으로 조절하여 합성하고, 상기 합성된 TEOS와 플루오르 실란 합성물의 몰농도는 0.1 ~ 0.4 M 범위이고, 상기 범위 내에서 몰농도를 증가시켜 상기 실리카 물질의 비표면적을 증가시키는 것이 바람직하며, 상기 (d) 단계에서 암모니아수를 첨가하여 용액의 pH 농도가 9 ~ 11 범위로 설정되게 하는 것이 바람직하다.
In addition, it is preferable to add TEOS as the precursor in the step (c), and the molar ratio of the TEOS to the fluorosilane is adjusted to 1: 1 to 3, and the molar concentration of the synthesized TEOS and fluorosilane compound Is preferably in the range of 0.1 to 0.4 M, and it is preferable to increase the specific surface area of the silica material by increasing the molar concentration within the above range. In the step (d), ammonia water is added to adjust the pH of the solution in the range of 9 to 11 Is set.

그리고, 본 발명의 제2 특징은 메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 있어서, 상온에서 축합반응을 통해 상술한 제조방법으로 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질을 합성하고, 상기 실리카 물질의 합성과정에서 sol을 형성한 후에 gel을 형성하는 과정에서는 상기 상온에서 염기 용액의 첨가를 통해 용액의 pH 농도를 9 ~ 11 범위로 설정하여 메조포러스 실리카 물질을 합성하는 것이다.In a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a mesoporous silica material, comprising the steps of: synthesizing a mesoporous silica material having a fluorine group attached thereto through a condensation reaction at room temperature by the above- The pH of the solution is adjusted to be in the range of 9 to 11 by adding the base solution at the room temperature to synthesize the mesoporous silica material.

여기서, 상기 실리카 물질의 합성과정에서 양이온성 계면활성제는 CTACl인 것을 특징으로 하는 실란계 작용기가 부착된 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the cationic surfactant is a CTACl in the course of the synthesis of the silica material, to which a silane-based functional group is attached.

본 발명은 상온에서 첨가물질들의 비율을 변수로 하여 육방구조 및 입방 기구의 구조 조절이 가능하고 큰 비표면적을 갖는 메조포러스 실리카 물질을 합성할 수 있는 장점이 있다.The present invention is advantageous in that a mesoporous silica material having a large specific surface area can be synthesized by controlling the structure of the hexagonal structure and the cubic structure by using the ratio of the additive materials at room temperature.

또한, 본 발명은 열을 공급해주는 가열공정 없이, 상온에서 축합반응을 통해 메조포러스 실리카 물질을 합성하고, 이때 축합반응 시 pH를 조절하여 합성함으로써 공정의 단순화와 비용을 절감할 수 있게 한다.In addition, the present invention can synthesize a mesoporous silica material through a condensation reaction at room temperature without heating process for supplying heat, and at this time, by adjusting the pH during the condensation reaction, the process can be simplified and cost can be reduced.

그리고, 메조포러스 실리카 흡착제 표면에 달린 플루오르기에 의해 이산화탄소가 화학결합을 하게 되어, 흡착량을 훨씬 증가시킬 수 있다.
Then, the fluorine group on the surface of the mesoporous silica adsorbent causes the carbon dioxide to chemically bond, which can greatly increase the amount of adsorbed.

도 1은 임계 미셀 농도에 따른 구조형성과 메조포러스 물질에 대한 합성의 모식도이고,
도 2는 가스 흡착에 관한 간단한 모식도이고,
도 3은 아민기에 대한 이산화탄소의 흡착을 나타낸 모식도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 사용되는 N6330 플루오르 실란에 대한 구조를 나타낸 도면이고,
도 6은 육방체(Hexagonal) 기공 구조를 갖는 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 XRD 결과이고,
도 7은 입방체(Cubic) 기공 구조를 갖는 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 XRD 결과이고,
도 8은 플루오르기가 부착된 육방구조 메조포러스 실리카 물질에 대한 TEM 사진이고,
도 9는 플루오르기가 부착된 입방구조 메조포러스 실리카 물질에 대한 TEM 사진이고,
도 10은 육방체(Hexagonal) 기공 구조 작용기로 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카의 FT-IR 결과 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure formation according to the critical micelle concentration and the synthesis of the mesoporous material,
Fig. 2 is a simple schematic diagram for gas adsorption,
3 is a schematic view showing adsorption of carbon dioxide on an amine group,
FIG. 4 is a view showing a flow of a process for producing a mesoporous silica material with a fluorine group according to an embodiment of the present invention,
FIG. 5 is a view illustrating the structure of N6330 fluorosilane used in a method for producing a mesoporous silica material according to an embodiment of the present invention,
FIG. 6 shows the XRD results of the mesoporous silica material with a fluorine group having a hexagonal pore structure,
7 is an XRD result of a mesoporous silica material with a fluorine group having a cube pore structure,
8 is a TEM photograph of a hexagonal mesoporous silica material with a fluorine group attached thereto,
9 is a TEM photograph of a fluorine-attached, cubic mesoporous silica material,
10 is a graph of FT-IR results of mesoporous silica having a fluorine group attached thereto as a hexagonal pore structure functional group.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish it, will be described with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. The embodiments are provided so that those skilled in the art can easily carry out the technical idea of the present invention to those skilled in the art.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.In the drawings, embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown and are exaggerated for clarity. Also, the same reference numerals denote the same components throughout the specification.

본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
The singular forms herein include plural forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, components, steps, operations and elements referred to in the specification as " comprises "or" comprising " refer to the presence or addition of one or more other components, steps, operations, elements, and / or devices.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 사용되는 N6330 플루오르 실란에 대한 구조를 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a flow chart of a method for producing a fluorine-group-containing mesoporous silica material according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing the relationship between N6330 fluorine Lt; RTI ID = 0.0 > silane. ≪ / RTI >

도 4에 나타낸 바와 같이, 메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 있어서, (a) H2O와 EtOH를 일정한 비율로 혼합하는 단계; (b) 상기 H2O와 EtOH가 일정비율로 혼합된 용액에 계면활성제를 첨가하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 형성된 용액에 상기 메조포러스 실리카 물질의 전구체와 플루오르 실란계 작용기 군(functional group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물을 첨가하여 상온에서 소정 시간 교반하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 합성된 물질을 여과 후 세척 및 건조하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계 후에 소성하는 단계를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 4, the method for producing a mesoporous silica material includes the steps of: (a) mixing H 2 O and EtOH at a constant ratio; (b) adding a surfactant to the solution in which H 2 O and EtOH are mixed at a predetermined ratio; (c) adding a compound selected from a precursor of the mesoporous silica material and a fluorosilane functional group to the solution formed in step (b), and stirring the mixture at room temperature for a predetermined time; (e) washing and drying the material synthesized in the step (d) after filtration; And (f) firing after the step (e).

또한, 상기 소성과정(S170)을 제외한 S110 내지 S160 과정이 모두 상온에서 이루어지며, 상기 S140의 암모니아수 첨가를 통해 축합반응시 pH를 조절하여 합성하게 한다.In addition, the steps S110 to S160 except for the firing step (S170) are all performed at room temperature, and the pH is adjusted during the condensation reaction through the addition of the aqueous ammonia of S140.

또한, 본 발명에서는 합성된 메조포러스 실리카 물질의 기공을 조절하기 위하여, SiO2와 CTACl의 농도 비를 1 : 0.1 ~ 0.2로 조절하였고, 높은 비표면적을 갖는 메조포러스 실리카 물질을 합성하기 위해, TEOS와 플루오르기를 지닌 실란(이하 , '플루오르 실란' 이라 한다)의 몰 비율을 1: 1~3으로 조절하여 합성하고, 상기 합성된 TEOS와 플루오르 실란 합성물의 몰농도를 0.1 ~ 0.4 M로 조절하여 SiO2를 제조한다.In order to control the pores of the synthesized mesoporous silica material, the concentration ratio of SiO 2 and CTACl was adjusted to 1: 0.1-0.2. In order to synthesize a mesoporous silica material having a high specific surface area, TEOS And fluorine silane (hereinafter, referred to as 'fluorosilane') was adjusted to 1: 1 to 3, and the molar concentration of the synthesized TEOS and fluorosilane compound was adjusted to 0.1 to 0.4 M to obtain SiO 2 .

그리고, SiO2와 CTACl의 농도 비를 1: 0.1 ~ 0.2로 조절하여 메조포러스 실리카 물질의 기공구조를 육방구조 및 입방구조로 선택할 수 있으며, 바람직하게는 상기 SiO2와 CTACl의 농도 비를 1: 0.1 이상 ~ 0.15 미만으로 설정할 경우에는 육방구조로 선택할 수 있으며, 상기 SiO2와 CTACl의 농도 비를 1: 0.15 이상 ~ 0.2 이하로 설정할 경우에는 입방구조로 선택할 수 있다. 또한, TEOS와 플루오르 실란은 각각 몰 비율이 1: 1~3으로 조절하고, 상기 TEOS와 플루오르 실란 합성물의 몰농도를 0.1 ~ 0.4 M 범위에서, 상기 합성물의 몰농도를 증가시킴에 따라 메조포러스 실리카 물질의 비표면적을 증가시킬 수 있다. 가령, 상기 합성물의 몰농도를 증가시킴에 따라 플루오르기가 부착된 입방구조 실리카의 경우는 비표면적이 237 ~ 450㎡/g의 범위를 가지고, 육방구조 실리카의 경우는 비표면적이 298~407㎡/g의 범위에서 조절이 가능하다. 또한, 암모니아수를 첨가하여 용액의 pH 농도가 9 ~ 11 범위로 설정되게 하는 것이 바람직하다.
The pore structure of the mesoporous silica material can be selected to be a hexagonal structure and a cubic structure by controlling the concentration ratio of SiO 2 and CTACl to 1: 0.1 to 0.2, and preferably, the concentration ratio of SiO 2 to CTACl is 1: When it is set to 0.1 or more and less than 0.15, it can be selected as a hexagonal structure. When the concentration ratio of SiO 2 and CTACl is set to 1: 0.15 or more to 0.2 or less, a cubic structure can be selected. Further, TEOS and fluorosilane can be adjusted to a molar ratio of 1: 1 to 3, respectively, and the molar concentration of the TEOS and fluorosilane compounds in the range of 0.1 to 0.4 M, The specific surface area of the material can be increased. For example, when the molar concentration of the compound is increased, the specific surface area of the cubic silica having a fluorine group is in the range of 237 to 450 m 2 / g, and in the case of the hexagonal structure silica, the specific surface area is in the range of 298 to 407 m 2 / g. < / RTI > It is also preferable to add ammonia water so that the pH of the solution is set in the range of 9 to 11.

도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조방법의 공정 프로세스를 보다 구체적으로 살펴보면 이하와 같다.Referring to FIG. 4, the process of the process for producing a fluorine-bonded mesoporous silica material according to an embodiment of the present invention will be described in more detail as follows.

도 4에 나타낸 바와 같이, 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 합성의 경우 육방구조 메조포러스 실리카 물질(HMS)과 입방구조 메조포러스 실리카(CMS)의 합성 중 최적의 조건을 기반으로 합성한다.As shown in FIG. 4, synthesis of a fluorine-bonded mesoporous silica material is performed based on optimal conditions among the synthesis of a hexagonal mesoporous silica material (HMS) and a cubic mesoporous silica (CMS).

작용기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 합성의 제조방법의 공정은 도 4에 나타낸 바와 같이, 먼저 H2O와 EtOH가 일정비율로 혼합하고(S110), 혼합된 용액에 계면활성제인 CTACl을 첨가한다.(S120) 그 후 메조포러스 실리카 물질의 전구체인 TEOS에 작용기 군(Functional Group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물인 플루오르 실란을 넣어 10분간 교반 시켜준다.(S130) 이때 사용된 플루오르 실란에 대한 구조를 도 5에 나타낸다. 교반된 용액에 암모니아수(NH4OH)를 첨가하고(S140), 약 15시간 이상 하루 동안 반응시킨다.(S150) 이렇게 합성된 물질을 여과 후 세척과 건조(S160), 소성을 하여(S170) 메조포러스 실리카 물질을 합성한다.
As shown in Fig. 4, the process of the synthesis of the mesoporous silica material with functional groups is carried out by first mixing (S110) H 2 O and EtOH at a certain ratio (S110), and adding the surfactant CTACl to the mixed solution (S120) Then, fluorosilane, which is a compound selected from the functional group, is added to TEOS, which is a precursor of the mesoporous silica material, and the mixture is stirred for 10 minutes (S130). 5. Aqueous ammonia was added dropwise a solution (NH 4 OH) was added and (S140), at least about 15 hours, and reacted for one day. (S150) that after the composite material was filtered by washing and drying (S160), sintering (S170) meso Thereby synthesizing a porous silica material.

결과 분석Results analysis

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 XRD 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6은 육방체(Hexagonal) 기공 구조를 갖는 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 XRD 결과이고, 도 7은 입방체(Cubic) 기공 구조를 갖는 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 XRD 결과이다.FIGS. 6 and 7 are graphs showing XRD results of a fluorophor-attached mesoporous silica material according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 6 shows the XRD results of a fluorophorous mesoporous silica material with a hexagonal pore structure, and FIG. 7 shows the XRD results of a fluorophorous mesoporous silica material with a cubic pore structure.

기공 구조를 조절한 메조포러스 실리카 물질들 중 비표면적이 가장 넓었던 육방체 메조포러스 실리카(HMS4)와 입방체 메조포러스 실리카(CMS3)를 기준으로 하여 구조별 메조포러스 실리카를 합성하였다. 도 6과 도 7의 경우는 플루오르기가 달린 메조포러스 실리카이다. 도 6의 경우는 작용기로 인해 기공의 균일성은 낮아졌지만 메인 피크인 d(100) 피크를 확인함으로써 육방구조 메조포러스 실리카임을 확인할 수 있다. 여기서, 합성이 진행될 때 사용된 플루오르 실란에서 플루오르기가 용액의 pH에 영향을 주게 되고 축합반응이 빨라짐에 따라 기공이 줄어들고, 비표면적이 감소하는 것으로 보인다. 도 7의 경우는 메인 피크인 d(211) 피크를 확인함으로써 입방구조의 메조포러스 실리카임을 알 수 있다. 육방구조였던 도 6과 마찬가지로 피크의 크기가 줄어들어 기공의 균일성이 떨어졌음을 알 수 있다.
Mesoporous silica was synthesized based on mesoporous mesoporous silica (HMS4) and cubic mesoporous silica (CMS3), which had the largest specific surface area among the mesoporous silica materials with controlled pore structure. 6 and 7 are mesoporous silica with a fluorine group. In the case of FIG. 6, the homogeneity of the pores was lowered due to the functional group, but the hexagonal mesoporous silica can be confirmed by confirming the d (100) peak as the main peak. Here, in the fluorosilane used in the synthesis, the fluorine group affects the pH of the solution, and as the condensation reaction speeds up, the pores decrease and the specific surface area decreases. In the case of FIG. 7, it can be seen that the mesoporous silica is a cubic structure by confirming the d (211) peak as the main peak. As shown in Fig. 6, which has a hexagonal structure, the size of the peak is reduced and the uniformity of pores is lowered.

플루오르기가 달린 메조포러스 실리카 물질의 비표면적과 기공의 크기 및 부피를 측정하기 위하여 N2-sorption을 이용하였는데, 측정된 시료의 등온 흡ㆍ탈착 정보를 이용하여 BET 관계식으로부터 비표면적을 구하고, 기공의 크기 및 부피는 BJH 관계식으로부터 구할 수 있다.N 2 -sorption was used to measure the specific surface area and pore size and volume of the mesoporous silica material with fluorine groups. The specific surface area was determined from the BET relationship using the isothermal adsorption / desorption information of the measured sample, Size and volume can be obtained from the BJH relationship.

[표 1] 및 [표 2]는 플루오르기가 달린 메조포러스 실리카 물질에 대한 비표면적, 기공의 크기 그리고 기공의 부피에 대하여 기술한 것으로, 플루오르 실란의 첨가량이 증가함에 따라 비표면적과 기공의 크기가 감소 되었음을 알 수 있다. 하지만, 기공의 부피에서 차이가 나타나는데, 이는 BJH 방법의 기공 크기 분포(pore size distribution)의 결과값이 마이크로포어, 즉 기공 크기가 2 nm이하의 기공은 무시하기 때문에 기공 부피에선 차이가 나타나는 것으로 보인다.
[Table 1] and [Table 2] describe the specific surface area, the pore size and the pore volume for a mesoporous silica material having a fluorine group. As the amount of the fluorosilane added increases, the specific surface area and pore size , Respectively. However, there is a difference in the volume of the pores, because the pore size distribution of the BJH method results in a difference in the pore volume because the micropore, that is, pores having a pore size of 2 nm or less, is ignored .

샘플명Sample name Si 농도
(M)
Si concentration
(M)
비표면적
(BET)(㎡/g)
Specific surface area
(BET) (m < 2 > / g)
기공 크기
(nm)
Pore size
(nm)
기공체적
(cc/g)
Pore volume
(cc / g)
HMS4  HMS4 00 11801180 4.34.3 0.6620.662 HMS4 (A1)HMS4 (A1) 1One 407407 3.83.8 0.3320.332 HMS4 (A2)HMS4 (A2) 22 347347 3.83.8 0.2920.292 HMS4 (A3)HMS4 (A3) 33 298298 3.73.7 0.2560.256

샘플명Sample name Si 농도
(M)
Si concentration
(M)
비표면적
(BET)(㎡/g)
Specific surface area
(BET) (m < 2 > / g)
기공 크기
(nm)
Pore size
(nm)
기공체적
(cc/g)
Pore volume
(cc / g)
CMS3  CMS3 00 16201620 3.43.4 0.1100.110 CMS3 (A1)CMS3 (A1) 1One 450450 3.43.4 0.1170.117 CMS3 (A2)CMS3 (A2) 22 249249 3.43.4 0.0390.039 CMS3 (A3)CMS3 (A3) 33 237237 3.33.3 0.0280.028

[표 1] 및 [표 2]에 나타낸 바와 같이, HMS4와 CMS3를 토대로 하여 플루오르기가 달린 메조포러스 실리카의 형태와 기공의 형태, 크기 및 분포를 관측하기 위하여 TEM으로 분석하였고, 도 8 및 도 9에 그 결과를 나타내었다.As shown in [Table 1] and [Table 2], the morphology, size and distribution of the pores of the mesoporous silica having a fluorine group were analyzed based on HMS4 and CMS3, and analyzed by TEM. Figs. 8 and 9 The results are shown in Fig.

도 8은 플루오르기가 부착된 육방구조 메조포러스 실리카 물질에 대한 TEM 사진이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 말단의 플루오르기로 인해 pH 조절이 어려워지면서 기공 형성에 어려움을 주었지만 매우 발달된 기공이 균일하게 배열되어 있음을 알 수 있다.8 is a TEM photograph of a hexagonal mesoporous silica material with a fluorine group attached thereto. As shown in FIG. 8, it is difficult to regulate the pH due to the fluorine group at the terminal, which makes it difficult to form pores. However, it can be seen that highly developed pores are uniformly arranged.

도 9는 플루오르기가 부착된 입방구조 메조포러스 실리카 물질에 대한 TEM 사진이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 플루오르기로 인해 기공의 크기가 약간 줄어들었으나, 상하좌우의 매우 균일한 기공이 입방구조 형태로 잘 발달되어 있음을 알 수 있다.
9 is a TEM photograph of a cubic mesoporous silica material with a fluorine group attached thereto. As shown in FIG. 9, although the pore size is slightly reduced due to the fluorine group, it can be seen that highly uniform pores in the upper, lower, left, and right sides are well developed in the form of cubic structure.

합성한 메조포러스 실리카 시료에 작용기인 플루오르기의 존재 여부를 확인하기 위하여 FT-IR(퓨리에 변환 적외선 분석기)로 분석하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10은 육방체(Hexagonal) 기공 구조 작용기로 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카의 FT-IR 결과 그래프이다.The mesoporous silica sample thus synthesized was analyzed by FT-IR (Fourier transform infrared analyzer) to confirm the presence of a functional group fluorine group, and the results are shown in FIG. 10 is a graph of FT-IR results of mesoporous silica having a fluorine group attached thereto as a hexagonal pore structure functional group.

도 10에 도시된 바와 같이, 플루오르기의 FT-IR 피크의 경우에는, 1050cm- 1 의 Si-O 피크 근처인 1000cm- 1 에서 나타나게 된다. 데이터 확인 결과 메조포러스 실리카에 플루오르기가 달려있음을 알 수 있다. As shown in Figure 10, in the case of FT-IR peaks of the fluorine group, 1050cm - is displayed on the 1-1 of the Si-O peak is near 1000cm. As a result of the data confirmation, it can be seen that the fluorine group is attached to the mesoporous silica.

이와 같이, 본 발명은, 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 물질의 제조방법을 제공함으로써, 넓은 비표면적과 다양한 기공 구조에 따라 흡착능력을 향상시킬 수 있고, 특히, 순수한 메조포러스 실리카 흡착제에 비해 플루오르기가 부착된 메조포러스 실리카 흡착제의 흡착능력이 뛰어남을 확인할 수 있다. 즉, 메조포러스 실리카 흡착제 표면에 달린 플루오르기가 δ-의 부분전하를 띄게 되고 이산화탄소에서 탄소는 δ+의 부분전하를 띄게 되어 플루오르기와 이산화탄소는 정전기적 인력에 의해 결합하게 되어 화학흡착이 이뤄지게 되어 흡착량을 훨씬 증가시킬 수 있다.Thus, the present invention can improve the adsorption ability according to a wide specific surface area and various pore structures by providing a method for producing a mesoporous silica material with a fluorine group attached thereto. In particular, the fluorine group It can be confirmed that the adsorbed ability of the attached mesoporous silica adsorbent is excellent. That is, the fluorine group on the surface of the mesoporous silica adsorbent has a partial charge of δ -, the carbon in the carbon dioxide has a partial charge of δ + , and the fluorine group and the carbon dioxide are bound by the electrostatic attracting force, Can be greatly increased.

또한, 기존의 메조포러스 실리카 물질의 합성은 sol-gel법으로 sol을 만든후 열을 가하여 gel을 합성하나, 본 발명은 상온에서 sol을 합성한 후 gel을 형성하는 과정에서 열을 가하여 합성하는 방법이 아니라 pH의 염기를 조절하여 gel을 형성한다. 이에 따라, 열을 가하지 않기 때문에, 상온에서 가능하여 공정의 단순화 및 비용의 절감 효과가 있다.
In addition, the conventional mesoporous silica material can be synthesized by sol-gel method, followed by heating to synthesize gel. However, the present invention is not limited to the method of synthesizing sol at room temperature, But the pH is adjusted to form a gel. Accordingly, since heat is not applied, it is possible to perform at room temperature, thereby simplifying the process and reducing the cost.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to the specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Anyone with it will know easily.

Claims (11)

메조포러스 실리카 물질의 제조방법에 있어서,
(a) H2O와 EtOH를 일정한 비율로 혼합하는 단계;
(b) 상기 H2O와 EtOH가 일정비율로 혼합된 용액에 CTACl를 첨가하는 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 형성된 용액에 상기 메조포러스 실리카 물질의 전구체와 플루오르 실란계 작용기 군(functional group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물을 첨가하여 상온에서 10분 이상 교반하는 단계;
(d) 상기 (c)단계에서 교반된 용액에 암모니아수를 첨가하고 15시간 이상 24시간 이하 교반하는 단계;
(e) 상기 (d)단계에서 합성된 물질을 여과 후 세척 및 건조하는 단계; 및
(f) 상기 (e)단계 후에 소성하는 단계를 포함하되;
상기 (c) 단계에서 첨가한 실리카 물질의 전구체로부터 환산된 실리카 물질인 SiO2와 상기 CTACl의 농도비를 1 대 0.1 ~ 0.2로 구성하고,
상기 SiO2와 CTACl의 농도비가 1 대 0.1 이상 ~ 0.15 미만인 경우, 상기 실리카 물질의 기공구조가 육방구조를 갖고,
상기 SiO2와 CTACl의 농도비를 1 대 0.15 이상 ~ 0.2 이하인 경우, 상기 실리카 물질의 기공구조가 입방구조를 갖는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법
In a method for producing a mesoporous silica material,
(a) mixing H 2 O and EtOH at a constant ratio;
(b) adding CTACl to a solution in which the H 2 O and EtOH are mixed at a predetermined ratio;
(c) adding a compound selected from the group consisting of a precursor of the mesoporous silica material and a fluorosilane functional group to the solution formed in step (b), and stirring the mixture at room temperature for 10 minutes or more;
(d) adding ammonia water to the solution stirred in step (c) and stirring for not less than 15 hours but not longer than 24 hours;
(e) washing and drying the material synthesized in the step (d) after filtration; And
(f) firing after the step (e);
The concentration ratio of SiO 2 , which is a silica material converted from the precursor of the silica material added in the step (c), and the CTACl is 0.1-0.2,
When the concentration ratio of SiO 2 to CTACl is 1: 0.1 or more and less than 0.15, the pore structure of the silica material has a hexagonal structure,
Wherein the pore structure of the silica material has a cubic structure when the concentration ratio of SiO 2 to CTACl is 0.15 or more to 0.2 or less.
제1항에 있어서,
상기 플루오르 실란계 작용기 군(functional group)으로부터 선택된 어느 하나의 화합물은 N6330 플루오르 실란인 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein one of the compounds selected from the fluorosilane functional group is N6330 fluorosilane.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 전구체로 TEOS를 첨가하는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein TEOS is added to the precursor in step (c).
제3항에 있어서,
상기 TEOS와 플루오르 실란의 몰 비율은 1: 1~3으로 조절하여 합성하고, 상기 합성된 TEOS와 플루오르 실란 합성물의 몰농도는 0.1 ~ 0.4 M 범위이고, 상기 범위 내에서 몰농도를 증가시켜 상기 실리카 물질의 비표면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 메조포러스 실리카 물질의 제조방법.
The method of claim 3,
The molar ratio of the TEOS to the fluorosilane is adjusted to 1: 1 to 3, and the molar concentration of the synthesized TEOS and fluorosilane compound is in the range of 0.1 to 0.4 M, Wherein the specific surface area of the mesoporous silica material is increased.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 암모니아수를 첨가하여 용액의 pH 농도가 9 ~ 11 범위로 설정되게 하는 것을 특징으로 메조포러스 실리카 물질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pH of the solution is set in the range of 9 to 11 by adding ammonia water in the step (d).
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