KR102287864B1 - Method for preparation of MOF with improved stability against moisture, MOF prepared by the same and use thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 MOF 내 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질하여, 불포화(coordinatevely unsaturated) 금속 또는 결함(defect) 자리(sites)를 수분으로부터 차단하는 제1단계; 및 선택적으로(optionally), 제1단계로부터 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물을 추가로 담지하는 제2단계;를 포함하는 것이 특징인 수분안정성이 향상된 MOF의 제조방법, 이에 따라 제조된 MOF 및 이의 흡착제로서의 용도에 관한 것이다.The present invention is a first step of modifying some or all of the unsaturated metal sites in the MOF with a nucleophilic compound, blocking the unsaturated (coordinatevely unsaturated) metals or defective sites from moisture; and optionally, a second step of additionally supporting a compound capable of adsorption or catalysis on the modified MOF from the first step; MOF prepared according to the present invention and its use as an adsorbent.
Description
본 발명은 MOF 내 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질하여, 불포화(coordinatevely unsaturated) 금속 또는 결함(defect) 자리(sites)를 수분으로부터 차단하는 제1단계; 및 선택적으로(optionally), 제1단계로부터 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물을 추가로 담지하는 제2단계;를 포함하는 것이 특징인 수분안정성이 향상된 MOF의 제조방법, 이에 따라 제조된 MOF 및 이의 흡착제로서의 용도에 관한 것이다.The present invention is a first step of modifying some or all of the unsaturated metal sites in the MOF with a nucleophilic compound, blocking the unsaturated (coordinatevely unsaturated) metals or defective sites from moisture; and optionally, a second step of additionally supporting a compound capable of adsorption or catalysis on the modified MOF from the first step; MOF prepared according to the present invention and its use as an adsorbent.
전통적인 화학무기(chemical warfare agents, CWAs)에 대한 위협의 존재뿐만 아니라, 염소, 암모니아 같은 독성산업물질(toxic industrial chemicals, TICs) 및 방사성가스(유기 요오드, 요오드)에 대한 위험성이 증대되고 있다. 최근 후쿠시마 원자력발전소의 폭발에서 확인할 수 있듯이 유출된 방사성 가스물질은 매우 광범위한 지역의 오염과 인명피해를 줄 수 있다. 특히 방사성 요오드는 방사성 기체의 주요 핵종으로서 인체 내에 흡입될 경우 갑상선에 축적되어 인체 유해도가 크므로 이를 효과적으로 제거하는 것이 필요하다. 또한 가스상 방사성 요오드 중 대표적인 화합물은 원소성 요오드와 메틸요오드(유기 요오드)로서, 원소성 요오드는 활성탄계 흡착제에 의해 쉽게 제거되는 특징이 있어 제거효율이 높은 습도조건에서도 99.9% 이상이지만, 메틸요오드는 흡착량도 작고 시간 경과에 따라 탈리하는 현상이 있으며 습도에 대한 영향이 커 높은 습도에서 흡착량이 급격하게 떨어지는 특징이 있다.In addition to the presence of threats against traditional chemical warfare agents (CWAs), there is an increasing risk of toxic industrial chemicals (TICs) such as chlorine and ammonia and radioactive gases (organic iodine, iodine). As can be seen from the recent explosion of the Fukushima nuclear power plant, the leaked radioactive gaseous material can cause contamination and damage to people in a very wide area. In particular, radioactive iodine is a major nuclide of radioactive gas, and when inhaled into the human body, it accumulates in the thyroid gland and is highly harmful to the human body, so it is necessary to effectively remove it. In addition, representative compounds among gaseous radioactive iodine are elemental iodine and methyl iodine (organic iodine). Elemental iodine is easily removed by an activated carbon adsorbent. The adsorption amount is small, and there is a phenomenon of desorption over time, and the adsorption amount rapidly drops at high humidity due to the large influence on humidity.
국내 기술현황을 보면 1980년대 이후 활성탄계 방사성 요오드 흡착제를 사용해왔다. 특히 KI나 TEDA를 함유하는 첨착활성탄은 유해가스에 대한 우수한 흡착능으로 인해 산업 및 생활전반에 그 수요가 증가하고 있으며, 또한 환경규제의 강화로 인하여 효율이 우수하고 수명이 긴 첨착활성탄의 개발이 요구되고 있다. 하지만 첨착활성탄은 가격이 매우 고가이며 해외 수입기간 중 자연열화 현상이 발생하여 효율이 저하되고, 가스상에 존재하는 유기물, 질소 산화물, 이산화탄소 등에 의해 흡착능과 흡착제 수명이 크게 영향을 받는다는 문제점이 있다.Looking at the current state of technology in Korea, activated carbon-based radioactive iodine adsorbents have been used since the 1980s. In particular, the demand for impregnated activated carbon containing KI or TEDA is increasing in industry and overall life due to its excellent adsorption capacity for harmful gases. is becoming However, impregnated activated carbon is very expensive, and its efficiency is lowered due to natural deterioration during the overseas import period, and the adsorption capacity and life of the adsorbent are greatly affected by organic matter, nitrogen oxides, carbon dioxide, etc. present in the gas phase.
미국등록특허 제5,063,196호에서는 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 몰리브데늄(Mo)을 포함한 ASZM-TEDA 활성탄의 경우 금속 전구체와 유기 아민의 비율을 조절하여 약 5% 구리, 0.05% 은, 5% 아연, 2% 몰리브데늄 및 3% TEDA를 함침시켜 활성탄에 담지 하는 활성탄 제조방법을 제시하였다.In US Patent No. 5,063,196, in the case of ASZM-TEDA activated carbon containing silver (Ag), copper (Cu), zinc (Zn) and molybdenum (Mo), the ratio of metal precursor and organic amine is adjusted to approximately 5% copper , presented a method for preparing activated carbon in which activated carbon was impregnated with 0.05% silver, 5% zinc, 2% molybdenum, and 3% TEDA.
그러나 함침법을 이용한 금속-TEDA 함유 활성탄 제조방법의 경우 다공성 카본 담체에 활성 금속인 구리, 아연, 몰리브데늄, 은, 바나듐 및 유기 아민 등 전이금속을 함침 시킬 때 용액 상에서 분산 또는 용해시킬 수 있는 금속 및 유기 아민의 양이 제한적이고, 특히 활성탄의 특성상 미세 기공을 갖고 있어 금속 전구체의 함량이 많은 경우 담지체의 미세 기공 입구를 막아 기공 내에 많은 양의 금속 활성 물질을 담지하기 어려운 단점이 있다.However, in the case of the metal-TEDA-containing activated carbon manufacturing method using the impregnation method, when the porous carbon carrier is impregnated with transition metals such as copper, zinc, molybdenum, silver, vanadium and organic amines, which are active metals, it can be dispersed or dissolved in a solution phase. The amounts of metals and organic amines are limited, and in particular, since activated carbon has micropores due to the characteristics of activated carbon, when the content of the metal precursor is large, it is difficult to support a large amount of metal active material in the pores by blocking the micropore entrance of the carrier.
한편, 요오드는 Cu, Cd, Mn, Pb, Mn, Hg 및 Ag와 같은 금속이 포함된 흡착제와 반응하여 제거될 수 있지만 Ag가 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 따라서 금속 활성 물질인 구리, 아연 및 6B족 원소인 크롬(Cr), 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo) 등의 활성금속 물질의 함량을 증가시키는데 한계가 있어 고함량의 금속이 분산되며 열 및 화학적 안정성이 뛰어난 새로운 다공성 복합 소재의 개발이 요구되고 있다.On the other hand, iodine can be removed by reacting with an adsorbent containing metals such as Cu, Cd, Mn, Pb, Mn, Hg and Ag, but Ag is known to be the most effective. Therefore, there is a limit in increasing the content of active metal materials such as copper, zinc, which are metal active materials, and chromium (Cr), tungsten (W), and molybdenum (Mo), which are group 6B elements, so that a high content of metal is dispersed and heat And the development of a new porous composite material with excellent chemical stability is required.
금속-유기 골격체(metal organic framework, MOF)는 일반적으로 '다공성 배위고분자(porous coordination polymers)' 또는 '다공성 유무기 혼성체'라고도 하며, 나노 크기의 기공을 가지고 있어 넓은 표면적을 제공한다는 장점을 가지므로 물질을 흡착시켜 제거하거나 또는 기공 내에 조성물을 담지 하여 전달하는 용도로 흡착제, 기체 저장 물질, 센서, 멤브레인, 기능성 박막, 약물전달물질, 촉매 및 촉매 담체 등에 사용될 뿐만 아니라, 기공 크기보다 작은 게스트 분자를 포집하거나 기공을 이용하여 분자들을 크기에 따라 분리하는데 사용되고, 또한 금속-유기 골격체의 구조 내에 존재하는 다양한 활성금속을 사용하여 촉매반응에 적용할 수 있기 때문에 활발히 연구되고 있다. 한편 최근 금속-유기 골격체를 이용한 화학작용제 및 독성산업물질를 제거하려는 다양한 연구가 진행되었다[Angew. Chem. Int. Ed. 54, 6795-6799 (2015), J. Am. Chem. Soc. 133, 4178-4181 (2011), Angew. Chem. Int. Ed. 55, 13224-13228 (20160), PNAS 105, 11623-11627 (2008), Chem. Eng. Sci 124, 118-124 (2015)].Metal-organic frameworks (MOFs) are generally referred to as 'porous coordination polymers' or 'porous organic-inorganic hybrids', and have the advantage of providing a large surface area with nano-sized pores. Therefore, it is used as an adsorbent, a gas storage material, a sensor, a membrane, a functional thin film, a drug delivery material, a catalyst and a catalyst carrier, etc. for the purpose of adsorbing and removing the material or carrying the composition in the pores to deliver it, as well as a guest smaller than the pore size. It is being actively studied because it is used to trap molecules or separate molecules according to their size using pores, and can be applied to catalysis using various active metals present in the structure of the metal-organic framework. Meanwhile, recently, various studies have been conducted to remove chemical agents and toxic industrial substances using metal-organic frameworks [Angew. Chem. Int. Ed. 54, 6795-6799 (2015), J. Am. Chem. Soc. 133, 4178-4181 (2011), Angew. Chem. Int. Ed. 55, 13224-13228 (20160), PNAS 105, 11623-11627 (2008), Chem. Eng. Sci 124, 118-124 (2015)].
본 발명자들은 합성후개질에 의해 MOF의 수분안정성을 향상시키고 추가적인 기능성을 부여할 수 있는 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 친핵성 화합물을 도입하여 반응성이 높아 가수분해되기 쉬운 불포화 금속자리 또는 결함 자리의 일부 또는 전부를 선택적으로 친핵성 화합물로 개질함으로써 수분의 접근을 차단하여 안정성을 향상시킬 수 있음은 물론, 이의 메조 세공 내에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 기능성 화합물을 추가로 담지함으로써 유기 요오드와 같은 유해 물질을 효과적으로 흡착할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.As a result of intensive research efforts to discover a method capable of improving the moisture stability of MOF and imparting additional functionality by post-synthesis modification, the present inventors introduced a nucleophilic compound to introduce an unsaturated metal site or defect that is easy to hydrolyze due to its high reactivity By selectively modifying some or all of the sites with a nucleophilic compound, it is possible to improve stability by blocking access to moisture, as well as by additionally supporting a functional compound capable of performing adsorption or catalysis in its mesopores. It was confirmed that harmful substances such as iodine can be effectively adsorbed, and the present invention was completed.
본 발명의 제1양태는 수분안정성이 향상된 금속-유기 골격체(metal-organic framework; MOF)의 제조방법에 있어서, MOF 내 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질하여, 불포화(coordinatevely unsaturated) 금속 또는 결함(defect) 자리(sites)를 수분으로부터 차단하는 제1단계; 및 선택적으로(optionally), 제1단계로부터 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물을 추가로 담지하는 제2단계;를 포함하는 것이 특징인 수분안정성 MOF의 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a method for producing a metal-organic framework (MOF) with improved moisture stability, by modifying some or all of the unsaturated metal sites in the MOF with a nucleophilic compound, a first step of blocking the unsaturated) metal or defect sites from moisture; and optionally, a second step of additionally supporting a compound capable of performing adsorption or catalysis on the modified MOF from the first step;
본 발명의 제2양태는 MOF 내 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질되어, 불포화 금속 또는 결함 자리에서의 가수분해가 차단된, 개질 전 MOF에 비해 수분안정성이 향상된 MOF를 제공한다.The second aspect of the present invention provides a MOF with improved moisture stability compared to the MOF before modification, in which some or all of the unsaturated metal sites in the MOF are modified with a nucleophilic compound, and hydrolysis at the unsaturated metal or defect site is blocked. .
본 발명의 제3양태는 제2양태의 수분안정성이 향상된 MOF를 포함하는, 흡착용 조성물을 제공한다.A third aspect of the present invention provides a composition for adsorption, comprising the MOF having improved water stability of the second aspect.
본 발명의 제4양태는 제2양태의 수분안정성이 향상된 MOF를 상대습도 0.01% 이상인 습윤 조건에서 또는 수분 함유 매질 내에서 흡착제로 사용하는 방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a method of using the MOF having improved water stability of the second aspect as an adsorbent in a wet condition with a relative humidity of 0.01% or more or in a water-containing medium.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 합성후개질(post-synthetic modification; PSM)에 의해 기본 골격체인 MOF의 구조를 유지하면서 이에 포함된 불포화 금속 자리 또는 결함 자리와 같이 반응성이 높아 수분 존재시 쉽게 가수분해 되는 자리에 선택적으로 친핵성 화합물을 도입하여 소수성화 함으로써 물 분자가 접근하는 것을 차단하여 수분안정성을 향상시킬 수 있으며, 이의 메조기공 내에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 기능성 화합물을 추가로 도입함으로써 추가적인 기능을 부여하여 이산화탄소를 흡착하여 분리하거나, 유기 요오드, 포름알데히드 등의 유해물질을 제거하기 위한 흡착제로 사용 가능함을 발견한 것에 기초한다.The present invention maintains the structure of MOF, which is a basic framework, by post-synthetic modification (PSM) while maintaining high reactivity, such as unsaturated metal sites or defect sites contained therein, selectively at sites that are easily hydrolyzed in the presence of moisture. By introducing a nucleophilic compound to make it hydrophobic, it is possible to improve water stability by blocking the access of water molecules, and by additionally introducing a functional compound that can perform adsorption or catalytic reaction in its mesopores, an additional function is given. It is based on the discovery that it can be used as an adsorbent for adsorbing and separating carbon dioxide or removing harmful substances such as organic iodine and formaldehyde.
금속-유기 골격체(MOF)는 분자배위결합을 통해 중심금속 이온이 유기 리간드와 결합하여 형성된 다공성의 유무기 고분자 화합물이며, 골격 구조내에 유기물과 무기물을 모두 포함하고 분자크기 또는 나노크기의 세공구조를 갖는 결정성 화합물이다. 유기 리간드는 링커(linker)라고도 하며, 배위결합할 수 있는 작용기를 가진 어떠한 유기 화합물도 가능하며, 예를 들어 상기 유기 리간드는 카르복실기(-COOH), 카르복실산 음이온기(-COO-), 아민기(-NH2) 및 이미노기(=NH), 니트로기(-NO2), 히드록시기(-OH), 할로겐기(-X) 및 슬폰산기(-SO3H), 술폰산 음이온기(-SO3-), 메탄디티오산기(-CS2H), 메탄디티오산 이온기(-CS2-), 피리딘기 및 피라진기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 작용기를 갖는 화합물 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있다.A metal-organic framework (MOF) is a porous organic-inorganic high molecular compound formed by combining a central metal ion with an organic ligand through molecular coordination bonds, and includes both organic and inorganic materials in the framework structure and has a molecular or nano-sized pore structure. It is a crystalline compound having The organic ligand is also referred to as a linker, and any organic compound having a functional group capable of coordinating is possible. For example, the organic ligand is a carboxyl group (-COOH), a carboxylate anion group (-COO-), an amine group (-NH 2 ) and imino group (=NH), nitro group (-NO 2 ), hydroxyl group (-OH), halogen group (-X) and sulfonic acid group (-SO 3 H), sulfonic acid anion group (-SO 3 -), a compound having at least one functional group selected from the group consisting of a methanedithioic acid group (-CS 2 H), a methanedithioic acid ion group (-CS 2 -), a pyridine group and a pyrazine group, or a mixture thereof may be used. .
MOF의 골격(framework)은 SBU(secondary building unit)인 금속 클러스터(metal cluster)와 유기 리간드들 간 공유결합에 의해 형성되며, 금속 클러스터는 MOF의 골격에서 노드(node)가 될 수 있다. MOF들은 다양한 배위결합에 의한 기하학적 구조(coordination geometries), 폴리토픽 링커들(polytopic linkers), 및 보조적인 리간드(ancillary ligands (F-, OH-, H2O among others))에 의해 구성된다. 따라서, MOF 설계는 적절한 금속이온과 적절한 유기 리간드를 선정하는 데서 출발한다. 예컨대, 금속이온(예, Zn2 +)과 다양한 초산염들을 반응시키면 Zn4O(CH3COO)6 클러스터가 생성되고 이 클러스터들을 유기 리간드와 결합시키면 MOF 구조가 생성된다. 이때, 벤젠 구조의 유기 리간드 부분이 스페이서(spacer), Zn4O(CH3COO)6 클러스터 부분이 노드(node)가 될 수 있다.The framework of the MOF is formed by a covalent bond between a metal cluster, which is a secondary building unit (SBU), and organic ligands, and the metal cluster may become a node in the framework of the MOF. MOFs are composed of various coordination geometries, polytopic linkers, and ancillary ligands (F-, OH-, H 2 O among others). Therefore, MOF design starts with the selection of appropriate metal ions and appropriate organic ligands. For example, when metal ions (eg, Zn 2 + ) react with various acetates, Zn 4 O(CH 3 COO) 6 clusters are formed, and when these clusters are combined with an organic ligand, a MOF structure is created. In this case, the organic ligand portion of the benzene structure may be a spacer, and the Zn 4 O(CH 3 COO) 6 cluster portion may be a node.
그러나, 이들 MOF는 완전한 결정성을 갖기 어려우며, 리간드가 결합되지 않은 불포화 금속 자리 및/또는 결함 자리를 포함하게 된다. 한편, 이들 불포화 금속 자리 및 결함 자리는 상대적으로 반응성이 높아 물분자 등이 존재하는 경우 쉽게 가수분해 될 수 있어 수분에 대한 취약성을 나타낼 수 있다. 따라서, 이들 자리에 물분자가 접근하는 것을 방지함으로써 수분에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.However, these MOFs are difficult to have complete crystallinity and contain unsaturated metal sites and/or defect sites to which ligands are not bound. On the other hand, these unsaturated metal sites and defect sites have relatively high reactivity, so that they can be easily hydrolyzed in the presence of water molecules, thereby indicating vulnerability to moisture. Therefore, it is possible to improve the stability to moisture by preventing the water molecules from approaching these sites.
이를 위하여, 본 발명은 수분안정성이 향상된 MOF의 제조방법을 제공하며, 상기 본 발명의 제조방법은 MOF 내 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질하여, 불포화(coordinatevely unsaturated) 금속 또는 결함(defect) 자리(sites)를 수분으로부터 차단하는 제1단계; 및 선택적으로(optionally), 제1단계로부터 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물을 추가로 담지하는 제2단계;를 포함한다.To this end, the present invention provides a method for producing a MOF with improved moisture stability, wherein the production method of the present invention modifies a part or all of the unsaturated metal sites in the MOF with a nucleophilic compound, thereby providing an unsaturated (coordinatevely unsaturated) metal or defect. (defect) a first step of blocking the sites from moisture; and optionally (optionally), a second step of further supporting a compound capable of performing adsorption or catalysis on the modified MOF from the first step.
예컨대, 본 발명의 제조방법에 사용되는 제1단계에서 개질 대상인 MOF는 MOF 합성시 루이스산으로 작용하는 결함 자리를 갖는 것이 특징이다.For example, the MOF to be modified in the first step used in the manufacturing method of the present invention is characterized in that it has a defect site that acts as a Lewis acid during MOF synthesis.
예컨대, 본 발명의 제조방법에 있어서, 제1단계를 통해 개질 대상인 MOF의 세공크기보다 작은 친핵성 화합물이 MOF의 루이스산 자리인 불포화 금속 자리에 선택적으로 개질될 수 있다.For example, in the manufacturing method of the present invention, through the first step, a nucleophilic compound smaller than the pore size of the MOF to be modified may be selectively modified at the unsaturated metal site, which is the Lewis acid site of the MOF.
예컨대, 본 발명의 제조방법에 있어서, 제1단계에서 개질에 사용되는 화합물은 C1-12 알킬아민, C1-12 할로알킬아민, C1-4 할로알킬-아릴-C1-4 알킬아민, NHR1-CnH2n-NHR2, SH-Cn'H2n '-SH 또는 R3-5P-Cn"H2n"N-PR6-8(이때, n, n' 및 n"은 각각 독립적으로 1 내지 12의 정수이고, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 H, C1-12 알킬렌임)일 수 있다.For example, in the preparation method of the present invention, the compound used for modification in the first step is C 1-12 alkylamine, C 1-12 haloalkylamine, C 1-4 haloalkyl-aryl-C 1-4 alkylamine , NHR 1 -C n H 2n -NHR 2 , SH-C n' H 2n ' -SH or R 3-5 PC n" H 2n" N-PR 6-8 (wherein n, n' and n" are each independently an integer of 1 to 12, and R 1 to R 8 are each independently H, C 1-12 alkylene).
나아가, 제2단계에서 추가로 담지되는 화합물은 트리에틸렌디아민(triethylenediamine; TEDA) 또는 퀴누클리딘(quinuclidine)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Furthermore, the compound additionally supported in the second step may be triethylenediamine (TEDA) or quinuclidine, but is not limited thereto.
또한, 제2단계에서 추가로 담지되는 화합물은 금속 이온 또는 금속 나노입자일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the compound additionally supported in the second step may be a metal ion or a metal nanoparticle, but is not limited thereto.
예컨대, 본 발명의 제조방법에 있어서, 제2단계는 (i) 제1단계로부터 개질된 MOF와 추가로 담지하고자 하는 화합물을 오븐에 정치하거나, (ii) 기상 증착법으로 제1단계로부터 개질된 MOF에 추가로 담지하고자 하는 화합물을 담지시키는 방법으로 달성할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, in the manufacturing method of the present invention, the second step is (i) the MOF modified from the first step and the compound to be further supported is left in an oven, or (ii) the MOF modified from the first step by vapor deposition It can be achieved by a method of supporting the compound to be supported in addition to, but is not limited thereto.
예컨대, 상기 제2단계에서 기상 증착법을 이용하는 경우, 진공 및 고온에서 수행되는 반응 특성상 제1단계로부터 개질된 MOF에 담지된 친핵성 화합물이 일부 제거되면서 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물이 추가로 담지될 수 있다.For example, when a vapor deposition method is used in the second step, a compound capable of adsorption or catalysis is added while some of the nucleophilic compound supported on the MOF modified from the first step is partially removed due to the nature of the reaction performed at vacuum and high temperature. can be loaded with
나아가, 본 발명은 MOF 내 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질되어, 불포화 금속 또는 결함 자리에서의 가수분해가 차단된, 개질 전 MOF에 비해 수분안정성이 향상된 MOF를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a MOF with improved moisture stability compared to the pre-modification MOF, in which some or all of the unsaturated metal sites in the MOF are modified with a nucleophilic compound, and hydrolysis at the unsaturated metal or defect site is blocked.
예컨대, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 MOF 합성시 형성된 루이스 산 자리인 불포화 금속 자리에 선택적으로 MOF의 세공 크기 보다 작은 친핵성 화합물이 개질된 것이 특징이다.For example, the MOF with improved water stability of the present invention is characterized in that a nucleophilic compound smaller than the pore size of the MOF is selectively modified at an unsaturated metal site, which is a Lewis acid site formed during MOF synthesis.
예컨대, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 친핵성 화합물로의 개질로 인해 개질 전 MOF에 비해 소수성이 증가된 것일 수 있다. 이에 대한 구체적인 원리는 후술한다.For example, the MOF with improved water stability of the present invention may have increased hydrophobicity compared to the MOF before modification due to modification with a nucleophilic compound. A specific principle for this will be described later.
예컨대, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 미세 기공 및 메조 기공을 모두 포함하는 메조 다공성 MOF를 기반으로 할 수 있으며, 이때, 친핵성 화합물에 의한 개질은 미세 기공보다 메조 기공 내에서 우선적으로 이루어질 수 있다.For example, the MOF with improved moisture stability of the present invention may be based on a mesoporous MOF including both micropores and mesopores, and in this case, modification by a nucleophilic compound may be preferentially made within the mesopores rather than the micropores. there is.
본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF를 제공하기 위하여 사용 가능한 개질 대상 MOF는 그 구조에 메조기공을 갖는 한, 그 종류에 제한되지 않는다. 즉, 개질 대상 MOF는 금속-유기 클러스터를 담지할 수 있는 윈도우 크기, 예컨대, 1 nm 이상의 윈도우 크기를 갖는 것이 바람직하나, 이를 충족시키는 한 그 종류에 제한되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF를 제공하기 위하여 사용 가능한 개질 대상 MOF는 NU-1000, MIL-100, MIL-101, 확장된 MOF-74, PCN-222, DUT-32, Al-BDC(벤젠 디카르복실레이트; benzene dicarboxylate), Fe-BDC, Cr-BDC, V-BDC, Al-BTC, Cr-BTC, Fe-BTC, Al-BDC, Cr-BDC, Zr-BPDC, Cu-BTC(L1)(L1은 5-니트로-1,3-디카르복실레이트, 5-시아나이드-1,3-디카르복실레이트, 5-히드록실-1,3-디카르복실레이트, 또는 피리딘-3,5-디카르복실레이트), UiO-67, UiO-68, MOF-808, DUT-37, HKUST-1(Cu3(btc)2, btc; benzene-1,3,5-tricarboxylate)(tbo), MOF-14(Cu3(btb)2, btb; benzene-1,3,5-tribenzoate)(pto), DUT-34(Cu3(btb)2), DUT-23([Cu2(bipy)]3(btb)4), MOF-14, DUT-34, DUT-33, MOF-74(CPO-27), UMCM-1, UMCM-2, DUT-6(MOF-205), UMCM-3, UMCM-4, UMCM-5, MOF-210, DUT-32(Zn4O(bpdc)(btctb)4 /3, btctb; 4,4',4"-[benzene-1,3,5-triyltris(carbonylimino)]trisbenzoate, bpdc; 4,4'-biphenylendicarboxylate), DUT-6, PCN-21, DUT-68, MOP-1, DUT-49, UMCM-1, DUT-7, DUT-28(Co22(BTB)12(NO3)8(DEF)x(H2O)y)(이때, x 및 y는 각각 0 초과 50 미만인 유리수임), NU-109, NU-110, DUT-13 (Zn4O-(BenzTB)3/2, BenzTB; N,N,N',N'-benzidinetetrabenzoate), PCN-69, HKUST-1, MIL-101(Cr), 또는 UMCM-1일 수 있다.Modification target MOF that can be used to provide the MOF with improved moisture stability of the present invention is not limited to the type as long as it has mesopores in its structure. That is, the MOF to be modified preferably has a window size capable of supporting metal-organic clusters, for example, a window size of 1 nm or more, but is not limited to the type as long as it satisfies this. For example, the modified MOF that can be used to provide the MOF with improved moisture stability of the present invention is NU-1000, MIL-100, MIL-101, extended MOF-74, PCN-222, DUT-32, Al-BDC ( Benzene dicarboxylate; benzene dicarboxylate), Fe-BDC, Cr-BDC, V-BDC, Al-BTC, Cr-BTC, Fe-BTC, Al-BDC, Cr-BDC, Zr-BPDC, Cu-BTC ( L1) (L1 is 5-nitro-1,3-dicarboxylate, 5-cyanide-1,3-dicarboxylate, 5-hydroxyl-1,3-dicarboxylate, or pyridine-3 ,5-dicarboxylate), UiO-67, UiO-68, MOF-808, DUT-37, HKUST-1(Cu 3 (btc) 2 , btc; benzene-1,3,5-tricarboxylate) (tbo ), MOF-14(Cu 3 (btb) 2 , btb; benzene-1,3,5-tribenzoate)(pto), DUT-34(Cu 3 (btb) 2 ), DUT-23([Cu 2 (bipy) )] 3 (btb) 4 ), MOF-14, DUT-34, DUT-33, MOF-74(CPO-27), UMCM-1, UMCM-2, DUT-6(MOF-205), UMCM-3 , UMCM-4, UMCM-5, MOF-210, DUT-32(Zn 4 O(bpdc)(btctb) 4 /3 , btctb; 4,4',4"-[benzene-1,3,5-triyltris (carbonylimino)]trisbenzoate, bpdc; 4,4'-biphenylendicarboxylate), DUT-6, PCN-21, DUT-68, MOP-1, DUT-49, UMCM-1, DUT-7, DUT-28 (Co 22 (BTB) 12 (NO 3 ) 8 (DEF) x (H 2 O) y ) (where x and y are rational numbers greater than 0 and less than 50, respectively), NU-109, NU-110, DUT-13 (Zn 4 O-(BenzTB) 3/2 , BenzTB;N,N,N',N'-benzidinetetr abenzoate), PCN-69, HKUST-1, MIL-101 (Cr), or UMCM-1.
예컨대, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF에 있어서, 개질 전 MOF는 상기 예시한 MOF의 리간드가 기능화된 물질일 수 있다. 예컨대, 개질 전 MOF는 이를 구성하는 리간드에 아미노기가 치환된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, in the MOF with improved water stability of the present invention, the MOF before modification may be a material in which the ligand of the MOF as exemplified above is functionalized. For example, the MOF before modification may be one in which an amino group is substituted with a ligand constituting the same, but is not limited thereto.
구체적으로, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF를 구성하는 개질 전 MOF는 MIL-101, MIL-100, 또는 MIL-101-NH2일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the pre-modification MOF constituting the MOF with improved moisture stability of the present invention may be MIL-101, MIL-100, or MIL-101-NH 2 , but is not limited thereto.
예컨대, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 친핵성 화합물로서 C1-12 알킬아민, C1-12 할로알킬아민, C1-4 할로알킬-아릴-C1-4 알킬아민, NHR1-CnH2n-NHR2, SH-Cn'H2n'-SH 또는 R3-5P-Cn"H2n"N-PR6-8(이때, n, n' 및 n"은 각각 독립적으로 1 내지 12의 정수이고, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 H, C1-12 알킬렌임)로 개질된 MOF일 수 있다. 상기 친핵성 화합물은 반응성 작용기로서 아민, 티올 또는 포스핀을 포함하며, 그 주쇄에는 소수성 탄화수소사슬을 포함하므로, 이를 이용한 개질을 통해 개질 이전에 비해 개질 대상 MOF의 소수성을 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다.For example, the MOF with improved moisture stability of the present invention is a nucleophilic compound, C 1-12 alkylamine, C 1-12 haloalkylamine, C 1-4 haloalkyl-aryl-C 1-4 alkylamine, NHR 1 -C n H 2n -NHR 2 , SH-C n' H 2n' -SH or R 3-5 PC n" H 2n" N-PR 6-8 (Wherein, n, n' and n" are each independently 1 to may be an integer of 12, and R 1 to R 8 are each independently H, C 1-12 alkylene.) The nucleophilic compound includes an amine, thiol or phosphine as a reactive functional group, and Since the main chain includes a hydrophobic hydrocarbon chain, it is possible to exhibit the effect of improving the hydrophobicity of the MOF to be modified compared to before the modification through modification using the same.
구체적으로, 상기 친핵성 화합물은 아밀아민, 헵틸아민, 4-(트리플루우로메틸)벤질아민, 또는 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸아민일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the nucleophilic compound may be amylamine, heptylamine, 4-(trifluoromethyl)benzylamine, or 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutylamine, but not limited
예컨대, 상기 친핵성 화합물은 사용된 MOF 100중량부를 기준으로 1 내지 70중량부로, 구체적으로는 10 내지 60중량부로 포함될 수 있다.For example, the nucleophilic compound may be included in an amount of 1 to 70 parts by weight, specifically 10 to 60 parts by weight, based on 100 parts by weight of the MOF used.
나아가, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 친핵성 화합물로 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물을 추가로 담지함으로써 2 이상의 기능을 발휘할 수 있다.Furthermore, the MOF with improved moisture stability of the present invention can exhibit two or more functions by additionally supporting a compound capable of performing adsorption or catalysis on the MOF modified with a nucleophilic compound.
이때, 추가로 담지되는 화합물은 TEDA 또는 퀴누클리딘일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이들 화합물은 분자 내에 비공유 전자쌍을 갖는 3차 아민을 하나 이상 포함하여 친핵성을 갖는 것이 특징이며, 이러한 친핵성을 토대로 독성 가스에 대한 흡착 성능을 나타낼 수 있다.In this case, the additionally supported compound may be TEDA or quinuclidine, but is not limited thereto. These compounds are characterized by having nucleophilicity by including at least one tertiary amine having a lone pair of electrons in the molecule, and may exhibit adsorption performance for toxic gases based on such nucleophilicity.
예컨대, 상기 추가로 담지되는 화합물은 사용된 MOF 100중량부를 기준으로 1 내지 50중량부로 포함될 수 있다. 예컨대, 3 내지 20중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 아울러, 상기 담지되는 화합물의 양은 반응시키는 화합물의 양을 조절함으로써 원하는 수준으로 담지량을 조절할 수 있다.For example, the additionally supported compound may be included in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the MOF used. For example, it may be included in 3 to 20 parts by weight, but is not limited thereto. In addition, the amount of the supported compound can be adjusted to a desired level by adjusting the amount of the reacted compound.
본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 이의 흡착자리에 대한 물 분자의 접근이 차단된 것이 특징이다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 소수성 탄화수소 사슬을 주쇄에 갖는 화합물로 개질되어 부가적인 소수성을 나타내므로 이에 의해 물 분자의 접근을 차단할 수 있다.The MOF with improved water stability of the present invention is characterized in that the access of water molecules to its adsorption site is blocked. As described above, the MOF with improved water stability of the present invention is modified with a compound having a hydrophobic hydrocarbon chain in the main chain to exhibit additional hydrophobicity, thereby blocking the access of water molecules.
예컨대, 본 발명에 따른 친핵성 화합물로 개질된 MOF 및/또는 상기 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물을 추가로 담지한 MOF는 개질되지 않은 MOF에 비해 10% 이상 감소된 수분 흡착능을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 MOF는 개질되지 않은 MOF에 비해 수분 흡착량이 20% 이상, 30% 이상, 나아가 50% 이상 감소된 MOF일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the MOF modified with the nucleophilic compound according to the present invention and/or the MOF additionally supported with a compound capable of performing adsorption or catalysis on the modified MOF has reduced moisture by at least 10% compared to the unmodified MOF. adsorption capacity may be exhibited. Specifically, the MOF of the present invention may be a MOF having a moisture adsorption amount reduced by 20% or more, 30% or more, and further 50% or more compared to an unmodified MOF, but is not limited thereto.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 MIL-101을 대상으로 TFM-BA 및 선택적으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101의 수분 흡착량을 비교하여, 상기 개질로 인해 개질 전의 MOF에 비해 동일한 온도 및 압력 조건에서 수분 흡착량이 절반 이하로 감소한 것을 확인하였다(도 9).In a specific embodiment of the present invention, the moisture adsorption amount of MIL-101 additionally supported with TFM-BA and optionally quinuclidine for MIL-101 was compared, and the same temperature and It was confirmed that the amount of moisture adsorption was reduced to less than half under the pressure condition (FIG. 9).
상기와 같이 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 소수성 화합물로 개질되어 물 분자의 접근을 차단할 수 있으므로, 상대습도 0.01% 이상, 예컨대, 15% 이상인 습윤 조건에서 또는 수분 함유 매질 내에서도 가수분해가 저해되어 흡착제 또는 촉매로 사용 가능한 것이 특징이다.As described above, the MOF with improved water stability of the present invention can be modified with a hydrophobic compound to block the access of water molecules, so that hydrolysis is inhibited even in wet conditions of at least 0.01% relative humidity, for example, at least 15% or in a water-containing medium. It is characterized in that it can be used as an adsorbent or catalyst.
이러한 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 전술한 본 발명의 제1양태에 따른 방법으로 제조할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The MOF with improved water stability of the present invention may be prepared by the method according to the first aspect of the present invention, but is not limited thereto.
나아가, 본 발명은 상기 수분안정성이 향상된 MOF를 포함하는, 흡착용 조성물을 제공할 수 있다.Furthermore, the present invention may provide a composition for adsorption, including the MOF having improved moisture stability.
전술한 바와 같이, 본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 친핵성 화합물로 개질되어 독성 가스에 대한 흡착력을 가지므로 이들 물질에 대한 흡착제로 사용될 수 있다.As described above, the MOF having improved moisture stability of the present invention can be used as an adsorbent for these substances because it has an adsorbing power to a toxic gas by being modified with a nucleophilic compound.
예컨대, 본 발명의 흡착용 조성물은 독성가스, 방사성 가스, 이산화탄소, 반도체 폐가스 또는 이차전지 내에 존재하는 폐가스를 흡착할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the adsorption composition of the present invention may adsorb toxic gas, radioactive gas, carbon dioxide, semiconductor waste gas, or waste gas present in a secondary battery, but is not limited thereto.
아울러 본 발명의 흡착용 조성물은, 전술한 바와 같이, 개질을 통해 소수성이 증가되어 수분안정성이 향상된 MOF를 포함하므로, 상대습도 0.01% 이상, 예컨대, 15% 이상인 습윤 조건에서 또는 수분 함유 매질 내에서 사용가능한 것이 특징이다.In addition, the composition for adsorption of the present invention, as described above, contains a MOF having improved water stability by increasing hydrophobicity through modification, and thus, a relative humidity of 0.01% or more, for example, 15% or more, in a wet condition or in a water-containing medium. It is a feature that can be used.
나아가, 본 발명은 상기 제2양태의 수분안정성이 향상된 MOF를 상대습도 0.01% 이상, 예컨대, 15% 이상인 습윤 조건에서 또는 수분 함유 매질 내에서 흡착제로 사용하는 방법을 제공한다. 이의 작동 원리는 전술한 바와 같다.Furthermore, the present invention provides a method of using the MOF with improved moisture stability of the second aspect as an adsorbent in a wet condition of 0.01% or more, for example, 15% or more, or in a moisture-containing medium. Its working principle is as described above.
본 발명의 수분안정성이 향상된 MOF는 약 150 내지 500 nm의 크기를 갖는 입자로서, 흡착제로 사용시에는 이를 펠렛 형태로로 성형하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The MOF with improved moisture stability of the present invention is a particle having a size of about 150 to 500 nm, and when used as an adsorbent, it may be molded into a pellet form and used, but is not limited thereto.
본 발명의 제조방법은 합성후개질에 의해, MOF에 친핵성 화합물을 도입하여 반응성이 높아 가수분해되기 쉬운 불포화 금속자리 또는 결함 자리의 일부 또는 전부를 선택적으로 친핵성 화합물로 개질함으로써, 수분의 접근을 차단하여 안정성을 향상시킬 수 있음은 물론, 이의 메조 세공 내에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 기능성 화합물을 추가로 담지함으로써 유기 요오드와 같은 유해 물질을 효과적으로 흡착할 수 있는, 수분안정성이 향상되고 추가적인 기능성이 부여된 MOF를 제공하므로, 이와 같이 제조된 개질된 MOF는 독성 가스에 대한 흡착제로 유용하게 사용될 수 있다.The production method of the present invention introduces a nucleophilic compound into the MOF by post-synthesis modification and selectively modifies some or all of the unsaturated metal sites or defect sites, which are easily hydrolyzed due to high reactivity, with a nucleophilic compound, thereby accessing moisture. In addition to being able to improve stability by blocking Since the MOF provided with additional functionality is provided, the modified MOF prepared as described above can be usefully used as an adsorbent for toxic gases.
도 1은 MIL-101의 구조를 나타낸 도이다. 녹색은 Cr 원자를, 빨간색은 O 원자를, 회색은 C 완자를 나타내며, H 원자는 생략한다.
도 2는 MIL-101에 1차 친핵성 화합물, 예컨대, 트리플루오로메틸벤질아민(trifluoromethylbenzylamine; TFM-BA), 헵타플루오로부틸아민(heptafluorobutylamine; HF-ButA), 아밀아민(amylamine; C5A) 또는 헵틸아민(heptylamine; C7A), 및 2차 기능성 유기 물질로서 트리에틸렌디아민(triethylenediamine; TEDA) 또는 퀴누클리딘(quinuclidine) 담지 과정을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 분말 X-선 회절(powder X-ray diffraction; PXRD) 패턴을 나타낸 도이다.
도 4는 77K에서 MIL-101, TFM-BA 또는 HF-ButA가 담지된 MIL-101, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 (a) N2 물리흡착등온선(physisorption isotherms) 및 (b) 세공 크기 분포도(pore size distribution)를 나타낸 도이다.
도 5는 MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 He 흐름 하에서 MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 적외선 분광분석(FT-IR) 스펙트럼 나타낸 도이다.
도 7은 MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 2가지 상이한 방법, 예컨대, 오븐 및 기상증착으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101의 PXRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 8은 77K에서 MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 오븐 및 기상증착으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101의 (a) N2 물리흡착등온선 및 (b) 세공 크기 분포도를 나타낸 도이다.
도 9는 303K에서 MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 수분 흡착 등온선을 나타낸 도이다.
도 10은 MIL-101, 각각 (a) 아밀아민 및 (b) 헵틸아민 담지된 MIL-101, 및 이들에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 PXRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 11은 77K에서 MIL-101과 각각 아밀아민 및 헵틸아민 담지된 MIL-101의 (a) N2 물리흡착등온선 및 (b) 세공 크기 분포도를 나타낸 도이다.
도 12는 MIL-101-NH2, TFM-BA 담지된 MIL-101-NH2, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101-NH2의 PXRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 13은 MIL-100, TFM-BA 담지된 MIL-100, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-100의 PXRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 14는 유기 요오드 파과 장치 개략도를 나타낸 도이다.
도 15는 상대습도 95%의 습윤 조건 및 303K 하에서, 상용 탄소계 흡착제인 ASZM-TEDA를 사용하여 획득한 로그형 파과 곡선을 나타낸 도이다.
도 16은 상대습도 95%의 습윤 조건 및 303K 하에서, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 오븐 및 기상증착으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101의 유기 요오드에 대한 (a) 선형 파과 곡선 및 (b) 로그형 파과 곡선을 나타낸 도이다.
도 17은 상대습도 95%의 습윤 조건 및 303K 하에서, TFM-BA 담지된 MIL-101-NH2의 유기 요오드에 대한 로그형 파과 곡선을 나타낸 도이다.
도 18은 상대습도 95%의 습윤 조건 및 303K 하에서, TFM-BA 담지된 MIL-100의 유기 요오드에 대한 로그형 파과 곡선을 나타낸 도이다.
도 19는 DMMP 파과 장치 개략도를 나타낸 도이다.
도 20은 상대습도 15%의 습윤 조건 및 297K 하에서, ASZM-TEDA과 TFM-BA 및 이에 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101 사용하여 획득한 DMMP에 대한 선형 파과 곡선을 나타낸 도이다.
도 21은 상대습도 80%의 습윤 조건 및 298K 하에서, 상용 탄소계 흡착제 SGC-100의 포름알데히드에 대한 로그형 파과 곡선을 나타낸 도이다.
도 22는 상대습도 80%의 습윤 조건 및 298K 하에서, MIL-101, TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 퀴누클리딘이 추가 담지된 MIL-101의 포름알데히드에 대한 로그형 파과 곡선을 나타낸 도이다.1 is a diagram showing the structure of MIL-101. Green indicates Cr atoms, red indicates O atoms, gray indicates C atoms, and H atoms are omitted.
2 shows a primary nucleophilic compound in MIL-101, such as trifluoromethylbenzylamine (TFM-BA), heptafluorobutylamine (HF-ButA), amylamine (C5A) or Heptylamine (C7A), and as a secondary functional organic material is a diagram schematically showing a process of supporting triethylenediamine (TEDA) or quinuclidine (quinuclidine).
3 is a diagram showing a powder X-ray diffraction (PXRD) pattern of MIL-101, TFM-BA-supported MIL-101, and MIL-101 additionally supported with quinuclidine.
4 is (a) N 2 physisorption isotherms and ( b) A diagram showing the pore size distribution.
5 is a view showing a scanning electron microscope image of MIL-101, MIL-101 on which TFM-BA is supported, and MIL-101 on which quinuclidine is additionally supported.
6 is a diagram showing infrared spectroscopy (FT-IR) spectra of MIL-101, TFM-BA-supported MIL-101, and MIL-101 further supported thereon with quinuclidine under He flow.
7 is a view showing the PXRD pattern of MIL-101, TFM-BA-supported MIL-101, and MIL-101 additionally supported with quinuclidine by two different methods, for example, oven and vapor deposition.
8 is (a) N 2 physisorption isotherms and (b) pores of MIL-101, TFM-BA-supported MIL-101 at 77K, and MIL-101 additionally supported with quinuclidine by oven and vapor deposition thereon; It is a diagram showing the size distribution diagram.
9 is a diagram showing the moisture adsorption isotherms of MIL-101, TFM-BA-supported MIL-101, and MIL-101 additionally supported with quinuclidine at 303K.
10 is a view showing the PXRD pattern of MIL-101, each of (a) amylamine and (b) heptylamine-supported MIL-101, and MIL-101 on which quinuclidine is additionally supported.
11 is a diagram showing (a) N 2 physisorption isotherms and (b) pore size distributions of MIL-101 and MIL-101 supported with amylamine and heptylamine at 77K, respectively.
12 is a diagram showing the PXRD pattern of the MIL-101-NH 2, TFM -BA supporting the MIL-101-NH 2, and hence the quinuclidine the MIL-101-NH 2 further supported.
13 is a view showing the PXRD pattern of MIL-100, TFM-BA-supported MIL-100, and MIL-100 on which quinuclidine is additionally supported.
14 is a diagram showing a schematic diagram of an organic iodine breakthrough device.
15 is a diagram showing a log-type breakthrough curve obtained using ASZM-TEDA, a commercial carbon-based adsorbent, under a wet condition of 95% relative humidity and 303K.
Figure 16 is under a wet condition of 95% relative humidity and 303K, TFM-BA-supported MIL-101, and MIL-101 additionally loaded with quinuclidine by oven and vapor deposition thereon for organic iodine (a) Linear Breakthrough curves and (b) are diagrams showing logarithmic breakthrough curves.
17 is a diagram showing a log-type breakthrough curve for organic iodine of TFM-BA-supported MIL-101-NH 2 under a wet condition of 95% relative humidity and 303K.
18 is a diagram showing a log breakthrough curve for organic iodine of TFM-BA-supported MIL-100 under a wet condition of 95% relative humidity and 303K.
19 is a diagram showing a schematic diagram of a DMMP breakthrough device.
20 is a diagram showing a linear breakthrough curve for DMMP obtained by using ASZM-TEDA, TFM-BA, and MIL-101 additionally supported therewith with quinuclidine under a wet condition of 15% relative humidity and 297K.
21 is a diagram showing a log breakthrough curve for formaldehyde of a commercial carbon-based adsorbent SGC-100 under a wet condition of 80% relative humidity and 298K.
22 is a log breakthrough curve for formaldehyde of MIL-101, TFM-BA-supported MIL-101, and MIL-101 additionally supported therewith with quinuclidine under a wet condition of 80% relative humidity and 298 K It is also
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.
제조예 1: MIL-101의 제조Preparation Example 1: Preparation of MIL-101
수열법(hydrothermal method)을 이용하여 MIL-101을 제조하였다. 구체적으로, 1L 테프론 라이닝 오토클레이브에 Cr(NO3)3·9H2O, TPA(terephthalic acid) 및 물을 1:1:267의 몰비로 혼합하여 합성용액을 제조하고, 220℃에서 8시간 동안 반응시킨 후, 물과 에탄올 및 NH4F 수용액으로 세척하고 여과하여 건조하였다. 상기와 같이 합성된 MIL-101은 [Cr3(OH)(H2O)2O(C6H4(CO2)2)3]·H2O의 화학식을 가지며, 12 Å 크기의 오각형 윈도우(pentagonal window), 16×14.5Å 크기의 육각형 윈도우(hexagonal window) 및 29×34Å 크기의 메조세공 케이지를 갖는, 도 1의 골격 구조를 갖는다.MIL-101 was prepared using a hydrothermal method. Specifically, a 1L Teflon-lined autoclave was mixed with Cr(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, TPA (terephthalic acid) and water in a molar ratio of 1:1:267 to prepare a synthetic solution, and at 220°C for 8 hours After the reaction, the mixture was washed with water, ethanol and NH 4 F aqueous solution, filtered and dried. MIL-101 synthesized as described above has a chemical formula of [Cr 3 (OH)(H 2 O) 2 O(C 6 H 4 (CO 2 ) 2 ) 3 ]·H 2 O, and a pentagonal window with a size of 12 Å (pentagonal window), having a hexagonal window of 16 × 14.5 Å size and a mesoporous cage of 29 × 34 Å size, having the framework structure of Figure 1 .
제조예 2: MIL-101-NHPreparation Example 2: MIL-101-NH 22 의 제조manufacture of
수열법을 이용하여 MIL-101-NO2를 합성한 후, 환원반응을 진행하여 MIL-101-NH2를 제조하였다. 구체적으로, 1L 테프론 라이닝 오토클레이브에 CrCl3·6H2O, 니트로-TPA(nitroterephthalic acid) 및 물을 1:1:268의 몰비로 혼합하여 합성용액을 제조하고, 200℃에서 4일 동안 반응시킨 후, 물과 에탄올 및 NH4F 수용액으로 세척하고 여과 및 건조하여 MIL-101-NO2를 수득하였다. 수득한 MIL-101-NO2를 1당량 대비 20몰의 SnCl2 및 4000몰비의 에탄올 용매와 6시간 동안 환류반응시키고, 상온으로 냉각시킨 후 염산을 첨가하여 6시간 이상 교반하고 물과 에탄올로 세척하여 여과 및 건조하였다.After synthesizing MIL-101-NO 2 using a hydrothermal method, a reduction reaction was performed to prepare MIL-101-NH 2 . Specifically, a synthetic solution was prepared by mixing CrCl 3 .6H 2 O, nitro-TPA (nitroterephthalic acid) and water in a 1L Teflon-lined autoclave in a molar ratio of 1:1:268, and reacted at 200°C for 4 days. Then, washed with water, ethanol and NH 4 F aqueous solution, filtered and dried to obtain MIL-101-NO 2 . The obtained MIL-101-NO 2 was refluxed for 6 hours with an ethanol solvent of 20 mol of SnCl 2 and 4000 molar ratio relative to 1 equivalent, cooled to room temperature, hydrochloric acid was added, stirred for 6 hours or more, and washed with water and ethanol was filtered and dried.
제조예 3: MIL-100의 제조Preparation Example 3: Preparation of MIL-100
수열법을 이용하여 MIL-100을 제조하였다. 구체적으로, 1L 테프론 라이닝 오토클레이브에 Fe(NO3)3·9H2O, TPA 및 물을 1:0.7:56의 몰비로 혼합하여 합성용액을 제조하고, 160℃에서 8시간 동안 반응시킨 후, 물과 에탄올로 세척하고 여과 및 건조하였다.MIL-100 was prepared using the hydrothermal method. Specifically, a synthetic solution was prepared by mixing Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O, TPA and water in a molar ratio of 1:0.7:56 in a 1L Teflon-lined autoclave, and after reacting at 160°C for 8 hours, Washed with water and ethanol, filtered and dried.
실시예 1: 친유성 표면개질된 MOF의 제조Example 1: Preparation of lipophilic surface-modified MOF
상기 제조예 1 내지 3에 따라 준비한 MOF를 소수성 아민류에 함침시켜 소수성을 부여하였다. 상기 소수성 아민으로는 알킬아민류인 아밀아민(amylamine, C5-A) 및 헵틸아민(heptylamine, C7-A)과 F를 포함하는 아민류인 트리플루오로메틸벤질아민(trifluoromethylbenzylamine; TFM-BA) 및 헵타플루오로부틸아민(heptafluorobutylamine; HF-ButA)을 사용하였으며, MOF는 상기 제조예에 따라 준비한 것을 진공 및 150℃의 고온에서 12시간 동안 전처리하여 불포화 금속 자리에 결합된 수분이나 잔여 불순물을 제거한 것을 사용하였다. 구체적으로, 1 g의 MOF 당 3 mmol의 아민 및 60 mL의 무수 톨루엔을 첨가하여 24시간 동안 환류 반응시켰다. 반응을 완료하고 냉각하여 에탄올 및 증류수로 세척한 후, 100℃에서 건조하여 흡착 분말을 회수하였다.The MOF prepared according to Preparation Examples 1 to 3 was impregnated with hydrophobic amines to impart hydrophobicity. The hydrophobic amines include alkylamines amylamine (C5-A) and heptylamine (C7-A) and amines including F trifluoromethylbenzylamine (TFM-BA) and heptafluoro Heptafluorobutylamine (HF-ButA) was used, and the MOF prepared according to the above preparation example was pretreated at vacuum and high temperature of 150° C. for 12 hours to remove moisture or residual impurities bound to unsaturated metal sites. . Specifically, 3 mmol of an amine and 60 mL of anhydrous toluene were added per 1 g of MOF, followed by reflux reaction for 24 hours. After the reaction was completed, cooled, washed with ethanol and distilled water, and dried at 100° C. to recover the adsorbed powder.
실시예Example 2: 기능성 유기 물질로 2차 2: Secondary as a functional organic material 개질된modified MOF의 제조 Manufacturing of MOFs
상기 실시예 1에 따라 친유성 표면개질된 MOF의 세공 내에 아민류의 기능성 유기 물질을 효과적으로 담지하기 위하여, 2가지 방법으로 과정을 진행하고, 반응성을 비교하였다. 먼저, 오븐을 사용하는 담지법을 이용하여, 상기 실시예 1에 따라 준비한 표면처리된 1 g의 MOF에 10중량%에 해당하는 고형 아민을 섞어 80℃의 오븐에 넣어 4시간 동안 담지시켰다. 다음으로는, 기상증착법을 이용하여, MOF의 세공 내에 아민을 선택적으로 담지하였다. 구체적으로, 상기 실시예 1에 따라 준비한 표면개질된 1 g의 MOF를 반응기에 장착한 후, 헬륨 분위기 하에서 150℃의 고온으로 12시간 동안 전처리하였다. 전처리가 끝나면 반응기와 연결된 다른 용기에 담지하고자 하는 기능성 유기 물질을 10중량% 담고 진공상태로 만든 후, 천천히 150℃까지 가열하여 상기 기능성 유기 물질을 승화시켜 반응시키고, 반응이 완료되면 냉각시켜 시료를 회수하였다.In order to effectively support the functional organic material of amines in the pores of the lipophilic surface-modified MOF according to Example 1, the process was carried out in two ways, and the reactivity was compared. First, by using a supporting method using an oven, 1 g of the surface-treated MOF prepared according to Example 1 was mixed with a solid amine corresponding to 10% by weight, put in an oven at 80° C., and supported for 4 hours. Next, an amine was selectively supported in the pores of the MOF using a vapor deposition method. Specifically, 1 g of the surface-modified MOF prepared according to Example 1 was mounted in a reactor, and then pretreated for 12 hours at a high temperature of 150° C. under a helium atmosphere. When the pre-treatment is finished, 10% by weight of the functional organic material to be loaded is placed in another container connected to the reactor, made in a vacuum, and then slowly heated to 150° C. to sublimate the functional organic material and react, and when the reaction is completed, the sample is cooled recovered.
실험예Experimental example 1: 구조 및 성분 분석 1: Structural and compositional analysis
상기 제조예 및 실시예에 따라 합성한 소수성 및 기능성 유기 물질로 개질된, 친유성 및 안정성이 향상된 MOF의 특성을 분석하였다.Characteristics of MOF modified with hydrophobic and functional organic materials synthesized according to Preparation Examples and Examples with improved lipophilicity and stability were analyzed.
먼저, MIL-101은 [Cr3(OH)(H2O)2O(C6H4(CO2)2)3]·H2O의 화학식으로 표시되는 다공성 나노 구조체로서, 아민 화합물과의 반응성이 우수한 불포화 결합 자리(coordinatively unsaturated metal site; CUS)를 다수(약 1.7 mmol/g) 보유하므로, 아민 화합물을 선택적으로 기능화 시키기에 적합하였다.First, MIL-101 is a porous nanostructure represented by the formula of [Cr 3 (OH)(H 2 O) 2 O(C 6 H 4 (CO 2 ) 2 ) 3 ] H 2 O, and Since it has a large number of highly reactive coordinatively unsaturated metal sites (CUS) (about 1.7 mmol/g), it is suitable for selectively functionalizing amine compounds.
상기 실시예 1 및 2에 따라 준비한 물질 중, MIL-101을 기본 골격체로 사용하고, F를 포함하는 아민류인 TFM-BA 및 기능성 유기 물질로서 퀴누클리딘을 사용하여 오븐에서 반응시켜 제조한 분말의 결정 구조를 분말 X-선 회절분석(powder X-ray diffraction; PXRD)으로 분석하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, XRD 분석 결과, 소수성 유기 물질 예컨대, TFM-BA 또는 HF-ButA 및/또는 기능성 유기 물질인 퀴누클리딘을 담지하기 전과 후에 XRD를 측정하고, 이를 종래 보고된 MIL-101에 대한 XRD 패턴과 비교하여, 개질 이후에도 MIL-101 자체의 특징적인 XRD 패턴이 유지되는 것을 확인하였다.Among the materials prepared according to Examples 1 and 2, MIL-101 was used as a basic framework, and TFM-BA, an amine containing F, and quinuclidine as a functional organic material were used to react in an oven. The crystal structure was analyzed by powder X-ray diffraction (PXRD), and the results are shown in FIG. 3 . As shown in FIG. 3 , as a result of XRD analysis, XRD was measured before and after loading a hydrophobic organic material such as TFM-BA or HF-ButA and/or a functional organic material, quinuclidine, which was previously reported MIL-101 Compared with the XRD pattern for MIL-101, it was confirmed that the characteristic XRD pattern of MIL-101 itself was maintained even after modification.
나아가, 질소물리흡착법을 이용하여 질소 흡착 등온선(physisorption isotherms) 및 기공 분포도(pore size distribution)를 도출하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4a에 나타난 질소 흡착 등온선으로부터 계산된 BET 표면적 값은 MIL-101과 비교하여 TFM-BA 담지 후 표면적은 2980 m2/g으로부터 1915 m2/g으로 감소하였으며, 퀴누클리딘의 추가적인 담지 이후에는 1769 m2/g까지 감소하였다. MIL-101의 총 세공 부피 역시 1.52 mL/g으로부터, TFM-BA 담지 후 0.88 mL/g으로 감소되었다. 한편, 도 4b에 나타난 기공 분포는 TFM-BA 및 퀴누클리딘의 담지로 인해 약 1 내지 2 nm의 세공 크기 감소를 나타냈으며, 이는 TFM-BA 및 퀴누클리딘이 MIL-101의 메조 세공을 막아 발생하는 일부 세공 막힘 현상에 의한 표면적 및 총 세공 부피 감소에 기인한다. 특히, P/P0=0.1 내지 0.2 사이의 저압 영역(메조 세공)에서의 질소 흡착량 감소는 도입된 아민이 메조 세공 내에 우선적으로 담지됨을 나타내는 것이다. 이로부터 아민류 담지 이후에도 가스가 흡착할 수 있는 미세 세공이 여전히 남아 있음을 확인하였다. 반면, HF-ButA를 담지한 경우, MIL-101의 표면적은 2980 m2/g으로부터 2647 m2/g으로 감소하였으며, 총 세공 부피는 1.52 mL/g으로부터 1.21 mL/g으로 감소하였다. 이는 TFM-BA를 담지시킨 경우와 달리 상대적으로 적은 양의 HF-ButArk 담지되어 표면적 및/또는 세공 부피의 감소가 적음을 나타낸다. 기공 분포도 감소 역시 0.5 내지 1 nm로 감소 정도가 줄어들었다.Furthermore, nitrogen adsorption isotherms and pore size distributions were derived using the nitrogen physisorption method, and the results are shown in FIG. 4 . The BET surface area value calculated from the nitrogen adsorption isotherm shown in FIG. 4a decreased from 2980 m 2 /g to 1915 m 2 /g after TFM-BA loading compared with MIL-101, and after additional loading of quinuclidine, reduced to 1769 m 2 /g. The total pore volume of MIL-101 was also reduced from 1.52 mL/g to 0.88 mL/g after TFM-BA loading. On the other hand, the pore distribution shown in FIG. 4b showed a pore size reduction of about 1 to 2 nm due to the loading of TFM-BA and quinuclidine, which prevented the mesopores of MIL-101 by TFM-BA and quinuclidine. This is due to the reduction in surface area and total pore volume due to some pore clogging that occurs. In particular, the decrease in the amount of nitrogen adsorption in the low pressure region (mesopores) between P/P 0 =0.1 and 0.2 indicates that the introduced amine is preferentially supported in the mesopores. From this, it was confirmed that micropores capable of adsorbing gas still remained even after amines were supported. On the other hand, when HF-ButA was supported, the surface area of MIL-101 decreased from 2980 m 2 /g to 2647 m 2 /g, and the total pore volume decreased from 1.52 mL/g to 1.21 mL/g. This indicates that, unlike the case of supporting TFM-BA, a relatively small amount of HF-ButArk is supported, so that the decrease in surface area and/or pore volume is small. The decrease in the pore distribution also decreased to 0.5 to 1 nm.
또한, 주사전자현미경(scanning electron microscopy) 분석을 통해 개질 후 입자의 모양 및 크기 변화를 확인하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 모든 경우에서 입자의 크기는 약 150 내지 500 nm로 나타났으며, 아민 담지에 따른 표면에서의 가시적인 변화는 나타나지 않았다.In addition, the shape and size changes of the particles after modification were confirmed through scanning electron microscopy analysis, and the results are shown in FIG. 5 . As shown in FIG. 5 , in all cases, the size of the particles was about 150 to 500 nm, and there was no visible change in the surface according to the amine loading.
아울러, 적외선 분광분석(Fourier Transform infrared spectroscopy; FT-IR)을 통해 MOF 개질에 사용된 소수성 유기 물질인 TFM-BA 및 HF-ButA와 기능성 유기 물질인 퀴누클리딘의 담지 여부를 확인하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, MIL-101에 TFM-BA 담지 후, TFM-BA의 특성 피크인 CF3 신축 진동에 상응하는 1141 cm-1이 급격히 증가하였으며, 이는 TFM-BA가 성공적으로 담지되었음을 나타내는 것이다. 반면, 구조물 내의 수분에 의해 발생하는 3000 내지 3500 cm-1 영역에서의 피크 세기는 상대적으로 감소하였으며, 이는 TFM-BA 담지에 의해 상대적으로 소수성을 띄게 되었음을 간접적으로 시사하는 것이다.In addition, through Fourier Transform infrared spectroscopy (FT-IR), it was checked whether TFM-BA and HF-ButA, which are hydrophobic organic materials used for MOF modification, and quinuclidine, a functional organic material, were loaded. is shown in FIG. 6 . As shown in FIG. 6 , after TFM-BA loading on MIL-101, 1141 cm -1 corresponding to CF 3 stretching vibration, a characteristic peak of TFM-BA, increased rapidly, indicating that TFM-BA was successfully loaded. will be. On the other hand, the peak intensity in the 3000 to 3500 cm −1 region caused by moisture in the structure was relatively decreased, which indirectly suggests that the TFM-BA support has made it relatively hydrophobic.
각 성분의 구체적인 담지량은 원소분석기(elemental analyzer)를 사용하여 측정하였다. 원소 분석 결과, TFM-BA을 담지한 MIL-101 시료의 경우, MIL-101 100중량%를 기준으로 2.3중량% 만큼의 질소량 증가가 나타났으며, 이는 28중량%에 상응한다. 나아가, 오븐을 사용하여 퀴누클리딘을 담지한 후, 0.8중량% 만큼 질소량 증가가 확인되었으며, 이는 TFM-BA 외에 추가로 6.7중량% 만큼의 퀴누클리딘이 담지되었음을 나타낸다. 한편, 기상증착법으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 경우에는 14.5중량%의 퀴누클리딘이 담지된 것을 확인하였으며, 이는 목표한 10중량%를 초과하는 것으로, 기상 증착시 사용하는 진공 및 고온 조건에 의해 미리 담지된 TFM-BA가 일부 제거되면서 퀴누클리딘의 담지량이 증가하는 것으로 나타났다. 한편, HF-ButA로 개질한 경우, MIL-101 100중량%를 기준으로 0.4중량% 만큼의 질소량 증가가 확인되었으며, 상기 TFM-BA을 처리한 경우에 비해 상당히 적은 담지량으로, 이는 상대적으로 큰 분자 크기에 기인하는 것으로 나타났다.The specific loading amount of each component was measured using an elemental analyzer. As a result of elemental analysis, in the case of the MIL-101 sample supporting TFM-BA, an increase in the amount of nitrogen by 2.3% by weight based on 100% by weight of MIL-101 was observed, which corresponds to 28% by weight. Furthermore, after loading quinuclidine using an oven, an increase in nitrogen content by 0.8% by weight was confirmed, indicating that 6.7% by weight of quinuclidine was supported in addition to TFM-BA. On the other hand, when quinuclidine was additionally supported by the vapor deposition method, it was confirmed that 14.5% by weight of quinuclidine was supported, which exceeds the
또한, 상기 두 가지 방법으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MOF 분말의 결정구조를 XRD로 분석하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타난 바와 같이, 퀴누클리딘 담지 방법에 따른 결정 구조의 차이는 확인되지 않았다. 즉, 담지 방법에 무관하게 MIL-101 골격 구조에서의 결정성 붕괴 없이 퀴누클리딘의 도입을 유도할 수 있었다.In addition, the crystal structure of the MOF powder additionally supported with quinuclidine by the above two methods was analyzed by XRD, and the results are shown in FIG. 7 . As shown in FIG. 7 , there was no difference in the crystal structure according to the quinuclidine loading method. That is, the introduction of quinuclidine could be induced without crystallinity disruption in the MIL-101 framework structure regardless of the loading method.
나아가, 퀴누클리딘 도입 방법에 따른 표면적 변화를 확인하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8a에 나타난 바와 같이, 질소 흡착 등온선으로부터 계산된 BET 표면적 값은 TFM-BA 담지 후 2980 m2/g으로부터 1915 m2/g으로 감소하였으며, 이후 오븐 및 기상 담지법을 사용하여 퀴누클리딘을 도입한 경우 각각 1769 m2/g 및 1798 m2/g까지 더 감소하였다. 이때, 총 세공 부피는 MIL-101로부터 TFM-BA 담지 시 1.52 mL/g으로부터 0.88 mL/g으로, 오븐 및 기상 담지법을 사용하여 퀴누클리딘을 추가로 도입한 경우, 각각 0.83 mL/g 및 0.82 mL/g까지 더 감소하였다. 한편, 도 8b에 나타난 바와 같이, 이때 측정된 기공 분포는 TFM-BA 및/또는 추가적인 퀴누클리딘 담지 시 약 1 내지 2 nm의 감소가 확인되었으나, 퀴누클리딘 담지 방법에 따른 차이는 확인되지 않았다. 이는 기상 담지시 일부 소실되는 TFM-BA를 해당 결합 자리에 퀴누클리딘이 더 담지되어 상쇄함을 나타내는 것이다.Furthermore, the surface area change according to the quinuclidine introduction method was confirmed, and the results are shown in FIG. 8 . As shown in FIG. 8a , the BET surface area value calculated from the nitrogen adsorption isotherm decreased from 2980 m 2 /g to 1915 m 2 /g after TFM-BA loading, and then quinuclidine was treated using an oven and vapor phase deposition method. When introduced, it was further reduced to 1769 m 2 /g and 1798 m 2 /g, respectively. At this time, the total pore volume was from 1.52 mL/g to 0.88 mL/g when TFM-BA was loaded from MIL-101, and when quinuclidine was additionally introduced using an oven and vapor deposition method, 0.83 mL/g and It further decreased to 0.82 mL/g. On the other hand, as shown in FIG. 8b , the measured pore distribution at this time was confirmed to be reduced by about 1 to 2 nm when TFM-BA and/or additional quinuclidine was loaded, but no difference was confirmed depending on the quinuclidine loading method. . This indicates that TFM-BA, which is partially lost during vapor phase loading, is offset by further loading of quinuclidine at the corresponding binding site.
실험예Experimental example 2: 2: 아민amine 화합물로의 to compound 개질에to reform 따른 특성 변화 change in characteristics
상기 TFM-BA 및/또는 퀴누클리딘 담지에 따른 MIL-101의 성질 변화를 확인하기 위하여, 303K에서 수분 흡착 등온선을 측정하여, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에 나타난 바와 같이, TFM-BA 및/또는 퀴누클리딘 담지 후, 흡착제 1 g 흡착된 수분의 양은 절반 이하로 감소되었다. 이는 상기 TFM-BA 및/또는 퀴누클리딘 담지에 의해 흡착제가 소수성화 되었음을 나타내는 것이다.In order to confirm the change in the properties of MIL-101 according to the TFM-BA and/or quinuclidine loading, moisture adsorption isotherms were measured at 303K, and the results are shown in FIG. 9 . As shown in FIG. 9 , after loading with TFM-BA and/or quinuclidine, the amount of moisture adsorbed by 1 g of the adsorbent was reduced to less than half. This indicates that the adsorbent is hydrophobized by the TFM-BA and/or quinuclidine loading.
실험예Experimental example 3: 3: 아민amine 화합물로서 알킬아민 사용에 따른 구조 및 성질 분석 Analysis of structure and properties according to the use of alkylamines as compounds
나아가, 상기 F를 포함하는 아민류를 대신하여 알킬아민 예컨대, 아밀알킬(C5-A) 및 헵틸아민(C7-A)을 이용하여 유사한 방법으로 MIL-101에 담지한 후, 소수성화 정도 및 안정성 향상 여부를 확인하였다. C5-A 및 C7-A 담지시 MIL-101 100중량%를 기준으로 각각 2.8중량% 및 2.7중량% 만큼의 질소량 증가가 확인되었으며, 이는 각각 17중량% 및 22중량%에 상응한다. 나아가, 오븐을 이용하여 상기 C5-A 및 C7-A를 담지한 MIL-101에 퀴누클리딘을 추가로 담지시킨 후 원소분석하여 각각 5.6중량% 및 7.1중량%의 추가적인 담지가 이루어졌음을 확인하였다. 또한, 이들 알킬아민 사용에 따른 결정 구조의 변화를 확인하기 위하여, 상기와 같이 C5-A 및 C7-A 담지 후 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101 분말의 결정 구조를 XRD로 분석하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에 나타난 바와 같이, 알킬아민 및/또는 추가적인 퀴누클리딘 담지에 따른 특성 피크의 세기 변화는 나타나지 않았으며, 이는 알킬아민 사용시에도 결정성 붕괴 없이 아민류의 도입이 가능함을 나타내는 것이다.Furthermore, after loading on MIL-101 in a similar manner using an alkylamine such as amylalkyl (C5-A) and heptylamine (C7-A) instead of the amines containing F, hydrophobization degree and stability improvement It was checked whether When C5-A and C7-A were supported, an increase in nitrogen content of 2.8 wt% and 2.7 wt%, respectively, based on 100 wt% of MIL-101 was confirmed, which corresponds to 17 wt% and 22 wt%, respectively. Furthermore, quinuclidine was additionally supported on MIL-101 carrying C5-A and C7-A using an oven, and elemental analysis was performed to confirm that additional loading of 5.6 wt% and 7.1 wt%, respectively, was made. . In addition, in order to confirm the change in the crystal structure according to the use of these alkylamines, the crystal structure of MIL-101 powder additionally supported with quinuclidine after C5-A and C7-A as described above was analyzed by XRD, The results are shown in FIG. 10 . As shown in FIG. 10 , there was no change in the intensity of the characteristic peak according to the addition of alkylamine and/or additional quinuclidine, indicating that amines can be introduced without crystallinity collapse even when alkylamine is used.
또한, 이들 C5-A 및 C7-A 담지 후 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101의 질소 흡착 등온선을 측정하여 도 11에 나타내었다. 이로부터 산출된 BET 표면적 값은 MIL-101 자체에 대해 산출된 3598 m2/g으로부터 각각 2561 m2/g 및 2260 m2/g으로 감소하였다. 이때 측정된 MIL-101의 총 세공 부피는 1.7 mL/g으로부터 각각 1.20 mL/g 및 1.1 mL/g으로 감소하였다. 또한, 도 11b에 나타난 기공 분포도는 C5-A 및 C7-A 담지된 MOF의 세공 크기 분포가 MIL-101의 세공 크기 분포로부터 1 내지 2 nm 감소하였음을 나타내었다.In addition, the nitrogen adsorption isotherm of MIL-101 loaded with quinuclidine after C5-A and C7-A loading was measured and shown in FIG. 11 . The calculated BET surface area value decreased from 3598 m 2 /g calculated for MIL-101 itself to 2561 m 2 /g and 2260 m 2 /g, respectively. At this time, the measured total pore volume of MIL-101 decreased from 1.7 mL/g to 1.20 mL/g and 1.1 mL/g, respectively. In addition, the pore distribution diagram shown in FIG. 11b showed that the pore size distribution of C5-A and C7-A-supported MOF was decreased by 1 to 2 nm from the pore size distribution of MIL-101.
실험예Experimental example 4: 4: 아민화된aminated MOF의 사용에 따른 구조 및 성질 분석 Analysis of structure and properties according to the use of MOF
기본 골격체로서 제조예 1에 따라 합성한 MIL-101 대신에 제조예 2에 따라 합성한 MIL-101-NH2([Cr3(OH)(H2O)2O(C6H3(CO2)2(NH2))3]·H2O)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 및 2의 방법으로 소수성 아민류를 담지하고, 기능성 유기 물질로서 퀴누클리딘을 추가로 담지하여 2차 개질된 MOF를 제조하고, 그 구조 및 성질을 분석하였다. MIL-101-NH 2 ([Cr 3 (OH)(H 2 O) 2 O(C 6 H 3 (CO) synthesized according to Preparation Example 2) instead of MIL-101 synthesized according to Preparation Example 1 as a basic framework 2 ) 2 (NH 2 )) 3 ]·H 2 O) was supported by the method of Examples 1 and 2, except that hydrophobic amines were supported, and quinuclidine was additionally supported as a functional organic material. A tea-modified MOF was prepared and its structure and properties were analyzed.
먼저, 합성한 MOF에 대해 원소분석을 실시하여 성분을 분석한 결과, TFM-BA 담지시 MIL-101-NH2 100중량%를 기준으로 1.2중량% 만큼 질소량이 증가하였으며, 이는 7.0중량%에 상응한다. 나아가, 오븐을 이용하여 퀴누클리딘을 추가로 담지한 후 0.7중량% 만큼 질소량이 증가하였으며, 이는 TFM-BA 이외에 추가로 2.8중량% 만큼의 퀴누클리딘이 담지되었음을 나타내는 것이다.First, as a result of analyzing the components by conducting elemental analysis on the synthesized MOF, the amount of nitrogen increased by 1.2% by weight based on 100% by weight of MIL-101-NH 2 when TFM-BA was supported, which corresponds to 7.0% by weight do. Furthermore, the nitrogen content was increased by 0.7 wt% after additionally supporting quinuclidine using an oven, indicating that quinuclidine was supported in addition to TFM-BA by 2.8 wt%.
또한, 결정 구조의 변화를 확인하기 위하여, XRD로 분석하고, 그 결과를 도 12에 나타내었다. MIL-101-NH2을 기본 골격체로 사용하는 경우에도 MIL-101에서와 마찬가지로 TFM-BA 및/또는 추가적인 퀴누클리딘 담지에 따른 XRD 특성 피크에서의 변화 즉, 결정 구조에서의 변화는 나타나지 않았으며, 기존에 보고된 MIL-101-NH2와 동일한 패턴을 나타내었다. 이는 MIL-101-NH2 역시 아민류의 담지에 따른 결정성 붕괴는 수반되지 않음을 나타내는 것이다.In addition, in order to confirm the change in the crystal structure, XRD analysis was performed, and the results are shown in FIG. 12 . Even when MIL-101-NH 2 was used as a basic framework, as in MIL-101, there was no change in the XRD characteristic peak due to TFM-BA and/or additional quinuclidine loading, i.e., no change in crystal structure. , showed the same pattern as previously reported MIL-101-NH 2 . This indicates that MIL-101-NH 2 is also not accompanied by crystallinity decay according to the loading of amines.
실험예Experimental example 5: MIL-100의 사용에 따른 구조 및 성질 분석 5: Analysis of structure and properties according to the use of MIL-100
기본 골격체로서 제조예 1에 따라 합성한 MIL-101 대신에 제조예 3에 따라 합성한 MIL-100([Fe3(OH)(H2O)2O(C6H3(CO2)3)2]·nH2O)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1 및 2의 방법으로 소수성 아민류를 담지하고, 기능성 유기 물질로서 퀴누클리딘을 추가로 담지하여 2차 개질된 MOF를 제조하고, 그 구조 및 성질을 분석하였다.MIL-100 synthesized according to Preparation Example 3 instead of MIL-101 synthesized according to Preparation Example 1 as a basic framework ([Fe 3 (OH)(H 2 O) 2 O(C 6 H 3 (CO 2 ) 3 ) ) 2 ]·nH 2 O) was supported by the method of Examples 1 and 2, except that hydrophobic amines were supported, and quinuclidine was additionally supported as a functional organic material to prepare a second modified MOF, , its structure and properties were analyzed.
먼저, 합성한 MOF에 대해 원소분석을 실시하여 성분을 분석한 결과, TFM-BA 담지시 MIL-100 100중량%를 기준으로 0.1중량% 만큼 질소량이 증가하였으며, 이는 1.8중량%에 상응한다. 이는 실험예 1에서 확인한 MIL-101을 골격체로 사용한 경우에 비해 현저히 적은 양이 담지되었음을 나타내는 것으로, 중심 금속으로서 d 오비탈이 채워진 Fe를 포함함으로 인해 추가적인 개질이 어려움을 나타내는 것이다. 또한, 오븐을 이용하여 퀴누클리딘을 추가로 담지한 후 1.1중량% 만큼 질소량이 증가하였으며, 이는 TFM-BA 이외에 추가로 8.9중량% 만큼의 퀴누클리딘이 담지되었음을 나타내는 것이다.First, as a result of analyzing the components by conducting elemental analysis on the synthesized MOF, the amount of nitrogen increased by 0.1% by weight based on 100% by weight of MIL-100 when TFM-BA was supported, which corresponds to 1.8% by weight. This indicates that the MIL-101 confirmed in Experimental Example 1 was supported in a significantly smaller amount compared to the case of using it as a framework, indicating that additional modification is difficult due to the inclusion of Fe filled with d orbital as a central metal. In addition, the nitrogen content was increased by 1.1% by weight after additionally supporting quinuclidine using an oven, indicating that 8.9% by weight of quinuclidine was additionally supported in addition to TFM-BA.
또한, 결정 구조의 변화를 확인하기 위하여, XRD로 분석하고, 그 결과를 도 13에 나타내었다. MIL-100을 기본 골격체로 사용하는 경우에도 MIL-101에서와 마찬가지로 TFM-BA 및/또는 추가적인 퀴누클리딘 담지에 따른 XRD 특성 피크에서의 변화 즉, 결정 구조에서의 변화는 나타나지 않았으며, 기존에 보고된 MIL-100과 동일한 패턴을 나타내었다. 이는 MIL-100 역시 아민류의 담지에 따른 결정성 붕괴는 수반되지 않음을 나타내는 것이다.In addition, in order to confirm the change in the crystal structure, XRD analysis was performed, and the result is shown in FIG. 13 . Even when MIL-100 is used as a basic framework, as in MIL-101, there was no change in the XRD characteristic peak due to TFM-BA and/or additional quinuclidine loading, that is, no change in crystal structure. It showed the same pattern as reported MIL-100. This indicates that MIL-100 is also not accompanied by crystallinity degradation due to the loading of amines.
실험예Experimental example 6: 6: 비방사성non-radioactive 유기 요오드 흡착 실험 Organic Iodine Adsorption Experiment
모든 시료는 분말 형태의 흡착제를 펠렛으로 성형한 후, 분쇄하여 일정 크기의 입자들을 선택하여 사용하였다. 성형된 흡착제 입자는 흡착 반응기 내의 압력강하를 최소로 발생시킬 수 있도록 계산된, 500 내지 707 μm(#25 내지 #35 메쉬) 크기의 입자를 선택하였다. 이와 같이 제공된 성형된 흡착제를 오븐에서 충분히 건조하여 흡착제에 물리적 흡착에 의해 함유된 수분을 제거한 후 부피 밀도(bulk density)를 측정하여 사용하였다. 본 발명에 사용된 파과실험 시스템의 장치 개략도를 도 14에 나타내었다.All of the samples were used to select particles of a certain size by molding the adsorbent in powder form into pellets, then pulverizing them. The molded adsorbent particles were selected to have a size of 500 to 707 μm (#25 to #35 mesh), which was calculated to minimize the pressure drop in the adsorption reactor. The molded adsorbent provided as described above was sufficiently dried in an oven to remove moisture contained in the adsorbent by physical adsorption, and then the bulk density was measured and used. An apparatus schematic diagram of the breakthrough test system used in the present invention is shown in FIG. 14 .
표준 규정에 따른 유기 요오드 시험 농도인 1.75 mg/m3(0.306 ppm)는 2.25 mL/min의 20 ppm CH3I/N2 및 150 mL/min의 N2(99.999%)를 혼합하여 제조하였다. 흡착반응기는 4 mm 내경을 갖는 1/4" 쿼츠 튜브 반응기를 사용하였고, 상대습도 90 내지 95%의 포화기(saturator)에서 16시간 동안 미리 가습처리(pre-humidification)한 흡착제를 측정된 부피 밀도로 계산하여 25 mm3 충진하였다. 이때 반응기의 압력은 1 atm, 온도는 30℃로 유지하였다. 또한, 유기 요오드 혼합 가스를 흡착제가 충진된 반응기에 공급하기 전 우회(bypassing)시켜 기체크로마토그래피(gas chromatography; GC) 분석하여 유기 요오드의 초기 농도(C0)를 확인하였다. 유기 요오드의 농도가 안정화 되면 4-포지션 밸브를 이용하여 반응기로 유기 요오드 혼합가스를 공급하여 유기 요오드 파과실험을 수행하였다(체류시간 0.12 sec). 흡착제를 통과한 유기 요오드의 농도(C)를 실시간으로 측정하여 시간에 따른 C/C0를 계산하여 파과곡선을 작성하였다. GC는 샘플링 밸브를 이용하여 포집한 가스를 3분 단위로 분석하였다. GC 컬럼으로는 DB-624를 사용하였으며, 유기 요오드의 농도를 검출하기 위하여 전자포획검출기(electron capture detector; ECD)를 사용하였다. 대조군으로는 상용 탄소계 흡착제인 ASZM-TEDA를 사용하였다. 상대습도 95%의 습윤 조건 및 303K 하에서, ASZM-TEDA; TFM-BA 담지된 MIL-101, 및 이에 오븐 및 기상증착으로 퀴누클리딘을 추가로 담지한 MIL-101; TFM-BA 담지된 MIL-101-NH2 및/또는 추가로 퀴누클리딘을 담지한 MIL-101-NH2; 및 TFM-BA 및/또는 추가로 퀴누클리딘을 담지한 MIL-100을 흡착제로 사용하여 측정한 유기 요오드에 대한 선형 및/또는 로그형 파과 곡선을 각각 도 15 내지 18에 나타내었다.The organic iodine test concentration, 1.75 mg/m 3 (0.306 ppm) according to the standard, was prepared by mixing 2.25 mL/min of 20 ppm CH 3 I/N 2 and 150 mL/min of N 2 (99.999%). The adsorption reactor used a 1/4" quartz tube reactor with an inner diameter of 4 mm, and the measured bulk density of the adsorbent pre-humidified for 16 hours in a saturator of 90 to 95% relative humidity. , and filled with 25 mm 3. At this time, the pressure of the reactor was maintained at 1 atm and the temperature was maintained at 30° C. In addition, the organic iodine mixed gas was bypassed before supplying the adsorbent to the reactor filled with gas chromatography ( gas chromatography;. GC) analysis confirmed the initial concentration (C 0) of the organic iodine stabilized when the concentration of the organic iodine by using a four-position valve supplying the organic iodine mixed gas into the reactor was carried out organic iodine breakthrough experiment (Retention time 0.12 sec) A breakthrough curve was created by measuring the concentration (C) of organic iodine that passed through the adsorbent in real time and calculating C/C 0 over time. Analyzed in units of 3 minutes DB-624 was used as a GC column, and an electron capture detector (ECD) was used to detect the concentration of organic iodine.As a control, ASZM-, a commercial carbon-based adsorbent, was used. TEDA was used, under a wet condition of 95% relative humidity and 303 K, ASZM-TEDA; use and a MIL-100 carrying the quinuclidine to TFM-BA and / or added to the adsorbent; BA supporting the MIL-101-NH 2, and / or adding a MIL-101-NH 2 bearing the quinuclidine to The linear and/or logarithmic breakthrough curves for the measured organic iodine are shown in FIGS. 15 to 18, respectively.
도 15에 나타난 바와 같이, 상용 탄소계 흡착제인 ASZM-TEDA는 약 10분 가량 99.99%의 제거 성능을 유지하다가, 파과 후 99.9% 수준의 제거 성능을 나타내었다.As shown in FIG. 15 , ASZM-TEDA, a commercial carbon-based adsorbent, maintained a removal performance of 99.99% for about 10 minutes, and exhibited a removal performance of 99.9% after breaking through.
도 16은 MIL-101 및 개질된 MIL-101에 대한 결과로서, TFM-BA 담지시 수분 전처리 과정에서 세공 내에 보유하고 있던 수분이 유기 요오드 흡착 실험시 빠져나와 파과 곡선에서 롤업(roll-up)되는 결과를 나타내었다. 한편, 오븐을 이용하여 퀴누클리딘을 추가로 담지시킨 경우 400분 이상까지 99.99% 이상의 유기 요오드 제거 성능을 나타낸 반면, 기상 증착법으로 퀴누클리딘을 담지한 경우, 40분 정도까지 99.99%를 초과하는 유기 요오드 제거 성능을 나타내었으며, 이후로는 99.99% 수준을 유지하였다. 이는 전술한 바와 같이, 기상 증착을 위한 고온 및 진공 조건에서 미리 담지시킨 TFM-BA가 일부 제거되어 습윤 조건에서 제거 성능이 다소 감소하였음을 나타내는 것이다.16 is a result for MIL-101 and modified MIL-101, in which the moisture retained in the pores during the moisture pretreatment process during TFM-BA loading escapes during the organic iodine adsorption experiment and rolls up in the breakthrough curve The results are shown. On the other hand, when quinuclidine was additionally supported using an oven, organic iodine removal performance of 99.99% or more was shown up to 400 minutes or longer, whereas when quinuclidine was supported by vapor deposition, it exceeded 99.99% by about 40 minutes. The organic iodine removal performance was exhibited, and thereafter, the level was maintained at 99.99%. This indicates that, as described above, TFM-BA previously supported in high temperature and vacuum conditions for vapor deposition was partially removed, indicating that the removal performance was somewhat reduced in wet conditions.
도 17은 TFM-BA 및 추가로 퀴누클리딘을 담지한 MIL-101-NH2에 대한 결과로서, 이상과 같이 2중으로 개질된 MIL-101-NH2은 350분까지 99.99%의 유기 요초드 제거 성능을 보유하였으며, 이후로는 99.99% 이하의 수준으로 점차 제거 성능이 감소하였다. 이러한 결과는 개질된 MIL-101과 비교하여 다소 낮은 제거 성능을 나타내는 것으로, 이는 상대적으로 담지된 TFM-BA 양이 적어 보다 빠른 시간 대에 파과되었음을 나타내는 것이다.17 is a TFM-BA and further, as a result of a MIL-101-NH 2 bearing the quinuclidine to, 2 the MIL-101-NH 2 modified into as described above removes organic yocho 99.99% DE to 350 minutes performance, and thereafter, the removal performance gradually decreased to a level of 99.99% or less. These results indicate a rather low removal performance compared to the modified MIL-101, which indicates that the amount of TFM-BA supported is relatively small, indicating that the TFM-BA is broken through at a faster time.
마지막으로, 도 18은 TFM-BA 및 추가로 퀴누클리딘을 담지한 MIL-100에 대한 결과로서, MIl-100의 경우 TFM-BA가 거의 담지되지 않아 습윤 조건에서 파과 초기로부터 매우 열악한 성능을 나타내었다. 다만, 일부 유기 요오드가 제거된 것은, TFM-BA와 함께 추가로 담지된, 자체적으로 유기 요오드 제거 성능을 보유한 퀴누클리딘에 의한 것으로 사료된다.Finally, FIG. 18 shows the results for MIL-100 loaded with TFM-BA and additionally quinuclidine. In the case of MIl-100, TFM-BA is hardly supported, indicating very poor performance from the beginning of breakthrough under wet conditions. It was. However, the removal of some organic iodine is thought to be due to quinuclidine, which is additionally supported with TFM-BA and has organic iodine removal performance on its own.
실험예Experimental example 7: 7: DMMPDMMP 흡착 실험 adsorption experiment
나아가, 화학 작용제의 일종인 디메틸 메틸포스포네이트(dimethyl methylphosphonate; DMMP)에 대한 흡착 성능을 기체크로마토그래피(GC)를 이용하여 실시간으로 분석하였다. 상기 GC는 황화합물 및 인화합물을 동시에 분석할 수 있는 듀얼 FPD 검출기를 장착하였고, 컬럼은 Agilent HP-1ms를 사용하였다. 본 발명에 사용된 DMMP 파과 장치의 개략도를 도 19에 나타내었다. 구체적으로, 상대습도는 공기를 물-포화기(water-saturator)에 통과시켜 15% 수준을 유지하도록 조절하였다. DMMP 및 수분이 함유된 공기는 농도가 3000 mg/m3가 되도록 가스 혼합 챔버(gas-mixing chamber) 내에서 균일하게 혼합한 후, 멀티-포지션 밸브를 통해 반응기 내 흡착제에 공급되었다. 흡착 반응기는 4 mm의 내경을 갖는 1/4" 쿼츠 튜브 반응기를 사용하였고, 상대습도 15%에서 2시간 동안 미리 가습처리한 흡착제를 측정된 부피 밀도로 계산하여 50 mm3 충진하였다(흡착제 내 체류시간 0.34 sec). 이때 반응기의 압력은 1 atm, 온도는 24℃로 유지하였다. 또한, 파과 실험 전 DMMP 혼합 가스를 흡착제가 충진된 반응기에 공급하기 전에 우회시켜 GC 분석하여 DMMP의 초기 농도(C0)를 확인하였다. 흡착제를 통과한 DMMP의 농도(C)를 실시간으로 측정하여 시간에 따른 C/C0를 계산하여 파과곡선을 작성하였다. 대조군으로서 상용 탄소 흡착제인 AZSM-TEDA 및 본 발명의 TFM-BA 및 추가로 퀴누클리딘을 담지한 MIL-101에 대해 측정된 결과를 도 20에 나타내었다. 도 20에 나타난 바와 같이, ASZM-TEDA에 함유된 아민류인 TEDA가 DMMP의 P=O 그룹에 대한 흡착자리로 작용할 수 있으므로 300분까지 높은 제거 성능을 나타내었으나, 본 발명의 흡착제는 TEDA 보다 더 높은 친핵도의 퀴누클리딘을 포함하므로 약 400분까지도 더 높은 제거 성능을 나타내었다.Furthermore, the adsorption performance of dimethyl methylphosphonate (DMMP), a kind of chemical agent, was analyzed in real time using gas chromatography (GC). The GC was equipped with a dual FPD detector capable of simultaneously analyzing sulfur compounds and phosphorus compounds, and an Agilent HP-1ms was used as the column. A schematic diagram of the DMMP breakthrough device used in the present invention is shown in FIG. 19 . Specifically, the relative humidity was adjusted to maintain the 15% level by passing air through a water-saturator. DMMP and moisture-containing air were uniformly mixed in a gas-mixing chamber to a concentration of 3000 mg/m 3 , and then supplied to the adsorbent in the reactor through a multi-position valve. The adsorption reactor used a 1/4" quartz tube reactor with an inner diameter of 4 mm, and the adsorbent previously humidified at 15% relative humidity for 2 hours was calculated by the measured bulk density and filled with 50 mm 3 (retention in the adsorbent) time 0.34 sec) At this time, the reactor pressure was maintained at 1 atm and the temperature was maintained at 24° C. In addition, before the breakthrough test, the DMMP mixed gas was bypassed before being supplied to the reactor filled with the adsorbent and subjected to GC analysis to determine the initial concentration of DMMP (C 0 ) was confirmed.A breakthrough curve was prepared by calculating the C/C 0 over time by measuring the concentration (C) of DMMP that passed through the adsorbent in real time.As a control, AZSM-TEDA, a commercial carbon adsorbent, and the The results measured for MIL-101 carrying TFM-BA and additional quinuclidine are shown in Fig. 20. As shown in Fig. 20, TEDA, an amine contained in ASZM-TEDA, is a P=O group of DMMP. Since it can act as an adsorption site for , it exhibited high removal performance up to 300 minutes, but since the adsorbent of the present invention contains quinuclidine having a higher nucleophilicity than TEDA, it exhibited higher removal performance up to about 400 minutes.
실험예Experimental example 8: 포름알데히드 흡착 실험 8: Formaldehyde Adsorption Experiment
다른 독성 물질인 포름알데히드(HCHO)에 대한 흡착 성능을 포름알데히드 검출기인 Airwell+ 707을 사용하여 실시간으로 분석하였다. 상기 검출기는 0.01 내지 20 ppm의 낮은 농도의 포름알데히드를 0.01 ppm의 정밀도로 분석 가능한 장치이다. 본 발명의 포름알데히드 파과 실험에는 도 19에 개시한 DMMP 파과 장치와 동일한 시스템을 사용하였다. 구체적으로, 상대습도는 공기를 물-포화기에 통과시켜 80% 수준을 유지하도록 조절하였다. 포름알데히드 및 수분이 함유된 공기는 농도가 20 ppm이 되도록 가스 혼합 챔버 내에서 균일하게 혼합한 후, 멀티-포지션 밸브를 통해 반응기 내 흡착제에 공급되었다. 흡착 반응기는 4 mm의 내경을 갖는 1/4" 쿼츠 튜브 반응기를 사용하였고, 상대습도 80%에서 2시간 동안 미리 가습처리한 흡착제를 측정된 부피 밀도로 계산하여 50 mm3 충진하였다(흡착제 내 체류시간 0.34 sec). 이때 반응기의 압력은 1 atm, 온도는 25℃로 유지하였다. 또한, 파과 실험 전 포름알데히드 혼합 가스를 흡착제가 충진된 반응기에 공급하기 전에 우회시켜 포름알데히드의 초기 농도(C0)를 확인하였다. 흡착제를 통과한 포름알데히드의 농도(C)를 실시간으로 측정하여 시간에 따른 C/C0를 계산하여 파과곡선을 작성하였다. 대조군으로서 상용 탄소 흡착제인 SGC-100을 사용하여 측정한 파과곡선을 도 21에 나타내었으며, 본 발명의 TFM-BA 및 추가로 퀴누클리딘을 담지한 MIL-101에 대해 측정된 결과를 도 22에 나타내었다. 도 22에 나타난 바와 같이, MIL-101 자체는 170분까지 99% 이상의 포름알데히드가 제거된 후 파과되었으며, 이는 HCHO를 위한 흡착자리로 작용할 수 있는 반응성이 우수한 CUS를 다량(약 1.7 mmol/g) 함유하는 것에 기인한다. 나아가, TFM-BA 담지 후에는 약 2200분까지 99.9% 이상의 포름알데히드가 제거되었는데, 이는 TFM-BA로의 개질에 의해 소수성을 띄게 되므로 상대적으로 높은 80%의 상대습도 조건에서 물분자가 흡착자리로 접근하는 것을 차단하여 가수분해를 저지할 수 있기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 퀴누클리딘을 추가로 담지한 경우 2500분까지 99.9% 이상의 포름알데히드가 제거되었는데, 이는 추가로 담지된 퀴누클리딘이 또 다른 흡착 자리로서 작용함을 나타내는 것이다.The adsorption performance for another toxic substance, formaldehyde (HCHO), was analyzed in real time using a formaldehyde detector, Airwell+ 707. The detector is a device capable of analyzing a low concentration of 0.01 to 20 ppm of formaldehyde with an accuracy of 0.01 ppm. In the formaldehyde breakthrough experiment of the present invention, the same system as the DMMP breakthrough device disclosed in FIG. 19 was used. Specifically, the relative humidity was controlled to maintain the 80% level by passing air through a water-saturator. Air containing formaldehyde and moisture was uniformly mixed in a gas mixing chamber to a concentration of 20 ppm, and then supplied to the adsorbent in the reactor through a multi-position valve. The adsorption reactor used a 1/4" quartz tube reactor with an inner diameter of 4 mm, and the adsorbent previously humidified at 80% relative humidity for 2 hours was calculated by the measured bulk density and filled with 50 mm 3 (retention in the adsorbent) time 0.34 sec) At this time, the pressure of the reactor was maintained at 1 atm and the temperature was maintained at 25 ° C. In addition, before the breakthrough test, the formaldehyde mixed gas was bypassed before feeding the adsorbent-filled reactor to the initial concentration of formaldehyde (C 0 ) was checked.The concentration (C) of formaldehyde passed through the adsorbent was measured in real time, and C/C 0 was calculated over time to create a breakthrough curve. As a control, a commercial carbon adsorbent SGC-100 was used. A breakthrough curve is shown in Fig. 21, and the results measured for the TFM-BA of the present invention and MIL-101 further loaded with quinuclidine are shown in Fig. 22. As shown in Fig. 22, MIL-101 It broke through after removing more than 99% of formaldehyde by 170 minutes, which is due to the fact that it contains a large amount (about 1.7 mmol/g) of highly reactive CUS that can act as an adsorption site for HCHO. After BA loading, more than 99.9% of formaldehyde was removed up to about 2200 minutes, which became hydrophobic by reforming with TFM-BA. In addition, when quinuclidine was additionally supported, more than 99.9% of formaldehyde was removed by 2500 minutes, which means that the additionally supported quinuclidine acted as another adsorption site. it indicates that
Claims (24)
MOF 내 루이스산 자리인 불포화 금속자리의 일부 또는 전부를 친핵성 화합물로 개질하여, 불포화(coordinatevely unsaturated) 금속 또는 결함(defect) 자리(sites)를 수분으로부터 차단하는 제1단계; 및
제1단계로부터 개질된 MOF에 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 트리에틸렌디아민(triethylenediamine; TEDA) 또는 퀴누클리딘(quinuclidine)을 추가로 담지하는 제2단계를 포함하고,
상기 친핵성 화합물은 C1-12 알킬아민, C1-12 할로알킬아민, C1-4 할로알킬-아릴-C1-4 알킬아민, NHR1-CnH2n-NHR2, SH-Cn'H2n'-SH 및 R3-5P-Cn"H2n"N-PR6-8(이때, n, n' 및 n"은 각각 독립적으로 1 내지 12의 정수이고, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 H, 또는 C1-12 알킬렌임)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고,
상기 MOF는 메조 기공 및 미세 기공을 포함하고, 상기 제1단계에서 상기 MOF의 상기 불포화 금속자리가 상기 친핵성 화합물로 개질되고, 상기 제2단계에서 상기 MOF의 상기 메조 기공에 트리에틸렌디아민(triethylenediamine; TEDA) 또는 퀴누클리딘(quinuclidine)이 담지되고,
제1단계에서 개질 대상인 MOF의 세공크기보다 작은 친핵성 화합물이 MOF의 루이스산 자리인 불포화 금속 자리에 선택적으로 개질되는, 수분안정성 MOF의 제조방법.
In the manufacturing method of MOF with improved moisture stability,
A first step of modifying some or all of the unsaturated metal sites that are Lewis acid sites in the MOF with a nucleophilic compound to block the unsaturated (coordinatevely unsaturated) metals or defective sites from moisture; and
A second step of additionally supporting triethylenediamine (TEDA) or quinuclidine, which can perform adsorption or catalysis on the modified MOF from the first step,
The nucleophilic compound is C 1-12 alkylamine, C 1-12 haloalkylamine, C 1-4 haloalkyl-aryl-C 1-4 alkylamine, NHR 1 -C n H 2n -NHR 2 , SH-C n' H 2n' -SH and R 3-5 PC n" H 2n" N-PR 6-8 (Wherein, n, n' and n" are each independently an integer of 1 to 12, and R 1 to R 8 each independently comprises at least one selected from the group consisting of H, or C 1-12 alkylene;
The MOF includes mesopores and micropores, and in the first step, the unsaturated metal site of the MOF is modified with the nucleophilic compound, and in the second step, triethylenediamine is formed in the mesopores of the MOF. ; TEDA) or quinuclidine is supported,
In the first step, a nucleophilic compound smaller than the pore size of the MOF to be modified is selectively modified at the unsaturated metal site, which is the Lewis acid site of the MOF, a method for producing a moisture-stable MOF.
제2단계는 (i) 제1단계로부터 개질된 MOF와 추가로 담지하고자 하는 화합물을 오븐에 정치하거나, (ii) 기상 증착법으로 제1단계로부터 개질된 MOF에 추가로 담지하고자 하는 화합물을 담지시키는 것이 특징인, 수분안정성 MOF의 제조방법.
According to claim 1,
In the second step, (i) the MOF modified from the first step and the compound to be further supported are left in an oven, or (ii) the compound to be further supported is supported on the MOF modified from the first step by vapor deposition. A method for producing a moisture-stable MOF, characterized in that.
제2단계는 제1단계로부터 개질된 MOF에 담지된 친핵성 화합물이 일부 제거되면서 흡착 또는 촉매반응을 수행할 수 있는 화합물이 추가로 담지되는 것이 특징인, 수분안정성 MOF의 제조방법.
7. The method of claim 6,
In the second step, a compound capable of performing adsorption or catalysis is additionally supported while a part of the nucleophilic compound supported on the modified MOF from the first step is removed.
상기 친핵성 화합물은 C1-12 알킬아민, C1-12 할로알킬아민, C1-4 할로알킬-아릴-C1-4 알킬아민, NHR1-CnH2n-NHR2, SH-Cn'H2n'-SH 및 R3-5P-Cn"H2n"N-PR6-8(이때, n, n' 및 n"은 각각 독립적으로 1 내지 12의 정수이고, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 H, 또는 C1-12 알킬렌임)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고,
상기 MOF는 메조 기공 및 미세 기공을 포함하고, 상기 MOF의 상기 불포화 금속자리가 상기 친핵성 화합물로 개질되고, 상기 MOF의 상기 메조 기공에 트리에틸렌디아민(triethylenediamine; TEDA) 또는 퀴누클리딘(quinuclidine)이 담지된 것이고,
MOF 합성시 형성된 루이스 산 자리인 불포화 금속 자리에 선택적으로 MOF의 세공 크기 보다 작은 친핵성 화합물이 개질된, MOF.
It is a MOF with improved moisture stability compared to the MOF before modification, in which some or all of the unsaturated metal sites, which are Lewis acid sites in the MOF, are modified with a nucleophilic compound, and hydrolysis at the unsaturated metal or defect site is blocked,
The nucleophilic compound is C 1-12 alkylamine, C 1-12 haloalkylamine, C 1-4 haloalkyl-aryl-C 1-4 alkylamine, NHR 1 -C n H 2n -NHR 2 , SH-C n' H 2n' -SH and R 3-5 PC n" H 2n" N-PR 6-8 (Wherein, n, n' and n" are each independently an integer of 1 to 12, and R 1 to R 8 each independently comprises at least one selected from the group consisting of H, or C 1-12 alkylene;
The MOF includes mesopores and micropores, the unsaturated metal site of the MOF is modified with the nucleophilic compound, and triethylenediamine (TEDA) or quinuclidine in the mesopores of the MOF This is loaded,
A nucleophilic compound smaller than the pore size of the MOF is selectively modified at the unsaturated metal site, which is a Lewis acid site formed during MOF synthesis, MOF.
친핵성 화합물로의 개질로 인해 개질 전 MOF에 비해 소수성이 증가된 것이 특징인, 수분안정성이 향상된 MOF.
9. The method of claim 8,
MOF with improved water stability, characterized in that hydrophobicity is increased compared to the MOF before modification due to modification with a nucleophilic compound.
개질 전 MOF는 이를 구성하는 리간드에 아미노기가 치환된 것이 특징인, 수분안정성이 향상된 MOF.
9. The method of claim 8,
MOF before modification is characterized in that an amino group is substituted with a ligand constituting it, MOF with improved water stability.
친핵성 화합물은 아밀아민, 헵틸아민, 4-(트리플루우로메틸)벤질아민, 및 2,2,3,3,4,4,4-헵타플루오로부틸아민로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 특징인, 수분안정성이 향상된 MOF.
9. The method of claim 8,
wherein the nucleophilic compound is selected from the group consisting of amylamine, heptylamine, 4-(trifluoromethyl)benzylamine, and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutylamine. , MOF with improved moisture stability.
MOF의 흡착자리에 대한 물 분자의 접근이 차단된 것이 특징인, 수분안정성이 향상된 MOF.
9. The method of claim 8,
MOF with improved moisture stability, characterized by blocking the access of water molecules to the adsorption site of the MOF.
상대습도 0.01% 이상인 습윤 조건에서 또는 수분 함유 매질 내에서 가수분해가 저해되어 흡착제 또는 촉매로 사용 가능한 것이 특징인, 수분안정성이 향상된 MOF.
9. The method of claim 8,
MOF with improved moisture stability, characterized in that it can be used as an adsorbent or catalyst because hydrolysis is inhibited in a wet condition with a relative humidity of 0.01% or more or in a water-containing medium.
A composition for adsorption comprising the MOF having improved moisture stability according to claim 8.
독성가스, 방사성 가스, 이산화탄소, 반도체 폐가스 또는 이차전지 폐액을 흡착하는 것이 특징인, 흡착용 조성물.
22. The method of claim 21,
A composition for adsorption, characterized in that it adsorbs toxic gas, radioactive gas, carbon dioxide, semiconductor waste gas or secondary battery waste liquid.
상대습도 0.01% 이상인 습윤 조건에서 또는 수분 함유 매질 내에서 사용되는 것이 특징인, 흡착용 조성물.
22. The method of claim 21,
A composition for adsorption, characterized in that it is used in a wet condition with a relative humidity of 0.01% or more or in a water-containing medium.
A method of using the MOF having improved water stability according to claim 8 as an adsorbent in a wet condition of 0.01% or more of relative humidity or in a water-containing medium.
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Legal Events
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---|---|---|---|
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E601 | Decision to refuse application | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant |