KR102608929B1 - 삼종의 리간드가 도입된 zif 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법 - Google Patents
삼종의 리간드가 도입된 zif 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 삼종의 리간드가 도입된 ZIF 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노입자는 금속이온과; 상기 금속이온에 결합되어 있는 유기 리간드를 포함하며, 상기 유기 리간드는 이미다졸계 제1유기 리간드, 알킬아민계 제2유기 리간드 및 고리 상에 치환된 하나 이상의 아민기를 포함하는 제3유기 리간드를 포함한다.
Description
본 발명은 삼종의 리간드가 도입된 ZIF 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법에 관한 것이다.
금속유기구조체(metal organic framework, MOF)는, 금속 원자 또는 금속 클러스터들과 이들을 배위 결합으로 연결해주는 유기 리간드로 구성되는 미세 다공성(microporous) 결정 재료로서, 비교적 새로운 하이브리드 유기-무기 물질이다. MOF의 기공 크기 및 물리/화학적 성질은 적절한 금속 원자 및 유기 리간드의 선택에 의해 조절이 가능하다. 이러한 MOF의 특별한 성질 때문에 가스 저장 및 또는 흡수, 촉매 작용, 및 분리막으로서의 잠재적 응용 가능성을 보인다.
제올라이트 이미다졸레이트 구조체(zeolitic imidazolate framework, ZIF)는 MOF 입자의 하위 개념으로서, 다양한 기능기를 포함하는 유기 리간드를 이용하여 입자 표면적과 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
본 발명의 목적은 삼종의 리간드가 도입된 ZIF 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법을 제공하는 것이다
상기 본 발명의 목적은 삼종의 리간드가 도입된 제올라이트 이미다졸레이트계 구조(zeolitic Imidazolate framework, ZIF) 나노입자에 있어서, 금속이온과; 상기 금속이온에 결합되어 있는 유기 리간드를 포함하며, 상기 유기 리간드는 이미다졸계 제1유기 리간드, 알킬아민계 제2유기 리간드 및 고리 상에 치환된 하나 이상의 아민기를 포함하는 제3유기 리간드를 포함하는 나노입자에 의해 달성된다.
상기 유기리간드에서, 상기 제3유기 리간드는 20 내지 60몰%일 수 있다.
상기 유기리간드는, 상기 제1유기 리간드 30 내지 80몰%, 상기 제2유기 리간드 3 내지 15몰% 및 상기 제3유기 리간드 20 내지 60몰%를 포함할 수 있다.
상기 제1유기 리간드, 상기 제2유기 리간드 및 상기 제3유기 리간드는 각각 상기 금속이온과 직접 결합될 수 있다.
상기 제1 유기 리간드는, 1차, 2차 및 3차 아민 중 적어도 어느 하나를 포함하고 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 엡틸, 옥틸, 노닐, 데실, 언데실, 도데실, 프로파데실, 부타데실, 펜타데실, 헥사데실, 엡타데실, 옥타데실 및 노다데실 중 어느 하나의 길이의 알킬체인을 가지고 있는 알킬 아민 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2유기 리간드는, 2-메틸이미다졸, 이미다졸, 에틸이미다졸, 니트로이미다졸, 클로로메틸이미다졸, 디클로로이미다졸, 이미다졸-4-카복아미드, 아미노벤즈이미다졸, 벤즈이미다졸, 5-클로로벤즈이미다졸, 5,6 디메틸벤즈이미다졸, 메틸벤즈이미다졸, 브로모벤즈이미다졸 및 니트로벤즈이미다졸 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제3유기 리간드는, 아미노-1,2,4-트리아졸, 아미노이미다졸, 2-아미노벤즈이미다졸 및 6-아미노벤즈이미다졸 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 나노입자는 (011) 결정면의 간격이 12.06 내지 11.95Å이며, 상기 나노입자의 아민-금속 결합의 IR 피크는 425.5 내지 429.5cm-1이며, 상기 나노입자의 비표면적은 400 내지 1000m2/g이며, 기공부피는 0.2 내지 0.65cm3/g이며, 상기 나노입자의 크기는 80nm 내지 120nm일 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 삼종의 리간드가 도입된 제올라이트 이미다졸레이트계 구조(zeolitic Imidazolate framework, ZIF) 나노입자의 제조방법에 있어서, 금속 전구체, 이미다졸계 제1유기 리간드 및 알킬아민계 제2유기 리간드를 제1극성용매 내에서 교반하여 원시 나노입자를 얻는 단계; 상기 원시 나노입자의 상기 제1유기 리간드 및 상기 제2유기 리간드 중 적어도 일부를 고리 상에 치환된 하나 이상의 아민기를 포함하는 제3유기 리간드로 치환하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성될 수 있다.
상기 치환은, 상기 원시 나노입자와 상기 제3유기 리간드를 제2극성용매에서 교반하여 수행될 수 있다.
상기 금속 전구체는 Co, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg 및 Uub로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 아세테이트염을 포함하며, 상기 제 1 극성 용매 및 상기 제 2 극성 용매는, 각각 독립적으로 알코올, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜, 물, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 아세트나이트릴 및 다이메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 나노입자를 포함하는 하이브리드막에 있어서, 고분자 100중량부; 및 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 나노입자 30 내지 150중량부를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 하이브리드막의 1기압, 35℃에서의 CO2/N2 분리성능은 25 내지 60, CO2/CO의 분리성능은 15 내지 60, CO2/CH4의 분리성능은 24 내지 50일 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 기체의 분리방법에 있어서, 상기 하이브리드 막을 이용하여 두 가지 이상의 기체를 포함하는 혼합 기체로부터 한 가지 이상의 기체를 분리하는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.
상기 혼합 기체에 포함된 기체들의 분자 크기 차이는 0.1Å내지 5Å이며, 상기 혼합 기체는 CO2를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 삼종의 리간드가 도입된 ZIF 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 개념을 설명하는 도면이고,
도 2는 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 ToF-SIMS 검출 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 XRD 패턴이고,
도 4는 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 FT-IR 스펙트럼이고,
도 5는 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 BET를 이용한 N2 등온 흡착 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실험예에서 합성된 입자의 SEM 입자 사진이고,
도 7은 본 발명의 실험예에서 합성된성입자의 기체에 대한 (011) 결정면 피크 값 및 피크 면적 비교이고,
도 8은 본 발명의 실험예에서 합성된 입자의 기체에 대한 (011) 결정면 피크 면적 변화를 나타낸 것이고,
도 9는 본 발명의 실험예에서 제조된 하이브리드 분리막의 SEM 단면 사진이고,
도 10은 본 발명의 실험예서 제조된 하이브리드 분리막의 사진이고,
도 11은 본 발명의 실험예에서 제조된 하이브리드 분리막의 영률과 경도 분석이고,
도 12는 본 발명의 실험예에서 제조된 하이브리드 분리막의 압력 별 CO2, N2, 그리고 CH4 흡착량을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 ToF-SIMS 검출 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 XRD 패턴이고,
도 4는 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 FT-IR 스펙트럼이고,
도 5는 본 발명의 실험예에서 합성된 입자들의 BET를 이용한 N2 등온 흡착 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실험예에서 합성된 입자의 SEM 입자 사진이고,
도 7은 본 발명의 실험예에서 합성된성입자의 기체에 대한 (011) 결정면 피크 값 및 피크 면적 비교이고,
도 8은 본 발명의 실험예에서 합성된 입자의 기체에 대한 (011) 결정면 피크 면적 변화를 나타낸 것이고,
도 9는 본 발명의 실험예에서 제조된 하이브리드 분리막의 SEM 단면 사진이고,
도 10은 본 발명의 실험예서 제조된 하이브리드 분리막의 사진이고,
도 11은 본 발명의 실험예에서 제조된 하이브리드 분리막의 영률과 경도 분석이고,
도 12는 본 발명의 실험예에서 제조된 하이브리드 분리막의 압력 별 CO2, N2, 그리고 CH4 흡착량을 나타낸 것이다.
이하의 설명에서는 3개의 리간드가 도입된 ZIF를 "나노입자"로 부르며, 제3리간드로 3-amino-1,2,4-triazole(Atz)를 사용한 나노입자를 "TAZIF" 또는 "TAZIF8"로 부른다.
이하의 설명에서는 금속입자로 징크를, 제1리간드로 2-메틸이미다졸(2mim)를, 제2리간드로 트리부틸아민을, 제3리간드로 3-amino-1,2,4-triazole(Atz)를 예시하여 설명하나 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
또한, 이하의 설명에서는 하이브리드막이 CO2 기체를 분리하는 하이브리드 분리막으로 사용되는 것을 예시하여 설명하나, 본 발명의 하이브리드막의 용도는 이에 한정되지 않는다.
본 발명은 1) 알킬 아민 모듈레이터를 이용하여 나노입자와 고분자와의 상용성 및 나노입자의 기공 크기를 조절하고 2) 나노입자 내 CO2 기체와 선택적 흡착이 가능한 아민기를 포함하는 새로운 유기 리간드로 부분 치환함으로써 3종의 리간드를 지닌 나노입자를 제공한다. 나노입자를 포함하는 하이브리드 분리막은 CO2 기체에 대한 고투과성 및 고선택성을 갖는다.
개질에 의해 아민기가 도입된 나노입자는 CO2 기체 흡착능이 향상됨과 동시에 개질에 의해 기공 크기가 조절되어 선택적 기체 흡착 및 투과가 가능하다. 아민 모듈레이터를 이용해 나노입자를 합성할 경우 고분자와 나노입자 간 상용성이 증가하고, 나노입자의 결정성이 향상되며, 나노입자의 기공 크기가 조절 가능하다.
본 발명에서는 도 1과 같이 징크(Zn) 금속이온과 2-메틸이미다졸(2mim)의 배위결합으로 이루어져 있는 원시 나노입자를 이용하여, 2mim, 아민기를 포함하는 유기 리간드, 그리고 아민 모듈레이터 등 총 3종의 유기 리간드를 갖는 새로운 나노입자를 개발하고 이를 고분자 매트릭스와 혼합하여 고함량의 입자농도를 포함하며 선택적 CO2 기체 분리가 가능한 하이브리드 분리막을 제공한다.
본 발명에 따른 나노입자는 금속이온과 이에 결합되어 있는 유기 리간드를 포함한다. 유기 리간드는 이미다졸계 제1유기 리간드, 알킬아민계 제2유기 리간드 및 고리 상에 치환된 하나 이상의 아민기를 포함하는 제3유기 리간드를 포함한다.
유기리간드에서, 제3유기 리간드는 20 내지 60몰%, 25 내지 55몰% 또는 25 내지 60몰%일 수 있다. 또는 유기리간드는, 제1유기 리간드 30 내지 80몰%, 제2유기 리간드 3 내지 15몰% 및 제3유기 리간드 20 내지 60몰%로 구성될 수 있다.
제1유기 리간드, 제2유기 리간드 및 제3유기 리간드는 각각 금속이온과 직접 결합된다.
제1유기 리간드는, 2-메틸이미다졸, 이미다졸, 에틸이미다졸, 니트로이미다졸, 클로로메틸이미다졸, 디클로로이미다졸, 이미다졸-4-카복아미드, 아미노벤즈이미다졸, 벤즈이미다졸, 5-클로로벤즈이미다졸, 5,6 디메틸벤즈이미다졸, 메틸벤즈이미다졸, 브로모벤즈이미다졸 및 니트로벤즈이미다졸 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또는, 제1유기 리간드는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 이미다졸계 화합물에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 화학식 2 각각에 있어서,
R1, R2, R3, R4, R 5, R6, R7, 및 R8 는 각각 독립적으로 H, C1 내지 C 10 선형 또는 분지형 알킬기, 할로겐, 하이드록시, 시아노, 니트로 또는, 알데히드기 또는 C1 내지 C10기이고,
상기 A1, A2, A3, 및 A4 는 각각 독립적으로 C 또는 N이며, 단, 상기 R5, R6, R7, 및 R 8는 상기 A1 와 A4가 C일때만 존재함.
제2 유기 리간드는, 1차, 2차 및 3차 아민 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 엡틸, 옥틸, 노닐, 데실, 언데실, 도데실, 프로파데실, 부타데실, 펜타데실, 헥사데실, 엡타데실, 옥타데실 및 노다데실 중 어느 하나의 길이의 알킬체인을 가지고 있는 알킬 아민 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
제3유기 리간드는, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 아미노이미다졸, 2-아미노벤즈이미다졸 및 6-아미노벤즈이미다졸 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
나노입자의 크기는 10nm 내지 100nm일 또는 5nm 내지 50nm 수 있으며, 나노입자의 기공크기는 0.1nm 내지 1nm일 수 있다.
나노입자는 (011) 결정면의 간격이 12.06 내지 11.95Å이며, 나노입자의 아민-금속 결합의 IR 피크는 425.5 내지 429.5cm-1이며, 나노입자의 비표면적은 400 내지 1000m2/g이며, 기공부피는 0.2 내지 0.65cm3/g이며, 나노입자의 크기는 80nm 내지 120nm일 수 있다.
본 발명에 따른 나노입자의 제조방법은, (1) 금속 전구체, 이미다졸계 제1유기 리간드 및 알킬아민계 제2유기 리간드를 제1극성용매 내에서 교반하여 원시 나노입자를 얻는 단계와 (2)원시 나노입자의 제1유기 리간드 및 제2유기 리간드 중 적어도 일부를 제3유기 리간드로 치환하는 단계를 포함할 수 있다.
원시 나노입자를 얻는 단계에서 금속전구체:제1유기리간드:제2유기리간드:제1극성용매의 몰비는 1:1-5:3-10:200-1000일 수 있다.
혼합 온도는 40℃ 내지 80℃이며, 2시간 내지 20시간 교반할 수 있다. 이후 얻어진 원시입자를 건조한다.
치환 단계에서는 원시 나노입자:제3유기리간드:제2극성용매의 몰비를 1:5 내지 15:30 내지 80로 하고 교반한다. 혼합 온도는 30℃ 내지 80℃이며, 2시간 내지 20시간 교반할 수 있다.
교반 이후 침전물을 원심분리를 통해 분리후 정제 및 건조 과정을 거쳐 나노입자를 얻는다.
금속 전구체는 Co, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg 및 Uub로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 아세테이트염을 포함할 수 있다.
제 1 극성 용매 및 제 2 극성 용매는, 독립적으로, 알코올, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜, 물, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 아세트나이트릴 및 다이메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
나노입자를 포함하는 하이브리드막은, 고분자 매트릭스와 고분자 매트릭스에 분산되어 있는 나노입자를 포함한다. 고분자 매트릭스는 폴리이미드, 폴리설폰 (PSF), 폴리이써설폰 (PES), 셀룰로오스 아세테이트 (CA), polydimethylsiloxane (PDMS) 및 폴리비닐아세테이트(PVAc)로 이루어진 군 중에 선택되는 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
하이브리드막은 0.1Å내지 5Å의 분자 크기 차이를 갖는 기체들을 서로 분리할 수 있으며, C3H6/C3H8, C2H4/C2H6, CO2/CH4, CO2/CO, CO2/N2, N2/CH4, 및 n-C4/i-C4(n-butane/iso-butane), H2/CH4, H2/C3H8 및 H2/C3H6으로 이루어진 기체세트의 군에서 선택되는 기체 세트의 혼합 기체를 분리하는데 사용될 수 있다. 분리 방법에서는 하이브리드막에 혼합 기체를 통과시킴으로써, 혼합 기체에 포함된 기체들의 분자 크기 차이를 이용하여 상기 기체들을 서로 분리한다.
하이브리드막의 두께는 50nm 내지 100um 또는 1um 내지 100um일 수 있다.
하이브리드막은 고분자 100중량부와 나노입자 30 내지 150중량부 또는 40 내지 80중량부를 포함할 수 있다. 또는 하이브리드막에서 나노입자는 20중량% 내지 80중량%, 30중량% 내지 70중량% 또는 30중량% 내지 50중량%일 수 있다.
하이브리드막의 1기압, 35℃에서의 CO2/N2 분리성능은 25 내지 60, CO2/CO의 분리성능은 15 내지 60, CO2/CH4의 분리성능은 24 내지 50일 수 있다.
이하 실험예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
나노입자의 제조
원형 플라스크에 징크 아세테이트계 금속염, 2-메틸이미다졸(2mim), 아민 모듈레이터(i.e., tri-butyl amine, TBA), 메탄올을 1:2:5:500의 몰 비율로 혼합하여 65 oC 조건에서 700 rpm으로 12시간 동안 교반시켰다.
24시간 뒤, 형성된 흰색 침전물을 메탄올과 원심분리기를 이용하여 정제했다.
이후 진공 조건 하 100 oC 및 200 oC에서 각각 12시간씩 입자를 건조했다.
수득된 아민 모듈레이터가 도입된 원시 나노입자(AZIF, AZIF8)를 3-amino-1,2,4-triazole(i.e., Atz), 메탄올과 함께 1:8:45의 몰 비율로 혼합하여 40 oC 조건에서 700 rpm으로 6시간, 6시간 30분, 6시간 40분, 7시간, 7시간 30분 동안 각각 교반시켰다. 교반이 끝난 뒤, 형성된 흰색 침전물을 메탄올과 원심분리기를 이용하여 정제한 뒤 진공 조건 100 oC 및 120 oC에서 각각 12시간씩 건조하여 나노입자, 즉 TAZIF(TAZIF8)를 얻었다.
유기리간드의 몰 비율 및 결합 형태 분석
1H NMR 분석을 통해 합성된 나노입자들 내 포함되어있는 유기 리간드의 몰 비율을 계산하였다. 장비는 Unity Inova (500 MHz)를 이용하였으며 H2SO4/CDCl3 (10/90 v/v) 용액에 각 입자를 용해하여 분석용액을 준비하였다.
표 1에 나타낸 바와 같이, Atz를 이용하여 6시간 40분 까지 교반시킨 TAZIF8 입자들은 유기 리간드 내 아민 모듈레이터 그룹의 큰 변화 없이, 2mim 의 몰 비율이 감소하며 Atz 몰 비율이 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 7시간과 7시간 30분 교반시킨 TAZIF 입자들은 원시나노입자 대비 2mim 과 TBA 몰 비율이 급격하게 감소하여 나노입자 내 대부분의 유기 리간드가 Atz로 치환된 것을 확인하였다. Atz 반응을 6시간, 6시간 30분, 6시간 40분, 7시간, 그리고 7시간 30분 진행한 입자를 TAZIF8-30 mol%, TAZIF8-40 mol%, TAZIF8-50 mol%, TAZIF8-90 mol%, 그리고 TAZIF8-99 mol% 로 명칭하였다.
| 샘플 | 2mim (mol%) | TBA (mol%) | Atz (mol%) | Total (mol%) |
| 원시 나노입자 | 93.9 | 6.1 | - | 100 |
| TAZIF8 30 mol%(6시간 반응) | 60.7 | 6.1 | 33.2 | 100 |
| TAZIF8 40 mol% (6시간 30분 반응) |
52.2 | 5.3 | 42.5 | 100 |
| TAZIF8 50 mol%(6시간 40분 반응) | 42.0 | 5.7 | 52.3 | 100 |
| TAZIF8 90 mol%(7시간 반응) | 8.6 | 1.9 | 89.5 | 100 |
| TAZIF8 99 mol% (7시간 30분 반응) |
1.1 | 0.2 | 98.7 | 100 |
TAZIF8 나노입자 내 Zn 금속이온과 유기 리간드들 간의 정확한 배위결합 유무를 확인하기 위하여, 비행시간형 이차이온질량분석기(Time of flight secondary ion mass spectrometry, ToF-SIMS)를 이용하여 합성 입자들 내의 구성 요소 및 배위결합 종류를 확인하였다.
장비는 IONI-TOF GmbH TOF SIMS 5를 이용하여 30 keV BI3+ 클러스터 이온 빔을 적용하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 모든 원시나노입자 및 나노입자들에서는 Zn 금속이온(65.38 g/mol), 2mim(82.1 g/mol), TBA(185.36 g/mol)이 검출되었으며, Atz 그룹을 포함하고 있는 TAZIF8 나노입자들 또한 Atz(84.08 g/mol)이 검출되었다. 또한 입자의 SOD 기본 구조를 유지하는 Zn(2mim)2(229.58 g/mol)과 원시 나노입자 내 Zn 금속이온과 배위결합하고 있는 TBA도 확인되었다(Zn(2mim)(TBA), 332.84 g/mol). Atz 그룹이 도입된 모든 TAZIF8 나노입자들에서는 Zn(2mim)(Atz)(231.56 g/mol)과 Zn(TBA)(Atz)(334.82 g/mol)이 검출되었으며, 이를 바탕으로 TAZIF8 나노입자 내 SOD 기본구조를 유지하는 유기 리간드인 2mim, 고분자와의 높은 상용성을 갖고 있는 TBA, 그리고 CO2와 선택적 상호작용이 가능하며 나노입자 내 기공 크기를 조절할 수 있는 Atz 그룹이 Zn 금속 이온과 잘 결합되어 있는 것을 확인하였다.
나노입자의 결정성 구조 분석
합성된 TAZIF8 입자들의 결정성 구조를 파악하기 위해, X선 회절 분석법(X-ray Diffraction, XRD)을 사용하여 원시 나노입자와 비교하였다(도 3). 장비는 Cu-K 방사선을 구비한 45 kV 및 40 mA에서 구동하는 Rigaku D/Max-2500H를 이용하여 5o-50o 사이에서 1o/min 간격으로 결과를 수집하였다. 원시 나노입자, 그리고 Atz가 도입된 TAZIF8-30 mol%, TAZIF8-40 mol%, 그리고 TAZIF8-50 mol% 입자들은 기본 구조인 sodalite (SOD) 구조를 유지하고 있음을 확인하였다. 그러나 약 90 몰 비율 이상이 도입된 TAZIF8 입자들은 기존 SOD 구조가 무너진 것을 확인하였다. 또한 각 입자의 (011) 결정면 간격을 분석한 결과, Atz 도입량이 30 몰 비율에서 50 몰 비율로 증가할수록 TAZIF8 입자의 (011) 결정면 간격이 점점 감소하는 것을 확인하였다. 이는 Atz 유기 리간드가 도입량이 증가할 수록 입자의 기공 크기가 점점 감소한다는 것을 의미하며, 이를 바탕으로 TAZIF8 입자의 선택적 기체 투과가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
TAZIF 내의 Atz 유기 리간드 확인
TAZIF8 입자들 내 도입된 Atz 유기 리간드의 존재를 확인하기 위하여, 푸리에 변환 적외선 분광장치 (FT-IR)을 통하여 분석하였다. 장비는 Nicolet 380 FTIR spectroscopy를 이용하여 4,000-400 cm-1의 wavemunber를 2 cm-1의 배율로 스캔하였다. Atz 도입량이 증가함에 따라, Atz 그룹 내 2차 아민 그룹을 나타내는 3,500-3,000, 1,650, 1,050 cm-1의 wavenumber의 검출 피크의 면적이 증가하는 것을 확인하였다 (도 4).
또한 Atz 내 아미노 작용기 (-NH-N-) 그룹을 나타내는 3,100, 1,550-1,500, 1,210 cm-1의 wavenumber의 검출 피크의 면적이 증가하는 것을 확인하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 원시 나노입자의 경우 424.3 cm-1에서 유기연결체의 아민과 금속이온과의 결합 (N-Zn) 관련 피크가 나타나게 되는데, TAZIF8 나노입자들의 경우 Atz 도입량이 증가함에 따라 해당 피크의 wavenumber가 함께 증가하여 TAZIF8-50 mol%의 나노입자에서는 427.5 cm-1로 이동하게 되어 대략 3.2 cm-1 정도의 차이를 보이게 된다. 이를 통해서 Atz 도입으로 금속과 유기 리간드 간의 결합강도가 상대적으로 높아졌음을 확인하였고 개발 TAZIF8 나노입자가 원시 나노물질 보다 더 제한된 기공 크기를 이루고 있음을 확인할 수 있었다.
TAZIF의 표면적 분석
Atz 그룹이 도입된 TAZIF8 나노입자들의 표면적 분석을 위해 N2 흡착등온곡선으로부터Brunauer-Emmett-Teller(BET) 식을 이용하여 원시 나노물질과 비교하였다. 측정은 Micromeritics ASAP 2020을 이용하여 N2 77K 조건 하에서 진행되었으며, 입자들은 N2 흡착 측정 전 120oC 진공 조건하에서 3시간 동안 전처리 후 사용되었다. 도 5와 표 2에 나타낸 바와 같이, 원시 나노입자 및 TAZIF8 나노입자의 압력 변화에 따른 등온 분석 그래프를 비교하였을 때 Atz 도입량이 증가함에 따라 N2 흡착량, 비표면적, 기공 부피가 점점 감소하는 것을 확인하였다. 이는 SOD 구조를 이루고 있는 유기 리간드인 2mim 보다 부피가 큰 Atz 그룹이 도입됨에 따라 입자 표면적과 기공 크기가 감소하여 N2에 대한 흡착량이 감소한 것으로 해석할 수 있다.
BET를 이용한 합성 입자들의 비표면적과 기공 부피
| 샘플 | 비표면적 (m2 g-1) | 기공 부피 (cm3 g-1) |
| 원시 나노입자 | 1920 | 0.71 |
| TAZIF8-30 mol% | 850 | 0.58 |
| TAZIF8-40 mol% | 660 | 0.39 |
| TAZIF8-50 mol% | 476 | 0.25 |
전자주사현미경 분석
도 6은 원시 나노입자, TAZIF8-30 mol%, TAZIF8-40 mol%, 그리고 TAZIF8-50 mol% 나노입자에 대한 전자주사현미경 (Scanning electron microscope, SEM) 사진이다. 장비는 JSM-7100F를 기반으로 5.0 kV의 전압을 사용하였다. 원시 나노입자의 경우 약 60 nm의 입자 크기를 나타낸 반면, TAZIF8 입자들의 경우 Atz 도입량이 증가함에 따라 최대 대략 100 nm의 입자 크기를 나타내었다.
결정면 피크 분석
TAZIF8 나노입자들의 선택적 CO2 상호작용 가능 및 기공 크기 변화를 확인하기 위하여, 실시간 엑스선 회절분석기(Insitu-XRD)를 이용하여 1 atm, 35oC 등온 조건 하 CO2, N2, 그리고 CH4 기체를 흡착시키며 입자의 (011) 결정면의 피크 값 변화 및 피크 면적값을 비교하였다. 장비는 X'Pert Pro 장비를 이용하여 60 kV, 60 mA 조건을 적용하였다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 35oC 진공 조건 하 각 입자 별 (011) 결정면의 피크 값 및 피크 면적값을 기준으로 CO2, N2, 그리고 CH4 기체를 나노입자에 노출시켰을 때의 변화를 관찰하였다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 각 나노입자들을 진공 조건에 노출시킨 뒤 관찰된 (011) 결정면 피크 값의 변화를 확인한 결과, 원시 나노입자의 경우 약 0.05 deg. 의 변화를 나타낸 반면 TAZIF8 나노입자들은 진공 조건에 노출된 이후에도 (011) 결정면 피크 값의 변화가 거의 없었다. 이는 TAZIF8 나노입자들의 기공크기가 원시 나노입자에 비해 제한되었다는 것을 의미한다. 진공 조건에 노출된 각 나노입자들을 CO2 기체에 노출시킨 뒤 (011) 결정면 피크 값의 변화를 관찰한 결과, 원시 나노입자의 경우 약 0.05 deg. 의 변화를 나타낸 반면 TAZIF8-30 mol%는 0.07 deg. , TAZIF8-40 mol%는 0.09 deg. 의 변화를 나타내었다. 이는 TAZIF8 나노입자들이 원시 나노입자에 비해 제한된 기공 크기를 갖고 있음에도 불구하고 TAZIF8 나노입자에 도입된 Atz 그룹 내 아민기로 인하여 CO2 기체 흡착량이 향상된 것으로 해석할 수 있다. 반면 TAZIF8-50 mol%는 0.05 deg. 의 변화를 나타내었는데 이는 해당 나노입자 내 기공 크기가 매우 제한되어 아민기를 갖고 있음에도 불구하고 CO2 기체가 입자 내부로 투과하지 못하여 흡착량이 감소한 것으로 해석할 수 있다.
합성 입자들의 In-situ XRD 측정 조건에 따른 (011) 결정면 피크 값 비교
| 샘플 | 대기압 | 진공 | CO2 | N2 | CH4 |
| 피크 위치 (deg.) |
피크 위치 (deg.) |
피크 위치 (deg.) |
피크 위치 (deg.) |
피크 위치 (deg.) |
|
| 원시나노입자 | 7.31 | 7.36 | 7.31 | 7.36 | 7.33 |
| TAZIF8-30 mol% | 7.33 | 7.35 | 7.28 | 7.35 | 7.33 |
| TAZIF8-40 mol% | 7.35 | 7.35 | 7.26 | 7.36 | 7.33 |
| TAZIF8-50 mol% | 7.37 | 7.38 | 7.33 | 7.38 | 7.38 |
도 8에 나타낸 바와 같이, Atz 그룹 도입량이 증가함에 따라 원시 나노입자에 비해 TAZIF8 나노입자의 CO2 흡착량이 증가한 것을 확인하였다. △I는 진공 조건에서 측정된 각 입자 별 (011) 결정면 피크 면적 대비 기체 흡착 이후 감소한 (011) 결정면 피크 면적의 비를 나타낸다. △I가 클 수록 특정 기체에 대한 흡착량이 높다는 것을 의미한다.
반면 N2와 CH4 기체의 경우 Atz 도입량이 증가함에 따라 흡착량이 점점 감소하는 것을 확인하였다. 이는 N2 등온 흡착 실험 결과와 유사한 결과이며, 2mim 유기 리간드보다 부피가 큰 Atz 그룹이 도입됨에 따라 입자의 비표면적과 기공 부피가 감소함과 동시에 금속과 유기 리간드 간 강한 결합력으로 인하여 기체가 TAZIF8 입자 기공에 통과하기 어렵다는 것을 나타낸다. 또한 TAZIF8-50 mol% 나노입자의 경우 TAZIF8-40 mol% 나노입자보다 감소한 CO2 흡착량을 나타내었는데, 이는 과량의 Atz 그룹이 도입될 경우 오히려 CO2 기체에 대한 흡착량이 위와 같은 이유들로 인하여 감소할 수 있다는 것을 나타낸다.
분리막 제조 및 SEM 분석
AZIF8, TAZIF8-30 mol%, TAZIF8-40 mol%, 그리고 TAZIF8-50 mol%를 6FDA-DAM 폴리이미드(PI) 고분자와 60(고분자)/40(나노입자) 중량 비율로 혼합 및 제막한 하이브리드 분리막을 제조하였다. 유리병 안에 AZIF8, TAZIF8-30 mol%, TAZIF8-40 mol%, 그리고 TAZIF8-50 mol% 나노입자와 용매(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 섞고 초음파 분쇄기를 통해 1시간 동안 각 나노입자를 용매 내 균일하게 분산시켰다. 뿔 형태 초음파 분쇄기를 이용하여 30초 동안 각 나노입자를 용매에 균일하게 분산시켰다. 각 나노입자가 균일하게 분산된 용매에 6FDA-DAM 고분자를 섞어 12시간 동안 롤러를 통해 교반시킨 후 균일하게 용해된 고분자 용액이 담긴 유리병을 초음파 분쇄기에 30분 동안 넣어 용액 내 미세 기포를 제거한 후 유리판 위에 주조 칼날을 이용하여 고분자 용액을 250 ㎛ 두께의 얇은 층으로 펴 12시간 동안 120oC 진공 조건에서 건조하였다. 12시간 후 유리화된 하이브리드 막은 잔여 용매를 제거하기 위해 12시간 동안 120oC 진공 조건에서 다시 한 번 건조하였다. 이때 얻어진 하이브리드 분리막은 약 35 내지 45 ㎛의 두께를 나타내었다 (도 9)
도 9는 각 분리막의 단면을 촬영한 SEM 사진이다. 촬영 결과, 원시 나노입자, TAZIF8-30 mol%, TAZIF8-40 mol%, 그리고 TAZIF8-50 mol% 입자들 모두 입자의 뭉침현상 없이 고분자 매트릭스 내에서 매우 균일하게 분산되어 있는 것을 확인하였다.
제2리간드의 유무에 의한 효과를 관찰하기 위해, 제2리간드가 도입된 TAZIF8-40 mol% 나노입자와 제2리간드를 생략한 TZIF8-40 mol% 나노입자를 이용하여, 고분자 대비 40 중량 비율을 갖는 하이브리드 분리막을 제막하였다. 도 10과 같이, 제2리간드가 도입되지 않은 나노입자를 포함하는 하이브리드 분리막은 제막과 동시에 모두 깨지는 것을 확인하였다. 분리막의 단면을 SEM 으로 분석한 결과, 제2리간드가 도입되지 않은 TZIF8-40 mol% 나노입자는 고분자 매트릭스 내에서 모두 뭉치거나 cluster가 발생된 것을 확인하여 고분자와의 낮은 상용성을 나타내었다.
하이브리드 분리막의 물성 측정
하이브리드 분리막의 기계적 물성을 나노인덴터를 이용하여 영률(Young's modulus)와 경도(Hardness)를 측정하였다. 나노인덴터는 TI-950 장비를 이용하여 Berkovich 팁을 2,500 uN의 하중으로 표면을 5회 압입하여 측정하였다. 도 11에 나타낸 바와 같이, Atz 도입량에 관계 없이 하이브리드 분리막은 단일 PI 고분자 대비 영률과 경도의 큰 감소 없이 높은 기계적 물성을 유지하고 있는 것을 확인하였다.
하이브리드 분리막의 기체 분리성능 분석
표 4는 1기압 35 oC 등온 조건 하 PI 고분자를 포함한 제조된 모든 하이브리드 분리막의 CO2, N2, CO, CH4 단일 기체 분리성능이다. 각 하이브리드 분리막의 단일기체 투과도 실험은 고정 부피-변이 투과 시스템을 사용하여 평가하였다. 실험 결과, PI/AZIF8 하이브리드 분리막에 비해 TAZIF8 입자 내 Atz 도입량이 증가할수록 CO2의 투과도는 동시에 증가하는 것을 확인하였다.
이는 AZIF8-Atz 내 아민기가 CO2 기체와의 상호작용을 통하여 선택적인 CO2 투과가 발생한 것으로 판단된다. 반면 Atz 도입량이 증가할수록 N2, CO, CH4 기체 투과도는 점점 감소하는데, 이는 AZIF8 내 Atz 유기 리간드를 도입한 후 입자의 기공 크기가 작아져 CO2를 제외한 모든 기체들이 입자의 기공을 통과하기 어려워 졌다는 것을 의미한다.
TAZIF8-40 mol% 나노입자의 경우, 입자뭉침 현상없이 40 중량 비율을 포함하는 하이브리드 분리막은 CO2 투과도 1635 Barrer, CO2/N2 선택도 42.5, CO2/CO 선택도 28.7, 그리고 CO2/CH4 선택도 44.2의 높은 선택도가 가능함을 확인하였다. 반면 TAZIF8-50 mol% 나노입자 40 중량 비율을 포함하는 하이브리드 분리막의 경우 CO2/N2 선택도 54.6, CO2/CO 선택도 36.1, 그리고 CO2/CH4 선택도 45.6의 향상된 선택도를 나타내었지만, CO2 투과도는 891.54 Barrer로 같은 중량 비율을 포함하고 있는 PI/TAZIF8-40 mol% 분리막보다 낮았다. 이는 TAZIF8-50 mol% 나노입자에 도입된 과량의 Atz 그룹이 입자의 비표면적과 기공 부피를 감소시킴과 동시에 금속과 유기 리간드 간 강한 결합력으로 인하여 기체가 TAZIF8 입자 기공에 통과하기 어렵다는 것을 나타낸다.
1 기압 35 oC 등온 조건 하 PI 및 하이브리드 분리막의 CO2, N2, CO, CH4 기체 분리성능
| 샘플 | Amount (wt%) |
PCO2 (Barrer) |
PN2 (Barrer) |
PCO (Barrer) |
PCH4 (Barrer) |
CO2/N2 (-) | CO2/CO (-) | CO2/CH4 (-) |
| PI | - | 599.48 | 27.86 | 42.04 | 25.64 | 21.5 | 14.5 | 23.4 |
| PI/AZIF8 | 20 | 888.24 | 43.15 | 60.52 | 43.92 | 21.6 | 14.7 | 20.2 |
| 40 | 1067.35 | 54.24 | 79.42 | 55.75 | 19.7 | 13.4 | 19.1 | |
| PI/TAZIF8 -30 mol% |
20 | 908.04 | 32.15 | 50.40 | 36.81 | 28.2 | 18.0 | 24.7 |
| 40 | 1410.39 | 42.77 | 62.02 | 44.19 | 33.0 | 22.7 | 31.9 | |
| PI/TAZIF8 -40 mol% |
20 | 963.73 | 29.00 | 44.08 | 29.62 | 33.2 | 21.9 | 32.5 |
| 40 | 1638.04 | 38.59 | 57.12 | 37.06 | 42.4 | 28.7 | 44.2 | |
| PI/TAZIF8 -50 mol%\ |
40 | 891.54 | 16.32 | 24.67 | 19.54 | 54.6 | 36.1 | 45.6 |
보다 정확한 TAZIF8 나노입자의 기체 투과/흡착 메커니즘을 분석하기 위하여, PI 고분자 대비 40 중량 비율의 입자를 포함하는 하이브리드 분리막의 CO2, N2, 그리고 CH4 기체에 대한 35oC 등온 흡착실험을 진행하였다. 도 11에 나타낸 바와 같이, Atz 도입량이 증가한 TAZIF8 나노입자를 포함한 하이브리드 분리막의 CO2 흡착량은 증가하였으며 PI/TAZIF8-50 mol% 분리막의 CO2 흡착량은 PI/TAZIF8-40 mol% 분리막에 비해 감소하여 기체 투과도 실험과 유사한 결과를 나타내었다. 반면 N2와 CH4 기체 흡착량은 Atz 도입량이 증가한 TAZIF8 나노입자를 포함한 하이브리드 분리막일수록 모두 감소하였다. 등온 흡착실험을 바탕으로 Henry의 법칙과 Langmuir 법칙을 합한 dual mode model을 이용하여 각 하이브리드 분리막의 기체 별 흡착거동을 비교하였고 이를 표 5에 나타내었다.
등온 흡착실험 결과를 바탕으로 Henry 모델과 Langmuir 모델의 합으로 이루어진 dual mode model 방정식을 이용하여 개발 하이브리드 분리막의 흡착 거동을 분석하였다.
C i (cm3 (STP) cm-3 (polymer))는 하이브리드 분리막 내 기체 i의 농도, p i 는 평형 상태에서의 기체 i의 분압, C H,i '(cm3 (STP) cm-3 (polymer))은 기체 i에 대한 Langmuir 흡착량 상수, b i (atm-1)는 기체 i에 대한 친화성 상수, k D,i (cm3 (STP) cm-3 (polymer) atm-1)는 기체 i에 대한 Henry 상수를 의미한다. 모든 나노입자들은 흡착 실험에 앞서 진공 조건 하 35oC에서 12시간 동안 건조하였다. 표 5에 나타낸 바와 같이, Atz 도입량이 증가한 TAZIF8 나노입자를 포함한 하이브리드 분리막은 CO2와 선택적 상호작용이 향상되어 PI/TAZIF8-40 mol% 분리막까지 C H ', b, k D 변수들 모두 계속 증가하며, PI/TAZIF8-50 mol% 분리막에서는 표면적 및 기공이 현저히 감소하였기 때문에 이들 모델 매개변수들이 다시 감소한다. 반면 N2와 CH4 기체에 대한 변수들은 Atz 도입량이 증가할수록 나노입자의 표면적 및 기공부피가 감소하기 때문에 모든 PI/TAZIF8 MMM 들은 PI/AZIF8 에 비해 C H '이 감소하는 것을 확인하였다. 이 결과는 TAZIF8 나노입자가 CO2와 선택적 상호작용이 가능하며 N2와 CH4에 대해서는 특별한 상호작용 없이 흡착량을 감소시킨다는 것을 나타낸다.
35oC 등온 조건 하 40 중량 비율의 나노입자를 포함하는 개발 하이브리드 분리막의 CO2, N2, 그리고 CH4 dual mode model 매개변수 값
| 샘플 | CO2 | N2 | CH4 | ||||||
| C H ' | b | k D | C H ' | b | k D | C H ' | b | k D | |
| PI | 36.60 | 0.52 | 1.86 | 0.55 | 0.33 | 0.54 | 4.47 | 0.40 | 1.15 |
| PI/AZIF8 | 41.59 | 0.70 | 2.33 | 1.33 | 0.46 | 0.75 | 7.54 | 0.46 | 1.36 |
| PI/TAZIF8-30 mol% | 47.31 | 0.87 | 3.05 | 0.95 | 0.41 | 0.72 | 5.67 | 0.55 | 1.33 |
| PI/TAZIF8-40 mol% | 48.95 | 1.16 | 4.12 | 0.86 | 0.36 | 0.68 | 4.73 | 0.55 | 1.40 |
| PI/TAZIF8-50 mol% | 42.81 | 0.79 | 2.65 | 0.43 | 0.40 | 0.53 | 4.50 | 0.50 | 1.28 |
밀집 고분자 분리막에서 가스 투과도(P i )는 동력학적 인자인 확산도(D i )와 열역학적 인자인 용해도(S i )의 곱으로 표현될 수 있다.
도 12에서 계산된 기체 별 흡착량을 바탕으로 표 4의 기체 투과도를 확산도와 용해도로 나누어 표 6에 나타내었다. Atz 도입량이 증가할수록 PI/TAZIF8 하이브리드 분리막의 기체 확산도는 기체의 종류에 관계없이 모두 감소하는 것을 확인하였다. 반면 CO2/N2, CO2/CH4 확산도 선택도는 증가하는 것을 확인하였는데 이는 Atz 그룹 도입 이후 Zn 금속이온-유기 리간드 간 향상된 결합력으로 인하여 기공 크기가 감소하여 기체의 크기를 통한 분리능이 향상되었기 때문으로 해석할 수 있다. 용해도의 경우 Atz 그룹 도입 이후 CO2에 대한 흡착량은 선택적으로 증가하였으나, N2와 CH4에 대해서는 용해도가 점점 감소하는 것을 확인하였다. 특히 PI/TAZIF8-50 mol% 분리막의 경우 PI/TAZIF8-40 mol% 분리막에 비하여 모든 기체의 용해도가 감소했음에도 불구하고 N2와 CH4의 용해도 감소 폭이 CO2의 용해도 감소 폭 보다 더 높아 CO2/N2와 CO2/CH4에 대한 용해도 선택도가 PI/TAZIF8-40 mol% 분리막과 비슷하게 유지되는 것을 확인하였다.
1atm, 35oC 조건 하 40 중량 비율의 나노입자를 포함하는 개발 하이브리드 분리막의 확산도, 용해도, 확산도 선택도, 그리고 용해도 선택도
| 샘플 | 기체 | 확산도 (D a ) |
용해도 (S b ) |
확산도 선택도 | 용해도 선택도 | ||
| CO2/N2 | CO2/CH4 | CO2/N2 | CO2/CH4 | ||||
| PI | CO2 | 3.20 | 18.71 | 1.0 | 4.1 | 21.3 | 5.7 |
| N2 | 3.11 | 0.88 | |||||
| CH4 | 0.78 | 3.30 | |||||
| PI/AZIF8 | CO2 | 4.42 | 24.13 | 1.3 | 3.9 | 15.4 | 5.0 |
| N2 | 3.46 | 1.57 | |||||
| CH4 | 1.13 | 4.82 | |||||
| PI/TAZIF8-30 mol% | CO2 | 4.31 | 32.72 | 1.3 | 4.3 | 25.2 | 7.5 |
| N2 | 3.28 | 1.30 | |||||
| CH4 | 1.01 | 4.38 | |||||
| PI/TAZIF8-40 mol% | CO2 | 4.14 | 39.57 | 1.4 | 4.7 | 31.5 | 9.4 |
| N2 | 3.02 | 1.28 | |||||
| CH4 | 0.92 | 4.03 | |||||
| PI/TAZIF8-50 mol% | CO2 | 3.19 | 27.97 | 1.7 | 5.9 | 31.8 | 7.7 |
| N2 | 1.87 | 0.88 | |||||
| CH4 | 0.54 | 3.62 | |||||
*a: 확산도(X 10-7 cm2 sec-1)
*b: 용해도(X 10-2 cm3 (STP) cm-3 cmHg-1)
Claims (15)
- 삼종의 리간드가 도입된 제올라이트 이미다졸레이트계 구조(zeolitic Imidazolate framework, ZIF) 나노입자에 있어서,
금속이온과;
상기 금속이온에 결합되어 있는 유기 리간드를 포함하며,
상기 유기 리간드는 이미다졸 제1유기 리간드, 알킬아민 제2유기 리간드 및 고리 상에 치환된 하나 이상의 아민기를 포함하는 제3유기 리간드를 포함하며,
상기 유기리간드는,
상기 제1유기 리간드 30 내지 80몰% 및 상기 제2유기 리간드 3 내지 15몰%을 포함하며,
상기 제1유기 리간드, 상기 제2유기 리간드 및 상기 제3유기 리간드는 각각 상기 금속이온과 직접 결합되는 나노입자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2유기 리간드는,
1차, 2차 및 3차 아민 중 적어도 어느 하나를 포함하고
메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 엡틸, 옥틸, 노닐, 데실, 언데실, 도데실, 프로파데실, 부타데실, 펜타데실, 헥사데실, 엡타데실, 옥타데실 및 노다데실 중 어느 하나의 길이의 알킬체인을 가지고 있는 알킬 아민 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 나노입자. - 제1항에 있어서,
상기 제1유기 리간드는,
2-메틸이미다졸, 이미다졸, 에틸이미다졸, 니트로이미다졸, 클로로메틸이미다졸, 디클로로이미다졸, 이미다졸-4-카복아미드, 아미노벤즈이미다졸, 벤즈이미다졸, 5-클로로벤즈이미다졸, 5,6 디메틸벤즈이미다졸, 메틸벤즈이미다졸, 브로모벤즈이미다졸 및 니트로벤즈이미다졸 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 나노입자. - 제1항에 있어서,
상기 제3유기 리간드는,
아미노-1,2,4-트리아졸, 아미노이미다졸, 2-아미노벤즈이미다졸 및 6-아미노벤즈이미다졸 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 나노입자. - 제1항에 있어서,
상기 나노입자는 (011) 결정면의 간격이 12.06 내지 11.95Å이며,
상기 나노입자의 아민-금속 결합의 IR 피크는 425.5 내지 429.5cm-1이며,
상기 나노입자의 비표면적은 400 내지 1000m2/g이며, 기공부피는 0.2 내지 0.65cm3/g이며,
상기 나노입자의 크기는 80nm 내지 120nm인 나노입자. - 삼종의 리간드가 도입된 제올라이트 이미다졸레이트계 구조(zeolitic Imidazolate framework, ZIF) 나노입자의 제조방법에 있어서,
금속 전구체, 이미다졸 제1유기 리간드 및 알킬아민 제2유기 리간드를 제1극성용매 내에서 교반하여 원시 나노입자를 얻는 단계;
상기 원시 나노입자의 상기 제1유기 리간드 및 상기 제2유기 리간드 중 적어도 일부를 고리 상에 치환된 하나 이상의 아민기를 포함하는 제3유기 리간드로 치환하는 단계를 포함하며,
상기 제1유기 리간드, 상기 제2유기 리간드 및 상기 제3유기 리간드는 각각 상기 금속이온과 직접 결합되는 나노입자의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 치환은,
상기 원시 나노입자와 상기 제3유기 리간드를 제2극성용매에서 교반하여 수행되는 나노입자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 금속 전구체는 Co, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Lr, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg 및 Uub로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 아세테이트염을 포함하며,
상기 제 1 극성 용매 및 상기 제 2 극성 용매는, 각각 독립적으로 알코올, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글라이콜, 물, 다이메틸포름아마이드, 다이메틸설폭사이드, 아세트나이트릴 및 다이메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 나노입자의 제조방법. - 나노입자를 포함하는 하이브리드막에 있어서,
고분자 100중량부; 및
제1항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 나노입자 30 내지 150중량부를 포함하는 하이브리드막. - 제12항에 있어서,
상기 하이브리드막의 1기압, 35℃에서의 CO2/N2 분리성능은 25 내지 60, CO2/CO의 분리성능은 15 내지 60, CO2/CH4의 분리성능은 24 내지 50인 하이브리드막. - 기체의 분리방법에 있어서,
제12항에 따른 하이브리드 막을 이용하여 두 가지 이상의 기체를 포함하는 혼합 기체로부터 한 가지 이상의 기체를 분리하는 단계를 포함하는 기체 분리 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 혼합 기체에 포함된 기체들의 분자 크기 차이는 0.1Å내지 5Å이며,
상기 혼합 기체는 CO2를 포함하는 기체 분리 방법.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210058015A KR102608929B1 (ko) | 2020-06-04 | 2021-05-04 | 삼종의 리간드가 도입된 zif 나노입자, 이의 제조방법, 이를 포함한 하이브리드막 및 상기 하이브리드막을 이용한 기체 분리 방법 |
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|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102339456B1 (ko) * | 2018-10-24 | 2021-12-15 | 서강대학교산학협력단 | 결정구조가 제어된 제올라이트 이미다졸레이트계 구조를 포함하는 나노입자 및 이의 제조 방법 |
-
2021
- 2021-05-04 KR KR1020210058015A patent/KR102608929B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Journal of Materials Chemistry A, Vol.6, pp.18912-18919, 2018* |
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| KR20210150971A (ko) | 2021-12-13 |
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