KR20050022259A - New Nanoporous Organic Polymer and its Synthesis Method thereof and application for catalysis - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Provided are a novel nanoporous organic polymer composite which is improved in structural regularity, mechanical strength, thermal stability and chemical resistance, and its preparation method. CONSTITUTION: The nanoporous organic polymer composite comprises a mesoporous silica or carbon molecular sieve provided with a micropore with a size of 2-50 n m in the mesopore wall; and an organic polymer which is supported in the micropore of the molecular sieve and is coated to the wall face of the molecular sieve. Preferably the amount of the organic polymer is 1-100 wt% based on the weight of the mesoporous molecular sieve. Preferably an organic functional group is introduced into the nanopore wall of the molecular sieve. The composite is used as a porous catalyst in the acid-based catalyst reaction such as esterification, alkylation, Knoevenagel reaction, aldol condensation reaction, isomerization, etc. and the oxidation-reduction reaction such as benzene-alcohol oxidation reaction, etc.

Description

신규한 나노다공성 유기고분자 물질 및 이의 제조방법과 촉매에의 응용{New Nanoporous Organic Polymer and its Synthesis Method thereof and application for catalysis} New nanoporous organic polymer material and its preparation method and application to catalysts {New Nanoporous Organic Polymer and its Synthesis Method about and application for catalysis}

본 발명은 나노다공성 유기고분자 물질 및 그 제조방법과 촉매에의 응용에 관한 것으로 보다 상세하게는, 기계적 강도, 열적 안정성 및 내화학적 특성이 우수한 구조규칙적인 나노다공성 유기고분자 물질 및 이의 제조방법에 관한 것으로 종래의 기술에 의한 다공성 촉매물질에 비하여 우수한 촉매특성을 나타내는 물질에 관한 것이다.The present invention relates to a nanoporous organic polymer material, a method for producing the same, and an application thereof to a catalyst, and more particularly, to a structured nanoporous organic polymer material having excellent mechanical strength, thermal stability, and chemical resistance, and a method for preparing the same. The present invention relates to a material exhibiting excellent catalytic properties compared to a porous catalyst material according to the prior art.

재료과학 분야에서는 오랜 기간 동안, 수 나노미터 범위의 균일한 나노기공을 가지며 기계적인 강도, 열안정성 및 내화학적 특성이 증대된 나노구조의 유기 고분자에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. 최근에는 이러한 나노구조 유기 고분자에 대한 성공적인 합성법에 관한 보고가 많이 이루어지고 있다. 종래 이 분야의 기술에서는, 초분자 액정 주형법(supramolecule liquid crystal templating route)을 사용하여 유기물질들이 고체상태(solid state)에서 주기적인 나노크기 영역(domain)의 배열을 가지도록 한 후, 나노크기 영역에서 선택적으로 어떤 한 종류의 영역을 제거함으로써 구조규칙성의 나노기공을 유지하는 고체 구조를 얻을 수 있다는 전략을 제시해 왔다. 또한, 구조규칙성의 나노다공성 유기 고분자 물질을 합성하는 또 다른 방법으로는 메조다공성 실리카 주형을 이용하여 고분자 중합을 실시한 후 실리카 주형을 불산 등으로 제거하는 방법을 들 수 있다. In the field of materials science, many studies have been conducted on nanostructured organic polymers having uniform nanopores in the range of several nanometers and enhanced mechanical strength, thermal stability, and chemical resistance. Recently, many reports on the successful synthesis of such nanostructured organic polymers have been made. Conventional techniques in the art use supramolecule liquid crystal templating routes to allow organic materials to have periodic arrays of nanoscale domains in the solid state, and then to nanoscale domains. Has been suggested to obtain a solid structure that retains the orderly nanopores by selectively removing one type of region. In addition, another method of synthesizing the structure-regulated nanoporous organic high molecular material includes a method of polymerizing a mesoporous silica mold and then removing the silica mold with hydrofluoric acid.

그러나 상기와 같은 종래 기술로 만들어진 순수 유기물 골격으로 이루어진 나노다공성 물질은 실리카 및 탄소 물질에 비하여 기계적 강도, 열안정성, 유기 용매에 대한 안정성이 현저하게 낮게 되는 문제점을 가진다. 또한, 이러한 물질의 제조 시 세공의 크기 및 구조를 제어함에 있어서는 많은 제한이 따르고 있다. However, the nanoporous material made of the pure organic material skeleton made of the prior art has a problem that mechanical strength, thermal stability, stability to organic solvents are significantly lower than those of silica and carbon materials. In addition, there are many limitations in controlling the size and structure of the pores in the manufacture of such materials.

본 발명에 따른 나노다공성 유기 고분자물질은 촉매 응용 부분에 있어서 우수한 촉매 특성을 나타내는 새로운 나노다공성 물질들 중의 하나이다. 현재까지 사용되고 있는 다공성 촉매로는 수 나노미터에서 수십 나노미터 크기를 가지는 다공성 탄소물질, 다공성 실리카 물질 등이 대표적이며, 최근에는 유기물 분자를 다공성 분자체에 접합시킨 새로운 개념의 복합체(hybrid)가 등장했다. The nanoporous organic polymeric material according to the present invention is one of new nanoporous materials that exhibit excellent catalytic properties in catalytic applications. Porous catalysts used up to now include porous carbon materials and porous silica materials having a size of several nanometers to several tens of nanometers. Recently, a new concept of hybrids in which organic molecules are bonded to porous molecular sieves has emerged. did.

종래의 기술에서 나노다공성 실리카 분자체의 벽을 유기물질로 처리하는 방법은 크게 접합(grafting), 코팅(coating), 그리고 공축합(co-condensation)으로 나눌 수 있다. 접합(grafting)방법에서는 다공성 실리카(메조다공성 실리카 또는 무정형 실리카)의 표면에 존재하는 하이드록시 그룹(hydroxyl group)을 이용하여, 낮은 반응성을 나타내는 알킬 사슬 또는 페닐 그룹들을 표면에 붙임으로서 결과적으로 다공성 물질의 표면의 친유성을 증가시켰다. 코팅(coating)은 접합과 약간의 차별성을 보이는 기술로서, 표면의 하이드록실 그룹(hydroxyl group)을 수화(hydration)시킨 후에 표면을 유기단량체로 개질시키는 방법이다. 공축합(co-condensation) 방법은 다공성 물질을 형성하는 과정 중에 유기단량체 또는 개질시키고자 하는 물질을 첨가하여 한꺼번에 반응을 진행시키는 방법이다. 이 방법을 통하여서는 테트라알콕시실란(tetraalkoxysilane)과 하나 또는 다수의 오르가노실란(organosilane)을 같이 공동으로 반응시켜서 만든 메조다공성 실리카 유무기 복합체들이 알려져 있다.In the prior art, methods for treating the nanoporous silica molecular sieve with organic materials can be roughly divided into grafting, coating, and co-condensation. In the grafting method, hydroxyl groups present on the surface of porous silica (mesoporous silica or amorphous silica) are used to attach low-reactivity alkyl chains or phenyl groups to the surface, resulting in a porous material. Increased the lipophilic of the surface. Coating (coating) is a technique that shows a slight difference from the bonding, a method of modifying the surface with an organic monomer after hydration of the hydroxyl group (hydroxyl group) of the surface. Co-condensation (co-condensation) is a method of proceeding the reaction at once by adding an organic monomer or a material to be modified during the process of forming a porous material. Through this method, mesoporous silica organic-inorganic complexes made by jointly reacting tetraalkoxysilane with one or more organosilanes are known.

이와 같은 종래의 대표적인 세 가지 방법에 의해서 주로 나노다공성 물질의 표면 또는 벽에 기능성을 부여하거나 유기 물질을 접목시킬 수 있고, 이는 유기 단량체뿐만 아니라, 금속, 고분자 등에 확대 적용되어왔다. 이 물질들은 다공성 촉매로서, 산-염기반응, 산화-환원반응을 비롯한 기타 촉매반응 등에 이용되어 왔다. 그러나 아직도 이러한 다공성 물질들이 촉매반응에서 보여주는 촉매 특성 및 활성에 대한 메카니즘이 정확히 이해되지 않기 때문에, 새로운 다공성 촉매 물질을 디자인하는 데에는 어려움이 있다.By the conventional three representative methods, such as to impart functionality to the surface or wall of the nanoporous material or to graf the organic material, which has been widely applied to metals, polymers, etc. as well as organic monomers. These materials have been used as porous catalysts for acid-base reactions, oxidation-reduction reactions and other catalysis. However, there is still a difficulty in designing a new porous catalyst material because the mechanisms for the catalytic properties and activity exhibited by these porous materials are not exactly understood.

이에 따라, 상기 종래 기술이 가지는 문제점에 대하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구조적인 규칙성이 증대된 나노다공성 유기고분자 물질을 제공함에 있으며, 특히 기계적 강도, 열안정성 및 내화학적 특성이 증대된 새로운 구조규칙성의 나노다공성 유기고분자 물질을 제공함에 있다Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention with respect to the problems of the prior art is to provide a nanoporous organic polymer material with increased structural regularity, in particular mechanical strength, thermal stability and chemical resistance is increased new To provide a structure-regular nanoporous organic polymer material

또한 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상기 구조규칙성의 나노다공성 유기고분자를 용이하게 제조하는 방법을 제공함에 있다. In addition, another technical problem of the present invention is to provide a method for easily preparing the nanostructured porous organic polymer.

또한 본 발명에 따른 물질이 종래의 기술에 따른 다공성 촉매 물질에 비하여 우수한 촉매특성을 나타내는 나노다공성 유기고분자를 제공하고자 함에 있다. In addition, the material according to the present invention is to provide a nanoporous organic polymer exhibiting excellent catalytic properties compared to the porous catalyst material according to the prior art.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은,The present invention as a means for achieving the above object,

나노다공성 유기고분자 물질에 있어서, 마이크로기공을 벽내에 구비하는 메조다공성 분자체와, 상기 마이크로기공의 내부에 담지되며 메조다공성 분자체의 벽면에 코팅된 유기고분자 중합체를 포함함을 특징으로 하는 나노다공성 유기고분자 물질을 제공한다.A nanoporous organic polymer material comprising: a mesoporous molecular sieve having micropores in a wall; and an organic porous polymer supported on the inside of the micropore and coated on a wall of the mesoporous molecular sieve. Provide organic polymer materials.

이하 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail.

상기에서 메조다공성 분자체라 함은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 2~50nm 범위에 해당하는 메조크기의 기공분포를 가지는 구조규칙성의 분자체(Molecular sieve)를 의미한다. 상기에서 메조다공성 분자체는 바람직하게는 메조다공성 실리카분자체 또는 메조다공성 탄소분자체를 포함한다.The mesoporous molecular sieve is not particularly limited, but means a molecular sieve having a meso-sized pore distribution in the range of 2 to 50 nm. The mesoporous molecular sieve in the above preferably comprises mesoporous silica molecular sieve or mesoporous carbon molecular sieve.

실리카분자체는 이미 다양한 종류의 물질이 알려진 바 있다. 대표적인 예로는, 기공의 배열구조가 육방정계를 따르는 MCM-41, SBA-15, MSU-H 등과, 입방정계의 기공배열구조를 가지는 MCM-48, SBA-1, SBA-16 등의 물질들이 공지되어 있다. 이하에서 설명되어질 본 발명의 바람직한 실시예에서는 메조기공벽에 존재하는 마이크로기공의 분포를 조절할 수 있는 새로운 합성조건을 도입함으로써 유기고분자 중합체가 담지될 수 있는 바람직한 구조의 메조다공성 실리카 분자체가 개시될 것이다.Silica molecular sieve has already been known a variety of materials. As a representative example, materials such as MCM-41, SBA-15, MSU-H, etc. having a hexagonal pore array, and MCM-48, SBA-1, SBA-16 having a cubic pore array are known. It is. In a preferred embodiment of the present invention to be described below, a mesoporous silica molecular sieve having a preferred structure in which an organic polymer polymer can be supported by introducing a new synthetic condition that can control the distribution of micropores present in the mesoporous wall is disclosed. will be.

또 다른 메조다공성 분자체의 예로서 탄소분자체는 메조기공벽내에 많은 마이크로기공(2 nm 미만)을 가지는 물질로서, 이러한 물질은 이미 한국과학기술원 유룡 교수 연구진에 의해 최초 합성된 CMK-n(Carbon Mesostructured by KAIST, n= 일련번호)으로 명명되어진 물질로 공지된 바 있다. (참조: 특허등록 제10-0307692, 논문: Nature 2001, 412, 169)As another example of mesoporous molecular sieves, carbon molecular sieves have many micropores (less than 2 nm) in the mesoporous walls, which are already synthesized by Prof. Yu Ryong, a professor at Korea Advanced Institute of Science and Technology (CMK-n). by KAIST, n = serial number). (Reference: Patent Registration No. 10-0307692, Papers: Nature 2001 , 412 , 169)

탄소분자체에 대한 기존의 연구들에 의하면, 다른 금속산화물 계열의 분자체물질에 비하여 탄소분자체는 높은 열안정성과 수열안정성, 내화학성 및 친유기성 등의 장점이 있다. 그러나, 기존에 발표된 탄소분자체들은 활성탄에 비하여 비교적 균일한 기공크기분포를 가짐에도 기공의 크기가 작고, 또한 기공 크기분포가 넓어 응용에 매우 제한적이라는 것과 전체적인 구조규칙성이 결여되는 단점이 있다.According to existing studies on carbon molecular sieves, carbon molecular sieves have advantages of high thermal stability, hydrothermal stability, chemical resistance and organic properties, compared to other metal oxide-based molecular sieve materials. However, conventionally released carbon molecular sieves have a relatively uniform pore size distribution than activated carbon, but have a small pore size and a wide pore size distribution, which is very limited in application and lacks overall structural regularity.

상기한 바와 같은 CMK-n에 속하는 물질들은 메조다공성 실리카 분자체를 주형으로 하여 기공내에 균일한 크기의 탄소나노선 또는 탄소나노튜브를 정렬시킨 후 실리카분자체를 제거하여 얻어지는 물질로서, 육방정계 및 입방정계의 다양한 기공배열과 함께, 기공의 직경이 2~10nm 정도로서 균일한 특성이 있다.The materials belonging to the CMK-n as described above are materials obtained by aligning carbon nanowires or carbon nanotubes of uniform size in pores with mesoporous silica molecular sieve as a template, and then removing the silica molecular sieve. Along with the various pore arrays in the cubic system, the pore diameter is about 2 to 10 nm and has uniform characteristics.

메조다공성 분자체는 바람직하게는 벽 내부에 유기단량체를 담지할 수 있는 마이크로기공을 많이 가질수록 더 많은 양의 유기고분자중합체를 함유할 수 있다. 따라서 마이크로기공의 분포 정도는 분자체에 도입하고자하는 유기고분자 중합체를 수용할 수 있는 한 본 발명에서는 특별히 한정되지는 않는다. 또한, 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질은 메조다공성 분자체의 벽면에 유기고분자 중합체가 메조기공의 크기를 크게 감소시키지 않는 범위 내에서 소정 두께의 박막으로 형성되어 있다. 이와 같은 구조는 유기고분자 중합체가 실리카 또는 탄소골격과 함께 복합재료 골격을 형성함으로써 기계적 강도, 열적 안정성 및 내화학적 특성이 우수한 나노다공성 유기고분자 물질을 제공한다.The mesoporous molecular sieve may preferably contain a greater amount of organic polymer as the more micropores capable of supporting the organic monomer inside the wall. Therefore, the degree of distribution of micropores is not particularly limited in the present invention as long as it can accommodate the organic polymer to be introduced into the molecular sieve. In addition, the nanoporous organic polymer material according to the present invention is formed on the wall surface of the mesoporous molecular sieve as a thin film having a predetermined thickness within a range that does not significantly reduce the size of the mesopores. Such a structure provides a nanoporous organic polymer material having excellent mechanical strength, thermal stability and chemical resistance by forming the composite skeleton together with the silica or carbon skeleton.

또한 본 발명의 나노다공성 유기고분자 물질은 나노기공벽에 소정의 관능기가 도입될 수 있다. 관능기를 표면에 도입하여 나노기공 벽을 변형시킴으로써 나노다공성 유기고분자 물질에 친수성 또는 친유성의 특성을 부여할 수 있다. 이러한 관능기는 특별한 종류로서 한정을 요하는 것은 아니며, 예로는 술폰기, 카르복실기, 니트로기, 아민기, 포스폰기 등에서 요구에 따라 선택되어진다. In addition, in the nanoporous organic polymer material of the present invention, a predetermined functional group may be introduced into the nanopore wall. By introducing functional groups into the surface to modify the nanopore walls, hydrophilic or lipophilic properties can be imparted to the nanoporous organic polymeric material. Such functional groups are not particularly limited and need not be limited. Examples thereof include sulfone groups, carboxyl groups, nitro groups, amine groups, phosphone groups, and the like.

상기 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질은 마이크로기공을 벽내에 구비하는 메조다공성 분자체에 유기단량체를 함침시키는 단계와, 상기 유기 단량체를 중합시켜 상기 마이크로기공의 내부 및 메조다공성 분자체의 벽면에 유기고분자 중합체를 형성하는 단계를 통해 제조할 수 있다.The nanoporous organic polymer material according to the present invention comprises impregnating an organic monomer in a mesoporous molecular sieve having micropores in the wall, and polymerizing the organic monomer to the inside of the micropores and the wall surface of the mesoporous molecular sieve. It may be prepared through the step of forming an organic polymer.

유기단량체는 메조다공성 구조내로 담지되어 벽내에 형성된 마이크로기공에 완전히 충진되고, 뿐만 아니라 모세관 응축현상에 의해 메조기공벽내로 흡수된다. 이와 같이 충진 및 흡수된 유기단량체는 중합과정을 거쳐 유기고분자로 되어 메조기공벽에 박막을 형성한다.The organic monomer is loaded into the mesoporous structure and completely filled with micropores formed in the wall, as well as absorbed into the mesoporous wall by capillary condensation. The organic monomers filled and absorbed as above become organic polymers through a polymerization process to form a thin film on the mesoporous wall.

상기 과정에 사용될 수 있는 유기단량체는 크게 단계성장중합과 사슬성장중합으로 구분되는 다양한 고분자 중합법을 통해 메조다공성 물질의 기공 내에서 고분자로 합성될 수 있는 어떠한 것도 포함될 수 있다. 대표적인 예로서 라디칼, 양이온 또는 음이온을 개시제로 사용하여 사슬성장중합을 일으킬 수 있는 에틸렌(ethylene), 1-알킬 올레핀(1-alkyl olefins), 1,3-다이엔(1,3-dienes), 스타이렌(styrene), 메틸 스타이렌(methyl styrene), 할로겐화 올레핀(halogenated olefins), 비닐 에스터(vinyl ester), 아크릴레이트(acrylates), 메타크릴레이트(methacrylates), 아크릴로나이트릴(acrylonitrile), 메타크릴로나이트릴(methacrylonitrile), 아크릴아마이드(acrylamide), 메타크릴아마이드(methacrylamide), 비닐 에테르(vinyl ethers), 비닐 카바졸(N-Vinyl carbazole), 비닐 피롤리돈(N-Vinyl pyrrolidone), 알데히드(aldehydes), 케톤(ketones) 등을 들 수 있다. 이 외에도 고분자 중합법이 알려진 유기단량체로서, 아세나프탈렌(acenaphthalene), 에틸비닐에테르(ethyl vinyl ether), 프로펜(propene), 부틸비닐에테르(n-butyl vinyl ether), 이소부틸비닐에테르(i-butyl vinyl ether), 파라메톡시스타이렌(p-methoxystyrene), 이소부틸렌(isobutylene), 알릴아세테이트(allyl acetate), 비닐아세테이트(vinyl acetate), 파라부로모스타이렌(p-bromostyrene), 알릴클로라이드(ally chloride), 이소프렌(isoprene), 비닐피리딘(2-vinylpyridine), 비닐클로라이드(vinyl chloride), 메타니트로스타이렌(m-nitrostyrene), 비닐리덴클로라이드(vinylidene chloride), 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate), 메타크릴릭산(methacrylic acid), 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate), 비닐풀루오라이드(vinyl fluoride), 부틸아크릴레이트(n-butyl acrylate), 아크릴릭산(acrylic acid), 1-헥센(1-hexene), 메틸비닐케톤(methyl vinyl ketone), 다이에틸(diethy), 말레이트(maleate), 테트라풀루오로에틸렌(tetrafluoroethylene), 오르토클로로스타이렌(o-chlorostyrene), 다이에틸퓨마레이트(diethyl fumarate), 퓨마로니트릴(fumaronitrile), 무수말레익산(maleic anhydride) 등이 상기의 목적에 쓰일 수 있는 적합한 예가 될 수 있으며, 이들 유기단량체는 1종의 단량체 또는 2종 이상의 단량체로 구성되어, 단일 고분자 중합체 또는 공중합체로서 합성된다. 유기단량체의 함량은 특별히 한정되지 않지만, 실리카분자체 또는 탄소분자체의 구조규칙성을 유지하면서 유기고분자 물질이 기공 내에 박막형태로 코팅이 되기 위해서는 유기단량체가 메조다공성 분자체의 중량대비 100중량%이내가 바람직하며, 나노다공성 분자체에 존재하는 마이크로 기공의 분포에 따라서 100중량% 이내에서 조절되는 것이 더욱 바람직하고 이 범위에서 원하는 특성에 따라 당업자에 의해 선택되어질 수 있다. The organic monomers that can be used in the above process may include any that can be synthesized into a polymer in the pores of the mesoporous material through various polymer polymerization methods which are classified into step growth polymerization and chain growth polymerization. Representative examples include ethylene, 1-alkyl olefins, 1,3-dienes, which can cause chain growth polymerization using radicals, cations or anions as initiators. Styrene, methyl styrene, halogenated olefins, vinyl esters, acrylates, methacrylates, acrylonitrile, meta Methacrylonitrile, acrylamide, methacrylamide, vinyl ethers, vinyl carbazole, vinyl pyrrolidone, aldehyde (aldehydes), ketones, and the like. In addition, polymer monomers are known organic monomers, such as acenaphthalene, ethyl vinyl ether, propene, n-butyl vinyl ether, and isobutyl vinyl ether. butyl vinyl ether, p-methoxystyrene, isobutylene, allyl acetate, allyl acetate, vinyl acetate, para-bromostyrene, allyl chloride (ally chloride), isoprene, 2-vinylpyridine, vinyl chloride, m-nitrostyrene, vinylylidene chloride, methyl methacrylate ), Methacrylic acid, methyl acrylate, vinyl fluoride, n-butyl acrylate, acrylic acid, 1-hexene (1- hexene), methyl vinyl ketone, Diethyl, maleate, tetrafluoroethylene, orthochlorostyrene, diethyl fumarate, fumaronitrile, maleic anhydride (maleic anhydride) and the like can be a suitable example that can be used for this purpose, these organic monomers are composed of one monomer or two or more monomers, synthesized as a single polymer polymer or copolymer. The content of the organic monomer is not particularly limited, but in order for the organic polymer material to be coated in the form of a thin film in the pores while maintaining the structural regularity of the silica or carbon molecule, the organic monomer is within 100% by weight of the mesoporous molecular sieve. It is preferable to be controlled within 100% by weight depending on the distribution of micropores present in the nanoporous molecular sieve, and can be selected by those skilled in the art according to the desired properties in this range.

통상적으로는 유기단량체를 중합하는 과정에 가교제, 개시제 및 적당량의 용매가 함께 요구될 수 있다. 이러한 성분들은 모두 본 발명이 속하는 기술분야에서 이미 공지된 것들이다. 가교제는 2가 또는 3가 이상의 알콜류, 아민류, 비닐기 유도체 등이 사용될 수 있다. 본 발명에 적합한 바람직한 예로서는 1,2-에탄디올디아크릴레이트(1,2-ethanedioldiacrylate), 1,3-프로판디올디아크릴레이트(1,3-propandioldiacrylate), 1,3-부탄디올디아크릴레이트(1,3-butanedioldiacrylate), 1,4-부탄디올디아크릴레이트(1,4-butanedioldiacrylate), 1,5-펜탄디올디아크릴레이트(1,5-pentanedioldiacrylate), 1,6-헥산디올디아크릴레이트(1,6-hexanedioldiacrylate), 다이비닐벤젠(divinyl benzene), 에틸렌글리콜다이아크릴레이트(ethyleneglycoholdiacrylate), 프로필렌글리콜다이아크릴레이트(propyleneglycoholacrylate), 부틸렌글리콜다이아크릴레이트(butyleneglycoholdiacrylate), 트리에틸렌글리콜다이아크릴레이트(triethyleneglycoholacrylate), 폴리에틸렌글리콜다이아크릴레이트(polyethyleneglycoholdiacrylate), 폴리프로필렌글리콜다이아크릴레이트(polypropyleneglycoholdiacrylate), 폴리부틸렌글리콜다이아크릴레이트(polybutyleneglycoholdiacrylate), 알릴아크릴레이트(allyl acrylate), 1,2-에탄디올디메타크릴레이트(1,2-ethanedioldimethacrylate), 1,3-프로판디올디메타크릴레이트(1,3-propandioldimethacrylate), 1,3-부탄디올디메타크릴레이트(1,3-butanediolmethacrylate), 1,4-부탄디올디메타크릴레이트(1,4-butanediolmethacrylate), 1,5-펜탄디올디메타크릴레이트(1,5-pentanedioldimethacrylate), 1,6-헥산디올디메타크릴레이트(1,6-hexanediolmethacrylate), 에틸렌글리콜다이메타크릴레이트(ethyleneglycoholmethacrylate), 프로필렌글리콜다이메타크릴레이트(propyleneglycoholmethacrylate), 부틸렌글리콜다이메타크릴레이트(butyleneglycoholdimethacrylate), 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트(triethyleneglycoholdimethacrylate), 폴리에틸렌글리콜디메타크릴레이트(polyethyleneglycoholmethacrylate), 폴리프로필렌글리콜디메타크릴레이트(polypropyleneglycoholmethacrylate), 폴리부틸렌글리콜디메타크릴레이트(polybutyleneglycoholdimethacrylate), 알릴메타크릴레이트(allyl methacrylate) 및 디알릴말레이트(diallyl maleite) 등이 이용된다. 또한, 개시제로는 아조비스이소부티로니트릴(isobutyronitrile), 벤조일 퍼옥시드(benzoyl peroxide), 아세틸 퍼옥시드(acetyl peroxide), 로릴 퍼옥시드(lauryl peroxide), 터셔리부틸 퍼아세테이트(t-butyl peracetate), 쿠밀 퍼옥시드(cumyl peroxide), 터셔리부틸 퍼옥시드(t-butyl peroxide), 터셔리부틸 하이드로퍼옥시드(t-butyl hydroperoxide), 포타슘 퍼설페이트(potassium persulfate) 등이 대표적으로 사용된다. 용매는 특별한 한정을 요하지 않으나, 사용한 유기단량체, 가교제 및 개시제를 동시에 녹일 수 있고, 유기단량체 및 가교제보다 낮은 온도에서 쉽게 휘발가능한 조건을 가지는 용매로서, 바람직한 예로서는 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 디에틸에테르(diethyl ether), 에테르(ether), 에탄올(ethanol), 톨루엔(toluene), 아세톤(acetone) 등을 들 수 있다. 고분자의 중합과정은 메조다공성 분자체에서 실온 내지 300℃이하에서 수시간 내지는 수일 동안 수행될 수 있다.Typically, a crosslinking agent, an initiator and an appropriate amount of solvent may be required together in the process of polymerizing the organic monomer. All of these components are those already known in the art. As the crosslinking agent, dihydric or trivalent or higher alcohols, amines, vinyl group derivatives and the like can be used. Preferred examples suitable for the present invention include 1,2-ethanedioldiacrylate, 1,3-propanedioldiacrylate, 1,3-butanedioldiacrylate (1 , 3-butanedioldiacrylate), 1,4-butanedioldiacrylate, 1,5-pentanedioldiacrylate, 1,6-hexanedioldiacrylate (1 , 6-hexanedioldiacrylate, divinyl benzene, ethyleneglycoholdiacrylate, propyleneglycoholacrylate, butyleneglycoholdiacrylate, triethyleneglycoholacrylate ), Polyethyleneglycoholdiacrylate, polypropyleneglycoholdiacrylate, polybutylene glycol diacrylate (polyb) utyleneglycoholdiacrylate), allyl acrylate, 1,2-ethanediol dimethacrylate, 1,3-propanedioldimethacrylate, 1,3 Butanediol dimethacrylate (1,3-butanediolmethacrylate), 1,4-butanediol dimethacrylate (1,4-butanediolmethacrylate), 1,5-pentanediol dimethacrylate (1,5-pentanedioldimethacrylate), 1 6-hexanediol dimethacrylate (1,6-hexanediolmethacrylate), ethylene glycol dimethacrylate (ethyleneglycoholmethacrylate), propylene glycol dimethacrylate (propyleneglycoholmethacrylate), butylene glycol dimethacrylate (butyleneglycoholdimethacrylate), triethylene Glycol dimethacrylate (triethyleneglycoholdimethacrylate), polyethylene glycol dimethacrylate (polyethyleneglycoholmethacrylate), polypropylene glycol dimethacrylate (polypropyleneglycoholmethacrylate), poly Butylene glycol dimethacrylate (polybutyleneglycoholdimethacrylate), allyl methacrylate (allyl methacrylate), diallyl maleite (diallyl maleite) and the like are used. In addition, the initiator is azobisisobutyronitrile, benzoyl peroxide, acetyl peroxide, acetyl peroxide, lauryl peroxide, tert-butyl peracetate Cumyl peroxide, tert-butyl peroxide, t-butyl hydroperoxide, t-butyl hydroperoxide, potassium persulfate and the like are typically used. The solvent does not require any particular limitation, but is a solvent capable of simultaneously dissolving the used organic monomer, the crosslinking agent and the initiator, and having a condition that is more readily volatilized at a lower temperature than the organic monomer and the crosslinking agent, and preferred examples thereof include methylene chloride and diethyl ether. (diethyl ether), ether (ether), ethanol (ethanol), toluene (toluene), acetone (acetone) and the like. The polymerization process of the polymer may be performed for several hours to several days at room temperature to less than 300 ℃ in the mesoporous molecular sieve.

상기 방법에 의해 합성된 나노다공성 유기고분자 복합체는 후술하는 바와 같이 구조적인 안정성에 대한 우수한 특성을 보이는데, 특히 강한 산성 또는 염기성 용액 또는 유기 용매에 대한 안정성의 장점을 이용하여 이러한 극한 조건하에서도 안전하게 구조를 유지하면서 관능기를 표면에 도입시킬 수 있다는 가능성을 제시한다. 따라서 여러 종류의 산성 용액(황산, 질산, 인산, 아세트산 등) 또는 염기성 용액(가성소다수, 암모니아수 등)에 상기의 나노다공성 유기고분자 복합체를 넣고 적당한 처리시간과 방법을 거치게 되면 나노다공성 유기고분자 복합체의 표면에 술폰기, 니트로기, 포스포릭기, 카르복실기, 하이드록실기, 아민기 등의 다양한 관능기를 도입시킬 수 있게 된다. 본 발명에서는 술폰기를 표면에 도입시킨 나노다공성 유기고분자 복합체의 제조방법에 대해서 실시예를 통하여 자세히 설명하고자 하며, 상기의 나노다공성 유기고분자의 우수한 촉매 특성을 실시예를 통하여 상세히 설명하고자 한다.  The nanoporous organic polymer composite synthesized by the above method exhibits excellent properties for structural stability as described below. In particular, the nanoporous organic polymer composite can be safely structured even under such extreme conditions by using the advantage of stability against strong acidic or basic solutions or organic solvents. This suggests the possibility of introducing functional groups to the surface while maintaining Therefore, the nanoporous organic polymer complex is added to various kinds of acidic solutions (sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, acetic acid, etc.) or basic solution (caustic soda water, ammonia water, etc.), and after appropriate treatment time and method, Various functional groups such as sulfone groups, nitro groups, phosphoric groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, and amine groups can be introduced to the surface. In the present invention, a method for preparing a nanoporous organic polymer composite having a sulfone group introduced on its surface will be described in detail with reference to Examples, and the excellent catalytic properties of the nanoporous organic polymer will be described in detail with reference to Examples.

본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 복합체는 대표적인 응용성으로서 촉매반응을 들 수 있으며, 종래의 다공성 촉매 물질과 비교하여 보다 높은 촉매 활성을 보이는 것으로 나타났다. 상기의 물질이 적용될 수 있는 촉매 반응은, 에스테르화(esterification), 알킬화(alkylation)로 대표되는 산촉매 반응, 노베나겔 반응(Knovenagel reaction), 알돌축합반응(Aldol condensation reaction), 이소머리제이션(Isomerization)으로 대표되는 염기촉매 반응과 아울러 벤젠-알코올 산화 반응 등의 에어로빅 산화반응이 포함되는 산화-환원반응(Redox reaction) 등에 사용될 수 있음을 제시한다.The nanoporous organic polymer composite according to the present invention may be catalyzed as a representative application, and showed higher catalytic activity compared to conventional porous catalyst materials. Catalytic reactions to which the above materials can be applied include, but are not limited to, acid catalyzed reactions represented by esterification, alkylation, Knovenagel reaction, Aldol condensation reaction, and isomerization. It is suggested that the present invention can be used for the redox reaction including aerobic oxidation reactions such as benzene-alcohol oxidation reaction as well as base catalyst reaction represented by

후술하는 바와 같이 본 발명의 실시예 1에서는 SBA-15 실리카 분자체를 지지체로 사용하고 에틸렌글리콜메타크릴레이트(HEMA)를 단량체로 하여 중합시킨 예가, 실시예 2~4에서는 CMK-3 탄소분자체를 지지체로 사용하고 스타이렌을 단량체로 하여 제조되는 나노다공성 유기고분자 물질이 각각 개시되어 있다.As described below, in Example 1 of the present invention, an example in which SBA-15 silica molecular sieve is used as a support and ethylene glycol methacrylate (HEMA) is polymerized is used. Examples 2 to 4 show CMK-3 carbon molecular sieve. Nanoporous organic polymeric materials are disclosed, each being used as a support and made from styrene as a monomer.

위 실시예에 따라 제조된 고분자/실리카 또는 고분자/탄소 나노다공성 물질에 대한 특성은 다음과 같은 결과를 통하여 확인할 수 있다. The properties of the polymer / silica or polymer / carbon nanoporous material prepared according to the above embodiment can be confirmed through the following results.

상기 결과물을 대상으로 한 X-선 회절분석의 결과는 폴리에틸렌글리콜/SBA-15(PHEMA/SBA-15)가 SBA-15에서 보다 X-선 회절 강도가 증대되었음을 보여준다. 탄소 분자체를 사용한 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있는데 즉, 폴리스타이렌/CMK-3(PS/CMK-3)의 경우가 CMK의 경우에 비하여 증대된 X-선 회절강도를 보인다. 이 결과들은 도 1, 도 2 및 도 3을 통해서 보여 진다. X-ray diffraction analysis of the results showed that polyethylene glycol / SBA-15 (PHEMA / SBA-15) had an increased X-ray diffraction intensity than that of SBA-15. The same result can be obtained when carbon molecular sieve is used, that is, polystyrene / CMK-3 (PS / CMK-3) shows an increased X-ray diffraction intensity than that of CMK. These results are shown through FIGS. 1, 2 and 3.

또한, 고분자 중합 후의 실리카 또는 탄소 분자체 내에 존재하는 마이크로 기공의 비가 메조기공에 비하여 줄어드는 것을 질소흡착 결과를 통해 확인할 수 있다. 이러한 사실은 도 4에 제시되고, 실시예 2에서 보다 상세하게 설명될 것이다. In addition, it can be confirmed through nitrogen adsorption that the ratio of micropores present in the silica or carbon molecular sieve after polymer polymerization is reduced compared to mesopores. This fact is shown in FIG. 4 and will be explained in more detail in Example 2. FIG.

또한, 상기 물질을 1.5× 104 kg/cm2 의 압력으로 10분간 압착한 후에 관찰한 X-선 회절 결과는 압착 전의 경우와 동일한 회절패턴 및 강도를 보여주는데, 이러한 현상은 상기의 물질이 순수 유기물 골격으로 이루어진 물질에 비해 기계적 강도에 대한 안정성이 크다는 것을 뒷받침하는 것으로 볼 수 있다. 이 같은 상기 물질의 구조적인 안정성과 표면특성에 대한 결과는 도 5와 도 6을 통해서 보여 지고, 표면특성을 이용한 실험은 실시예 3과 4를 통하여 보다 상세하게 설명될 것이다.In addition, the X-ray diffraction results observed after pressing the material at a pressure of 1.5 × 10 4 kg / cm 2 for 10 minutes showed the same diffraction pattern and intensity as before the pressing, and this phenomenon indicates that the material is a pure organic material. It can be seen that the stability to mechanical strength is higher than that of the material composed of the skeleton. Results of structural stability and surface properties of the material are shown in FIGS. 5 and 6, and experiments using surface properties will be described in more detail with reference to Examples 3 and 4.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.

<실시예 1> PHEMA/SBA-15의 제조Example 1 Preparation of PHEMA / SBA-15

실리카 분자체는 이미 알려진 방법(참고논문: Chem. Mater. 2000, 12, 1961)에 따라 TEOS(tetraethylorthosilicate)와 Na-silicate(Sodium silicate)를 실리카원으로 사용하고 염산과 물, 계면활성제를 녹인 용액과 실리카원을 혼합 교반하여 합성하였다. 다만 염산의 농도는 1M 농도에서 0.3M 농도로 줄였고, 전체 사용한 물의 양은 반으로 줄인 조건을 취하였다. 또한, 넣어 준 실리카의 양은 계면활성제에 대해서 75 중량%로 정하였다. 상기와 같은 방법으로 합성한 실리카 1 g에 대하여, 30중량%의 폴리머를 코팅하기위하여 에틸렌글리콜메타크릴레이트(HEMA)는 0.217g, 에틸렌글리콜다이메타크릴레이트(EDMA)는 0.083g, 아조비스이소부티로니트릴은 0.012g, 용매로서 다이에틸에테르는 1ml를 사용하였다. 위의 성분들 중 실리카를 제외한 나머지 물질들을 혼합하여 실리카 기공 내로 담지시킨 후, 35 ℃ 오븐에서 6시간동안 건조시켰다. 이러한 과정은 기공 내에서 유기단량체의 확산을 돕기 위해 첨가한 용매(다이에틸에테르)를 제거하기 위함이다. 그런 다음, 혼합된 물질은 아르곤 분위기 하에서 밀봉하여 100℃ 와 150℃ 오븐에서 각각 하루씩 방치시켰다. 반응이 종료되면 이를 꺼내어 에탄올로 세척하고 진공 하에서 건조함으로써 폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트/실리카 나노다공성 유기고분자 물질(PHEMA/SBA-15)을 얻었다. 도 1은 이 물질의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸다.Silica molecular sieve is a solution in which TEOS (tetraethylorthosilicate) and Na-silicate (Sodium silicate) are used as silica sources and dissolved hydrochloric acid, water, and surfactant according to a known method (Refer to Chem. Mater. 2000 , 12 , 1961). And a silica source were mixed and stirred to synthesize. However, the concentration of hydrochloric acid was reduced from 1M concentration to 0.3M concentration, and the amount of water used was reduced in half. In addition, the quantity of the added silica was set to 75 weight% with respect to surfactant. To 1 g of silica synthesized in the above manner, to coat 30% by weight of polymer, 0.217 g of ethylene glycol methacrylate (HEMA), 0.083 g of ethylene glycol dimethacrylate (EDMA), and azobisiso 0.012 g of butyronitrile and 1 ml of diethyl ether were used as a solvent. The rest of the above components except for silica were mixed and supported in silica pores, and then dried in an oven at 35 ° C. for 6 hours. This process is to remove the added solvent (diethyl ether) to help the diffusion of the organic monomer in the pores. The mixed material was then sealed under an argon atmosphere and allowed to stand in an oven at 100 ° C. and 150 ° C., respectively. After the reaction was completed, the reaction product was taken out, washed with ethanol and dried under vacuum to obtain polyethylene glycol methacrylate / silica nanoporous organic polymer material (PHEMA / SBA-15). 1 shows the results of X-ray diffraction analysis of this material.

<실시예 2> PS/CMK-1~3 의 제조Example 2 Preparation of PS / CMK-1 ~ 3

본 실시예와 관련하여 실험에 사용된 탄소분자체는 CMK-1~3로서, 이들은 각기 다른 메조다공성 실리카를 주형으로 하여 합성되므로 기공의 배열에 따른 구조, 기공의 전체 부피 등에 관한 상세한 특성에 있어 차이가 있다(도 2 참조). 하지만, 이러한 특성의 차이를 제외하고는 본 발명의 본질적인 내용을 기술함에 있어서는 모두 동일한 것으로서 이하에서는 CMK-3에 한하여 상세히 설명하기로 한다.Carbon molecules used in the experiments related to the present embodiment are CMK-1 to 3, which are synthesized using different mesoporous silica as templates, and thus, there are differences in the detailed characteristics of the structure and the total volume of the pores according to the arrangement of the pores. (See FIG. 2). However, except for the difference in the characteristics described in the essential content of the present invention are all the same and will be described in detail below for the CMK-3.

CMK-3 탄소 분자체는 SBA-15 메조다공성 실리카 안에 슈크로스를 채워서 열분해 시켜 얻은 것으로서 이미 알려진 방법에 따라 합성하였다 (참고논문: J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10712). 구체적으로 1.25g의 슈크로스를 5g의 물에 녹이고 0.14g의 황산을 첨가하여 용해시킨 후, 1g의 SBA-15에 비벼서 넣는다. 이를 100℃ 오븐에서 6시간동안 건조 시킨 후 연이어 160℃로 온도를 올려 6시간동안 더 건조시킨다. 이후에 시료를 꺼내어 실온으로 식힌 후, 5g의 물에 0.8g의 슈크로스와 0.09g의 황산을 녹여서 만든 용액을 위의 시료에 부어서 잘 비빈 후 100℃와 160℃에서 각각 6시간씩 건조 시킨다. 이 과정 후에 시료를 꺼내어 900℃의 질소 또는 진공 분위기하에서 마지막으로 탄소화시킨 후, 이 시료를 50%의 불산 수용액으로 세척하여 실리카를 제거하게 되면 최종적으로 CMK-3 탄소 분자체를 얻게 된다. 가교제로 사용된 다이비닐벤젠과 스타이렌 단량체는 알루미나 칼럼을 통과시켜 정제한 것을 사용하였다.CMK-3 carbon molecular sieve was obtained by pyrolysis by sucrose in SBA-15 mesoporous silica and synthesized according to a known method ( J. Am. Chem. Soc . 2000 , 122 , 10712). Specifically, 1.25 g of sucrose is dissolved in 5 g of water, dissolved by adding 0.14 g of sulfuric acid, and then mixed in 1 g of SBA-15. It is dried for 6 hours in an oven at 100 ° C. and subsequently heated to 160 ° C. for further 6 hours. After the sample was taken out and cooled to room temperature, a solution prepared by dissolving 0.8 g of sucrose and 0.09 g of sulfuric acid in 5 g of water was poured into the sample above, and then mixed well, followed by drying at 100 ° C. and 160 ° C. for 6 hours, respectively. After this process, the sample was taken out and finally carbonized under nitrogen or vacuum atmosphere at 900 ° C., and the sample was washed with 50% aqueous hydrofluoric acid solution to remove silica to finally obtain CMK-3 carbon molecular sieve. The divinylbenzene and styrene monomers used as the crosslinking agent were purified by passing through an alumina column.

각 성분들은 CMK-3 1g을 기준으로 하여 30 중량% 만큼의 폴리머를 형성시키기 위한 양으로서, 0.0715g의 다이비닐벤젠(DVB), 0.2285g 스타이렌(ST), 0.0162g 2,2´-아조비스이소부티로니트릴, 1.5ml의 메틸렌클로라이드(MC)를 적용하였다. 위의 성분들 중 CMK-3를 제외한 나머지 물질들을 혼합하여 CMK-3 내로 담지시킨 후, 60 ℃ 오븐에서 6시간 동안 건조시켰다. 이러한 과정은 기공 내에서 유기단량체의 확산을 돕기 위해 첨가해준 용매(메틸렌 클로라이드(MC))를 제거하기 위함이다. 그런 다음, 혼합된 물질은 아르곤 분위기 하에서 밀봉하여 100℃ 와 150℃ 오븐에서 각각 하루와 이틀 동안 방치시켰다. 반응이 종료되면 이를 꺼내어 클로로포름으로 세척하고 진공 하에서 건조함으로써, 가교결합된 폴리스타이렌/탄소 나노다공성 유기고분자물질(PS/CMK-3)을 얻었다.Each component is used to form as much as 30% by weight of polymer based on 1 g of CMK-3, with 0.0715 g of divinylbenzene (DVB), 0.2285 g styrene (ST), 0.0162 g 2,2′-azo Bisisobutyronitrile, 1.5 ml methylene chloride (MC) was applied. Of the above ingredients except for CMK-3, the mixed materials were mixed and supported in CMK-3, and then dried in an oven at 60 ℃ for 6 hours. This process is to remove the added solvent (methylene chloride (MC)) to help the diffusion of the organic monomer in the pores. The mixed material was then sealed under an argon atmosphere and left in a 100 ° C. and 150 ° C. oven for one or two days, respectively. When the reaction was complete, the resultant was taken out, washed with chloroform and dried under vacuum to obtain a crosslinked polystyrene / carbon nanoporous organic polymer (PS / CMK-3).

CMK-3 및 PS/CMK-3의 X-선 회절 형태는 도 3과 같다. 일반적으로 메조기공 내에 손님 물질이 담지가 되면 X-선 회절 피크의 강도는 감소하게 되고, 이러한 X-선 회절강도의 변화를 통해서 손님 물질의 위치를 판단할 수 있다. 그러나 특이하게도 CMK-3에 폴리스티렌이 담지된 PS/CMK-3의 경우 X-선 회절 강도가 증가했음을 보여준다. 이는 탄소 골격 내의 마이크로기공 내에서 스타이렌의 중합이 이루어져 마이크로기공이 채워지기 때문에 구조적인 결함이 보완되는 효과를 나타내어 오히려 구조적인 규칙성이 증대된 것으로 해석할 수 있고, 마이크로 기공들이 줄어듦으로써 메조기공 벽들의 밀도가 현저하게 증가하였음을 보여주는 것이다. 이러한 사실은 도 4의 결과를 통해서 알 수 있다. 즉, 45 중량% 만큼의 고분자가 중합되었음에도 불구하고 메조기공의 크기는 겨우 7 % 만큼만 감소되었다. 이는 BJH 알고리즘을 사용한 기공 크기 분석 결과에서 메조기공의 크기가 4.1 nm 에서 3.8 nm (약 7% 감소)로부터 확인할 수 있다.X-ray diffraction patterns of CMK-3 and PS / CMK-3 are shown in FIG. 3. In general, when the guest material is supported in the mesopores, the intensity of the X-ray diffraction peak is decreased, and the position of the guest material can be determined through the change of the X-ray diffraction intensity. However, specifically, PS / CMK-3 with polystyrene supported on CMK-3 shows increased X-ray diffraction intensity. This is because the polymerization of styrene in the micropores in the carbon skeleton fills the micropores, so that the structural defects can be compensated for. Therefore, the structural regularity is increased, and the mesopores are reduced by reducing the micropores. This shows a significant increase in the density of the walls. This can be seen through the result of FIG. 4. That is, the mesopores were reduced in size by only 7% despite the polymerization of 45% by weight of the polymer. This can be confirmed from the pore size analysis using the BJH algorithm from the mesopore size of 4.1 nm to 3.8 nm (about 7% reduction).

<실시예 3> 술폰기가 도입된 PS/CMK-3 의 제조Example 3 Preparation of PS / CMK-3 Introduced with Sulfone Group

상기 실시예 2에 제시된 방법에 따라 합성된 PS/CMK-3 나노다공성 물질 1 g을 98%의 진한 황산 20 ml에 넣고 100 ℃에서 4시간 동안 끓여줌으로써 폴리스타이렌/CMK-3 나노다공성 물질의 표면에 술폰기(-HSO3)를 도입시켰다. 최종 물질의 비표면적은 650 m2/g 이었고, 기공의 크기 분포는 술폰기 도입이전과 동일한 분포를 나타내었다. 도입된 술폰기의 밀도는 NaOH 적정을 통하여 1 g의 폴리머 당 4×10-3mol 만큼임을 확인할 수 있었다. 상기의 폴리스타이렌/CMK-3 나노다공성 물질에는 가교제로 다이비닐벤젠(divinylbenzene)이 20 mol% 만큼이나 함유된 것이다. 다이비닐벤젠의 함유량이 보통 2 내지 8 중량%인 상용의 가교결합된 폴리스타이렌 레진(resin)의 경우 Na+ 이온 교환능력이 1.8 내지 4.8 × 10-3 molg-1이고, 다이비닐벤젠의 함유량이 증가할수록 이온교환능력이 빠르게 감소하는 것을 고려할 때 상기의 결과는 매우 놀라운 수치이다. 또한, 상기 물질은 술폰기(-HSO3)를 도입하기 전과 거의 동일한 X선 회절 형태를 보이는데 이는 반응 후에도 규칙적 나노구조가 보존됨을 의미한다. 이러한 실험 내용을 통하여 고분자/탄소 나노다공성 유기고분자 물질이 열 및 내화학적 특성을 가지며 이로 인해 보다 자유롭게 관능기를 물질 내에 도입할 수 있음을 알 수 있다. 또한 물질의 넓은 표면적으로 인하여 많은 양의 관능기를 용이하게 도입할 수 있음도 알 수 있다.1 g of the PS / CMK-3 nanoporous material synthesized according to the method described in Example 2 was added to 20 ml of 98% concentrated sulfuric acid, and boiled at 100 ° C. for 4 hours to the surface of the polystyrene / CMK-3 nanoporous material. A sulfone group (-HSO 3 ) was introduced. The specific surface area of the final material was 650 m 2 / g, and the pore size distribution was the same as before the introduction of sulfone groups. The density of the introduced sulfone group was confirmed to be 4 × 10 −3 mol per 1 g of polymer through NaOH titration. The polystyrene / CMK-3 nanoporous material may contain as much as 20 mol% of divinylbenzene as a crosslinking agent. Commercially crosslinked polystyrene resins having a divinylbenzene content of usually 2 to 8% by weight have a Na + ion exchange capacity of 1.8 to 4.8 x 10 -3 molg -1 and an increased content of divinylbenzene The result is quite surprising given the rapid decrease in ion exchange capacity. In addition, the material shows almost the same X-ray diffraction pattern as before the introduction of the sulfone group (-HSO 3 ), which means that the regular nanostructures are preserved after the reaction. Through these experiments, it can be seen that the polymer / carbon nanoporous organic polymer material has thermal and chemical resistance properties, and thus, a functional group can be introduced into the material more freely. It can also be seen that the large surface area of the material facilitates the introduction of large amounts of functional groups.

<실시예 4> PS/CMK-3 나노다공성 물질의 표면 특성Example 4 Surface Characteristics of PS / CMK-3 Nanoporous Material

PS/CMK-3 나노다공성 유기고분자 물질을 실시예 3에서와 같이 술폰기로 나노기공 벽을 변형시킨 후, 칼럼에 팩킹시키고 다이렉트블루-15(Direct Blue-15) 유기 염료를 흡착시켰다. 또한 동일하게 CMK-3 메조다공성 탄소분자체가 채워진 칼럼에도 상기 염료를 흡착시킨 후, 용매를 흘려주면서 흡착된 염료가 용출되는 정도를 관찰하였다. 용매는 물과 에탄올을 적정비율로 섞어 준 것을 사용하였고, 용출된 염료 용액은 600 nm 파장에서의 자외선 흡수(UV absorption) 스펙트럼을 이용하여 농도를 분석하였다.The PS / CMK-3 nanoporous organic polymeric material was modified to a nanopore wall with a sulfone as in Example 3, then packed into a column and adsorbed a Direct Blue-15 organic dye. Similarly, after adsorbing the dye to a column filled with CMK-3 mesoporous carbon molecules, the degree of the adsorbed dye was eluted while flowing the solvent. The solvent used was a mixture of water and ethanol in an appropriate ratio, and the eluted dye solution was analyzed for concentration using UV absorption spectrum at 600 nm wavelength.

도 5에서 보는 것과 같이 술폰기로 치환된 폴리스타이렌/탄소 나노다공성 유기고분자 물질의 경우에는 용매 중의 물과 에탄올 조성에 따라서 용출 농도가 다름을 보여주고 있는데, CMK-3의 경우에는 용매의 조성에 관계없이 염료가 전혀 용출되지 않는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 순수한 탄소표면을 가진 CMK-3의 경우에는 염료에 대한 친화력이 매우 강해 용매의 영향과 관계없이 반영구적으로 흡착이 이루어지지만, 폴리스타이렌/탄소 나노기공 유기고분자 물질의 경우에는 폴리머가 탄소표면을 완벽하게 코팅하고 있어 이런 강한 친화력이 존재하지 않는다는 사실에서 기인한다. 이러한 결과를 통해서 나노기공 벽이 폴리스타이렌 고분자 박막으로 효과적으로 코팅되어 있음을 알 수 있고, 이는 폴리머에 결합된 관능기의 종류와 양을 조절함으로서 표면의 성질을 제어할 수 있음을 시사한다.As shown in FIG. 5, in the case of the polystyrene / carbon nanoporous organic polymer material substituted with a sulfone group, elution concentrations are different depending on the water and ethanol composition in the solvent. In the case of CMK-3, regardless of the composition of the solvent, It can be seen that the dye does not elute at all. In the case of CMK-3, which has a pure carbon surface, the affinity for dye is very strong, so it is semipermanently adsorbed regardless of solvent effect.However, in the case of polystyrene / carbon nanoporous organic polymer materials, the polymer is It is due to the fact that it is completely coated and this strong affinity does not exist. These results indicate that the nanopore walls are effectively coated with a polystyrene polymer thin film, which suggests that the surface properties can be controlled by controlling the type and amount of functional groups bonded to the polymer.

<실시예 5>Example 5

PS/SBA-15 나노다공성 유기고분자 물질을 실시예 3에서와 같이 술폰기로 나노기공 벽을 변형시킨 후 벤조산(benzoic acid)와 헥사노익에시드(hexanoic acid)의 에스터화반응(esterification)의 촉매 반응성을 조사하였다. 반응에는 0.5 몰농도의 벤조산과 헥사노익엑시드, 톨루엔 용액을 사용하였으며, 반응물의 초기 농도는 촉매물질의 술폰산 농도의 20배가 되게 하였다. 반응은 75℃에서 진행하였으며 가스크로마토그래피(gas chromatography)로 반응 진행도와 선택성을 조사하였다. 비교 실험을 위해서 PS/SBA-15 뿐만 아니라 상업적으로 판매하는 술폰산이 함유된 고분자, Amberlyst??15, SBA-15를 오르가노실란으로 처리하여 술폰산을 접합시킨 물질을 촉매로 사용해 보았다. 이에 대한 촉매반응의 비교 결과치는 도 6을 통해서 보인다. 도 6에서 알 수 있듯이 PS/SBA-15 나노다공성 유기고분자 물질은 다른 실시예에 사용한 어떤 촉매보다도 높은 촉매활성을 나타내었으며, 반응선택성의 경우 Amberlyst??15 의 85%와 비교해 보다 증진된 92%의 반응선택성을 보였다. 그러나 같은 구조를 갖는 오르가노 실란을 접합한 SBA-15 의 경우 촉매활성을 거의 보이지 않았다.The PS / SBA-15 nanoporous organic polymer material was modified with a sulfone group as shown in Example 3, followed by catalytic reactivity of esterification of benzoic acid and hexanoic acid. Investigate. For the reaction, 0.5 molar concentration of benzoic acid, hexanoic acid, and toluene solution was used, and the initial concentration of the reactant was 20 times the concentration of sulfonic acid of the catalyst material. The reaction proceeded at 75 ° C. and the reaction progress and selectivity were examined by gas chromatography. For comparative experiments, Amberlyst ?? , a polymer containing commercially available sulfonic acid as well as PS / SBA-15 ? 15, SBA-15 was treated with organosilane to try to combine the sulfonic acid conjugated material as a catalyst. The comparison result of the catalytic reaction is shown through FIG. 6. As can be seen in Figure 6 PS / SBA-15 nanoporous organic polymer material showed a higher catalytic activity than any catalyst used in the other examples, Amberlyst ?? Compared to 85% of 15, 92% showed improved response selectivity. However, almost no catalytic activity was observed in SBA-15 conjugated with organosilanes having the same structure.

본 발명에 의한 나노다공성 유기고분자 물질은 기계적 강도, 열적 안정성 및 내화학적 특성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질의 제조방법에 의하면, 나노기공벽이 고분자 중합체로 코팅된 표면을 가지며, 메조다공성 분자체 구조내에 규칙적으로 배열된 나노다공성 유기고분자 물질을 제조할 수 있다. 또한, 관능기를 자유롭게 도입할 수 있어 나노기공 벽의 표면개질을 용이하게 한다. The nanoporous organic polymer material according to the present invention is excellent in mechanical strength, thermal stability and chemical resistance. In addition, according to the method for producing a nanoporous organic polymer material according to the present invention, it is possible to produce a nanoporous organic polymer material having a nanoporous wall coated with a polymer polymer and arranged regularly in a mesoporous molecular sieve structure. . In addition, the functional groups can be freely introduced to facilitate surface modification of the nanopore walls.

또한 상기의 나노다공성 실리카 분자체 표면을 여러 가지 유기 물질로 개질시키고 이 물질들을 촉매 반응에 적용한 종래의 기술보다 우수한 촉매활성 특성을 보임으로써 촉매응용 분야에서 획기적인 특성을 보이는 신물질을 제공할 수 있다. In addition, by modifying the surface of the nanoporous silica molecular sieve with various organic materials and showing superior catalytic activity characteristics than the prior art in which these materials are applied to the catalytic reaction, new materials showing breakthrough characteristics in the field of catalytic application can be provided.

도 1은 종래 실리카 분자체(SBA-15)와 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질(PHEMA/SBA-15)을 대상으로 시행한 X-선 회절실험 결과이다.FIG. 1 shows X-ray diffraction results of a conventional silica molecular sieve (SBA-15) and a nanoporous organic polymer material (PHEMA / SBA-15) according to the present invention.

도 2는 종래 탄소분자체인 CMK-1을 지지체로 하여 합성한 나노다공성 유기고분자 물질(PS/CMK-1)을 대상으로 시행한 X-선 회절실험 결과이다.FIG. 2 shows X-ray diffraction results of a nanoporous organic polymer material (PS / CMK-1) synthesized using a conventional carbon molecule, CMK-1, as a support.

도 3은 종래 탄소분자체인 CMK-3를 지지체로 하여 합성한 나노다공성 유기고분자 물질(PS/CMK-3)을 대상으로 시행한 X-선 회절실험 결과이다.FIG. 3 shows the results of X-ray diffraction experiments on nanoporous organic polymer materials (PS / CMK-3) synthesized using a conventional carbon molecule, CMK-3.

도 4는 종래 탄소분자체인 CMK-3와 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질인 PS/CMK-3에 질소 기체(N2)를 흡착, 탈착 시켰을 경우에 나타난 등온선 그래프이다.FIG. 4 is an isotherm graph showing a case where nitrogen gas (N 2 ) is adsorbed and desorbed on a conventional carbon molecular material CMK-3 and a nanoporous organic polymer material PS / CMK-3 according to the present invention.

도 5는 다이렉트 블루15를 종래 탄소분자체 CMK-3와 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질인 PS/CMK-3에 흡착시킨 후 물과 에탄올 조성비에 따른 용출 농도로 도시한 것이다.FIG. 5 illustrates direct blue 15 adsorbed onto a conventional carbon molecular material CMK-3 and PS / CMK-3, which is a nanoporous organic polymer material according to the present invention, followed by elution concentration according to water and ethanol composition ratio.

도 6은 종래 탄소분자체 CMK-3와 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질인 PS/CMK-3의 X-선 회절의 강도 및 형태의 차이로부터 기계적 강도에 대한 안정성을 비교하여 도시한 것이다.6 is a comparison of the stability of the mechanical strength from the difference in the strength and form of the X-ray diffraction of the conventional carbon molecule CMK-3 and the nanoporous organic polymer material PS / CMK-3 according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 나노다공성 유기고분자 물질과 종래의 기술대로 합성한 물질 및 상용 촉매의 에스테르화촉매 반응에서 나타난 촉매 특성을 비교하여 도시한 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating a comparison of catalyst properties exhibited in an esterification catalyst reaction between a nanoporous organic polymer material according to the present invention, a material synthesized according to the prior art, and a commercial catalyst.

Claims (8)

메조기공 벽 내에 2~50 nm 크기의 마이크로기공을 구비하는 메조다공성 실리카 또는 탄소 분자체와, 상기 분자체의 마이크로기공의 내부에 담지되고 상기 분자체의 벽면에 코팅되는 유기고분자 중합체를 가지는 나노다공성 유기고분자 복합체.Nanoporous having mesoporous silica or carbon molecular sieve having micropores of 2 to 50 nm in the mesoporous wall, and an organic polymer polymer supported inside the micropores of the molecular sieve and coated on the wall surface of the molecular sieve. Organic polymer complex. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 유기고분자중합체는 메조다공성 분자체의 중량대비 1~100 중량% 이내인 나노다공성 유기고분자 복합체.The organic polymer is a nanoporous organic polymer composite within 1 to 100% by weight based on the weight of the mesoporous molecular sieve. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 분자체의 나노기공벽에 유기관능기를 도입시킨 나노다공성 유기고분자 복합체Nanoporous organic polymer complex incorporating organic functional group into nanopore wall of molecular sieve 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 복합체가 에스테르화, 알킬화, 노베나겔반응, 알돌축합반응 등의 산-염기 촉매반응, 벤젠-알코올 산화반응으로 대표되는 산화-환원 반응에 다공성 촉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 유기고분자 복합체.Nanocomposite organic polymer, characterized in that the complex is used as a porous catalyst in the oxidation-reduction reaction represented by acid-base catalysis, benzene-alcohol oxidation, such as esterification, alkylation, Novena gel reaction, aldol condensation reaction, etc. Complex. (A) 마이크로기공을 벽내에 구비하는 메조다공성 분자체를 제조하는 단계;(A) preparing a mesoporous molecular sieve having micropores in the wall; (B) 상기 분자체에 용매에 희석한 유기단량체를 함침시키는 단계; (B) impregnating the molecular sieve with an organic monomer diluted in a solvent; (C) 상기의 유기단량체 함침된 분자체를 중합하여 마이크로기공의 내부 및 메조다공성 분자체의 벽면에서 유기고분자 중합체를 형성시키는 단계;(C) polymerizing the organic monomer-impregnated molecular sieve to form an organic polymer in the micropores and on the wall of the mesoporous molecular sieve; 를 가지는 나노다공성 유기고분자 복합체의 제조방법Method for preparing nanoporous organic polymer composite having 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 메조다공성 분자체는 메조다공성 실리카 분자체 또는 메조다공성 탄소분자체인 나노다공성 유기고분자 물질의 제조방법Mesoporous molecular sieve is a method for producing a nanoporous organic polymer material which is a mesoporous silica molecular sieve or a mesoporous carbon molecular sieve 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 유기고분자 중합체는 메조다공성 분자체의 중량대비 1 내지 100 중량% 인 나노다공성 유기고분자 물질의 제조방법The organic polymer polymer is a method for producing a nanoporous organic polymer material which is 1 to 100% by weight based on the weight of the mesoporous molecular sieve. 제 5항 내지 제 7항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, (C)에서 제조한 유기고분자 중합체의 나노기공벽에 유기관능기를 도입하는 단계를 더 포함하는 나노다공성 유기고분자 복합체의 제조방법.The method of manufacturing a nanoporous organic polymer composite according to any one of claims 5 to 7, further comprising introducing an organic functional group into the nanopore wall of the organic polymer polymer prepared in (C).
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