KR20050068090A - 실리카 구를 이용한 다공성 탄소체의 제조방법 - Google Patents

실리카 구를 이용한 다공성 탄소체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리카 구를 이용하여 휘발성유기화합물의 제거나 습기제거의 흡착제로 사용할 수 있는 다공성 탄소체의 제조방법 및 동 방법에 의해 제조한 다공성 탄소체에 관한 것이다.
본 발명은 일정한 크기와 모양을 가지는 실리카 구를 적층하고, 적층된 실리카 구의 빈 공간에 탄소원 단량체를 함침시켜 중합하고 열처리한 다음 실리카 구를 제거함으로써 실리카 구의 크기 및 모양과 동일한 미세기공을 가질 수 있는 다공성 탄소체의 제조방법 및 동 방법에 의해 제조된 다공성 탄소체의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 다공성 탄소체의 제조방법은 다공성 탄소체의 제조에 있어서,
(1)탄소원 단량체와 개시제를 적층된 실리카 구 사이의 공간에 투입하는 단계와, (2)실리카 사이의 공간에 투입된 탄소원 단량체를 불활성기체 하에서 중합시키는 단계와, (3)중합반응 후 열처리를 실시하여 실리카 구 사이에서 중합된 탄소원 고분자를 탄화시켜 실리카 구를 포함하는 탄소체를 얻는 단계와, (4)열처리 후 탄소체 내부의 실리카 구를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

실리카 구를 이용한 다공성 탄소체의 제조방법{Making Method Porous Carbon Using Close Packed Monodispersed Silica Sphere}
본 발명은 실리카 구를 이용하여 휘발성유기화합물의 제거나 습기제거의 흡착제로 사용할 수 있는 다공성 탄소체의 제조방법 및 동 방법에 의해 제조한 다공성 탄소체에 관한 것이다.
흡착제는 흡착질이 잘 흡착될 수 있도록 표면적이 크고, 기공 부피가 커야 한다.
일반적으로 흡착제로 사용할 수 있는 흡착용 탄소체는 톱밥 및 야자껍질 또는 광물계 원료를 선별하여 400∼700℃에서 목탄(charcoal) 상태로 만들고, 고온(90℃∼1200℃)처리 및 수증기 처리하여 제조하는 야자계 혹은 석탄계의 활성탄소가 있다. 이들 활성탄소는 비표면적이 900∼1200m2/g, 기공부피가 활성탄소 g당 0.45∼0.8cm3 이고, 기공분포가 균일하지 않아 특정한 종류의 흡착질을 선택적으로 흡착시키기 어려운 단점이 있다.
휘발성유기화합물의 제거와, 습기제거의 효율 및 속도를 키우기 위해서는 흡착제의 비표면적과 세공부피가 커야 하고, 흡착질의 흡착 선택도를 높이기 위해 흡착제의 기공크기가 일정해야 하며, 기공 크기를 원하는 크기로 조절할 수 있어야 하므로 이와 같은 특성을 가지는 흡착제의 개발이 필요하다.
한편 흡착제에 관한 종래기술로서 대한민국 특허공개번호 2002-78054호에 무연탄, 콜타르, 물을 주원료로 하여 활성탄소를 제조할 때 무연탄 분말과 바인더로써 콜타르와 물을 일정한 비율로 넣고 혼합, 성형, 건조한 후, 약 700℃에서 70분 동안 탄화시켜 혼합물의 표면 및 내부에서 콜타르와 물이 휘발하여 기공을 형성하게 하였으나, 이러한 방법은 균일한 크기의 기공을 얻을 수 없다. 대한민국 특허등록 제228,413호에 800∼900℃에서 탄화시킨 후 이산화탄소 혹은 수증기로 활성화시키거나, 탄화된 탄소체를 400∼600℃에서 산으로 활성화시킨 입자형 또는 분말형 활성탄을 산성, 알칼리성 또는 양쪽성 전해액 속에 넣고 활성탄에 전류를 인가시켜 미세기공을 더욱 발달시키고 관능기에 의한 선택적 흡착 능력을 부여하였다. 그러나 균일한 크기의 미세기공을 얻을 수 없었다. 또한 대한민국 특허공개번호 2003-15968호에 이온교환수지를 출발물질로 하여 약품활성화제를 이온교환수지 중량대비 25∼400%의 농도가 되도록 수용액을 제조하여 이온교환수지에 침적시키고, 이를 불활성 분위기 하에서 400∼900℃의 온도범위로 활성화시키는 방법을 사용하여 우수한 비표면적을 가지는 활성탄소를 제조하였다. 그러나, 균일한 크기의 미세기공을 얻을 수 없었으며, 세공부피가 0.91 cm3/g에 불과하여 활성탄 내부까지 미세기공이 잘 발달하지 않은 문제가 있었다. 대한민국 특허공개번호 2003-24042호에 기공형 고분자재료를 산성의 약품활성화제 수용액에서 기공형 고분자재료 중량대비 10% 내지 300%의 농도로 침착처리한 후, 불활성 분위기에서 활성화시킴으로써 비표면적이 우수한 활성탄소를 제조하였다. 그러나, 최대 세공부피가 0.77cm3/g으로 활성탄 내부까지 미세기공이 잘 발달하지 않았다.
본 발명은 일정한 크기와 모양을 가지는 실리카 구를 적층하고, 적층된 실리카 구의 빈 공간에 탄소원을 함침시켜 중합하고 열처리한 다음 실리카 구를 제거함으로써 실리카 구의 크기 및 모양과 동일한 미세기공을 가질 수 있는 다공성 탄소체의 제조방법 및 동 방법에 의해 제조된 다공성 탄소체의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 다공성 탄소체 제조방법에 의해 제조한 다공성 탄소체는 기존의 활성탄소 제조방법에 의해 얻은 활성탄소와는 달리 다공성 탄소체의 내부와 외부가 모두 동일한 기공구조를 가질 수 있어, 비표면적과 세공부피를 크게 증가될 수 있다.
또한 본 발명에서 다공성 탄소체의 미세기공은 실리카 구의 형태와 크기에 의해 결정되므로 실리카 구의 형태와 크기를 조절함으로써 원하는 형태와 크기의 미세기공을 가지는 다공성 탄소체를 용이하게 얻을 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다공성 탄소체의 제조방법은 종래 다공성 탄소체의 제조에 있어서,
(1)탄소원 단량체와 개시제를 적층된 실리카 구 사이의 공간에 투입하는 단계와,
(2)실리카 사이의 공간에 투입된 탄소원 단량체를 불활성기체 하에서 중합시키는 단계와,
(3)중합반응 후 열처리를 실시하여 실리카 구 사이에서 중합된 탄소원 고분자를 탄화시켜 실리카 구를 포함하는 탄소체를 얻는 단계와,
(4)열처리 후 탄소체 내부의 실리카 구를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다공성 탄소체의 원료인 탄소원 단량체는 종래 다공성 탄소체의 제조시 사용하는 탄소원 단량체라면 어떠한 것을 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 탄소원 단량체의 일예로서 다이비닐벤젠(divinylbenzene, DVB) 또는 페놀을 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄소원 단량체의 중합반응을 보다 용이하게 실시하기 위해 사용하는 중합 개시제는 통상적인 중합 개시제라면 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 중합 개시제의 일예로서 아조비스이소부틸로니트린(azobisisobutylronitrile, AIBN) 또는 포름알데히드를 탄소원 단량체 중량 대비 2∼6% 첨가할 수 있다. 개시제의 함량이 탄소원 단량체 중량 대비 2% 미만 사용하면 중합 개시제의 역할을 하기에 미미하고, 6% 초과 사용하면 탄소원 단량체의 중합에 있어서 뚜렷한 중합 효과의 상승이 없다. 따라서 본 발명에서 중합 개시제는 탄소원 단량체 중량 대비 2∼6% 첨가하는 것이 좋다.
상기 제(1)단계에서 탄소원 단량체를 실리카 구 사이의 공간에 투입한 후 진공을 걸어주면 실리카 구 사이의 공간에 존재하는 기체가 빠져 나와 탄소원 단량체가 보다 빨리 실리카 구 사이에 충진될 수 있다.
상기 제(2)단계에서 탄소원 단량체는 불활성기체 분위기 하에서 중합하여 탄소원 고분자를 중합할 수 있다.
상기에서 불활성기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 크립톤 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
실리카 구 사이에 투입된 탄소원 단량체는 50∼90℃의 온도에서 5시간 이상, 보다 바람직하게는 5∼10시간 중합하여 탄소원 고분자를 얻을 수 있다. 탄소원 단량체 중합시 중합온도와 중합시간이 각각 50℃, 5시간 미만 사용하면 중합반응 속도가 늦어 중합이 빨리 일어나지 않으며, 중합온도와 중합시간이 각각 90℃, 10시간 초과하여 중합반응을 시키면 고분자 중합체의 분해가 일어날 수 있다. 따라서 본 발명에서 탄소원 단량체는 50∼90℃의 온도에서 5시간 이상, 보다 바람직하게는 5∼10시간 동안 중합하여 탄소원 고분자를 얻는 것이 좋다.
상기 제(3)단계에서 중합반응 후 탄소원 고분자와 실리카 구를 포함하는 복합체는 불활성기체 분위기 하에서 700∼1000℃에서 1∼10시간 동안 열처리를 실시함으로써 탄소원 고분자를 탄화시켜 탄소체와 실리카 구의 복합체를 얻을 수 있다.
상기에서 불활성기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 크립톤 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
탄소원 고분자의 열처리시 온도와 시간이 각각 700℃, 1시간 미만 사용하면 탄소원 고분자의 충분한 탄화가 일어나지 않으며, 열처리 온도와 시간이 각각 1000℃, 10시간 초과하여 탄소원 고분자를 탄화시키면 탄소원 고분자의 뚜렷한 탄화 효과의 상승이 없이 에너지 비용만 증가한다. 따라서 본 발명에서 탄소원 고분자의 열처리는 700∼1000℃에서 1∼10시간 동안 실시하는 것이 좋다.
한편 탄소원 고분자 열처리가 끝나고 실리카 구를 포함하는 탄소체는 상온으로 냉각할 수 있다. 이때 탄소원 고분자를 열처리시 승온속도는 1∼10℃/분, 열처리가 끝난 후 실리카 구를 포함하는 탄소체의 냉각시 냉각속도는 1∼10℃/분으로 실시할 수 있다. 본 발명에서 열처리시의 승온속도와 열처리가 끝난 후의 냉각속도에 대하여 다양한 수치범위의 속도를 측정한바 탄소원 고분자가 충분히 탄화되어 탄소체가 되기 위해서는 전술한 수치범위의 승온속도와 냉각속도를 가지는 것이 좋다.
상기 제(4)단계에서 탄소체 내부의 실리카 구를 제거하면 실리카 구의 크기와 형태가 동일한 미세기공을 가지는 다공성 탄소체를 얻을 수 있다. 이때 탄소체에는 영향을 미치지 않고 실리카를 제거할 수 있는 용액에 실리카 구를 포함하는 탄소체를 침지하고 증류수로 세척하여 실리카 구를 제거할 수 있다. 본 발명에서 탄소체에는 영향을 미치지 않고 실리카를 제거할 수 있는 용액의 일예로서 불산(HF) 용액 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액을 사용할 수 있다.
한편 상기 제(1)단계에서 탄소원 단량체와 개시제를 적층된 실리카 구 사이의 공간에 투입하기 전에 실리카 구를 200∼800℃에서 1∼4시간 동안 열처리함으로써 보다 넓은 표면적과 기공부피를 가지는 다공성 탄소체를 얻을 수 있다.
본 발명의 다공성 탄소체 제조시 중요한 원료의 하나인 실리카 구는 실리카 공급원을 용매에 가수분해한 후 암모니아(NH3) 존재하에서 축합반응시키는 단계와,
원심분리기를 이용하여 축합반응에 의해 생성된 실리카 구의 암모니아를 제거하고 적층하는 단계를 포함하는 공정으로부터 얻을 수 있다.
상기에서 실리카 공급원은 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 테트라메틸오르토실리케이트(TMOS), 페닐메틸트리메톡시실란(PTMS) 또는 물유리를 사용할 수 있다.
상기에서 용매는 물, 에틸알콜 또는 물과 에틸알콜이 0.1:99.9∼99.9:0.1의 비로 혼합된 혼합용매를 사용할 수 있다.
한편 본 발명은 상기 제(1)단계 내지 제(4)단계의 방법에 의해 제조한 다공성 탄소체를 포함한다.
본 발명에 의해 제조한 다공성 탄소체는 휘발성유기화합물의 제거나 습기제거의 흡착제로 사용할 수 있다.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 하나의 일예로서 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
도 1과 같은 방법을 이용하여 단분산 실리카 구를 제조하였다.
에틸알코올 600㎖과 암모니아수(NH4OH) 72㎖를 10분 동안 혼합한 후 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate, TEOS)를 12㎖ 첨가하고 상온에서 4시간 동안 반응시켰다.
TEOS는 에틸알코올에서 가수분해되어 실리카 겔을 형성하며, 촉매인 NH4OH의 영향을 받아 입자크기가 0.2∼0.25㎛인 실리카 구를 형성하였다.
형성된 실리카 구는 원심분리기에서 증류수로 3회 세척하여 실리카 구에 묻어 있는 NH4OH를 제거하였다. NH4OH가 제거된 실리카 구는 다시 15,000rpm으로 회전하는 원심분리기를 사용하여 분산, 적층시켰다. 적층된 실리카 구는 10일 동안 상온에서 건조하여 최밀적층된 단분산 실리카를 제조하였다.
다이비닐벤젠(divinylbenzene, DVB) 4㎖에 DVB를 중합시키기 위한 개시제(initiator)인 아조비스이소부틸로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN) 0.1845g을 녹이고 이 용액에 상기에서 제조한 최밀적층된 단분산 실리카 덩어리 2g을 넣은 후 진공을 걸어주어 최밀적층 실리카 구 사이에 형성된 기공으로부터 공기가 빠져 나오고 그 자리에 DVB가 들어가도록 하였다.
DVB가 함침된 단분산 실리카 구 덩어리는 70℃에서 12시간 동안 유지시켜 DVB가 충분히 중합되도록 하였다.
중합이 완전히 일어난 실리카 구와 PDVB(polydivinylbenzene) 복합체는 질소 분위기하의 튜브 로(tube furnace) 안에 넣고 850℃에서 5시간 동안 열처리를 실시하여 PVDB가 완전히 탄화되어 탄소체가 되도록 하였다. 이때 승온속도는 5℃/분으로 하였다. 한편 열처리를 실시하여 PVDB가 완전히 탄화된 후 상온으로 냉각하였다. 이때 냉각속도는 5℃/분을 유지하였다.
상기의 공정으로부터 얻은 탄소체와 실리카 구 복합체는 불산 용액 속에 24시간 동안 담가서 탄소체 안의 실리카 구가 완전히 녹아 나오도록 하였다. 실리카가 제거된 탄소체는 증류수로 세척하여 불산이 완전히 제거된 것을 확인한 후 건조하여 다공성 탄소체를 얻었다.
도 2는 상기에서 제조한 단분산 실리카 사진(SEM)을 나타낸 것이며, 도 3은 상기에서 제조한 다공성 탄소체 사진(SEM)을 나타내었다.
표 1은 상기에서 제조한 단분산 실리카와 다공성 탄소체에 대하여 질소흡착등온선에 의한 흡착특성을 측정한 결과이다.
도 4는 실시예 1에 의해 제조된 다공성 탄소체와 제올라이트(Hisiv-1000)에 대하여 톨루엔의 흡착평형량을 측정한 것으로 본 발명에 의해 제조한 다공성 탄소체가 제올라이트에 비해서 1.5배의 이상의 톨루엔을 흡착할 수 있음을 보이고 있다.
표 1. 다공성 탄소체의 흡착특성
시료명 BET표면적 (m2/g) micropore 면적(m2/g) 외부기공면적(m2/g) 전체기공부피(cm3/g) micropore 부피(cm3/g)
단분산 실리카 29.7 3.9 25.8 0.058 0.002
다공성 탄소체 674 258 416 1.115 0.107
<실시예 2>
에틸알코올 600㎖과 NH4OH 36㎖를 10분 동안 혼합하였다. 이후 TEOS를 12㎖ 첨가하고 다시 상온에서 4시간 동안 반응시켜 입자크기가 0.2∼0.25㎛인 실리카 구를 제조하였다. 실리카 구는 원심분리기에서 증류수로 3회 세척하여 NH4OH를 제거한 다음 15,000rpm으로 회전하는 원심분리기를 사용하여 분산, 적층시켰다. 적층된 단분산 실리카 구를 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃에서 각각 4시간씩 열처리하였다.
DVB 4㎖에 AIBN 0.1845g을 녹이고 이 용액에 상기에서 열처리하여 최밀적층된 단분산 실리카 덩어리를 각각 2g을 넣은 후 진공을 걸어주어 최밀적층 실리카 구 사이에 형성된 기공에 DVB가 들어가도록 하였다. DVB가 함침된 단분산 실리카 구 덩어리는 70℃에서 12시간 동안 유지시켜 DVB가 충분히 중합되도록 하였다.
중합이 완전히 일어난 실리카 구와 PDVB 복합체는 질소 분위기하의 튜브 로 안에 넣고 850℃에서 5시간 동안 유지하여 PVDB가 완전히 탄화되어 탄소체가 되도록 하였다. 이때 승온속도는 5℃/분으로 하였다. 한편 열처리를 실시하여 PVDB가 완전히 탄화된 후 상온으로 냉각하였다. 이때 냉각속도는 5℃/분을 유지하였다.
상기의 공정으로부터 얻은 탄소체와 실리카 구 복합체는 불산 용액 속에 24시간 동안 담가서 탄소체 안의 실리카 구가 완전히 녹아 나오도록 하였다. 실리카가 제거된 탄소체는 증류수로 세척하여 불산이 완전히 제거된 것을 확인한 후 건조하여 원하는 다공성 탄소체를 얻었다.
표 2는 상기에서 실리카 구의 열처리 온도에 따른 각각의 다공성 탄소체의 BET 특성 결과이다.
표 2. 실리카 구 열처리 온도에 따른 다공성 탄소체 특성
열처리온도(℃) BET표면적 (m2/g) micropore 면적(m2/g) 외부기공면적(m2/g) 전체기공부피(cm3/g) micropore 부피(cm3/g)
400 915 442 472 1.343 0.183
500 766 328 438 1.408 0.133
600 606 204 403 1.552 0.087
700 519 194 325 0.879 0.084
800 745 279 466 1.223 0.115
<실시예 3>
에틸알코올 600㎖과 NH4OH 30㎖를 10분 동안 혼합하였다. 이후 TEOS를 12㎖ 첨가하고 다시 상온에서 4시간 동안 반응시켜 입자크기가 0.2∼0.25㎛인 실리카 구를 제조하였다. 형성된 실리카 구는 원심분리기에서 증류수로 3회 세척하여 NH4OH가 제거한 후 15,000rpm으로 회전하는 원심분리기를 사용하여 분산, 적층시켰다. 적층된 단분산 실리카 구를 200℃, 300℃, 400℃에서 각각 4시간씩 열처리하였다.
DVB 4㎖에 AIBN 0.1845g을 녹이고 이 용액에 상기에서 열처리한 최밀적층된 단분산 실리카 덩어리를 각각 2g을 넣은 후 진공을 걸어주어 최밀적층 실리카 구 사이에 형성된 기공에 DVB가 들어가도록 하였다. DVB가 함침된 단분산 실리카 구 덩어리는 70℃에서 12시간 동안 유지시켜 DVB가 충분히 중합되도록 하였다.
중합이 완전히 일어난 실리카 구와 PDVB 복합체는 질소 분위기하의 튜브 로 안에 넣고 850℃에서 5시간 동안 유지하여 PVDB가 완전히 탄화되어 탄소체가 되도록 하였다.
상기의 공정으로부터 얻은 탄소체와 실리카 구 복합체는 불산 용액 속에 24시간 동안 담가서 탄소체 안의 실리카 구가 완전히 녹아 나오도록 하였다. 실리카가 제거된 탄소체는 증류수로 세척하여 불산이 완전히 제거된 것을 확인한 후 건조하여 원하는 다공성 탄소체를 얻었다.
표 3은 상기에서 실리카 구의 열처리 온도에 따른 각각의 다공성 탄소체의 BET 특성 결과이다.
표 3. 실리카 구 열처리 온도에 따른 다공성 탄소체 특성
열처리온도(℃) BET표면적 (m2/g) micropore 면적(m2/g) 외부기공면적(m2/g) 전체기공부피(cm3/g) micropore 부피(cm3/g)
열처리 안함 880 163 717 2.031 0.069
200 1492 623 869 3.345 0.257
300 950 370 580 2.498 0.153
400 910 316 594 2.146 0.133
<실시예 4>
에틸알코올 600㎖과 NH4OH 24㎖를 10분 동안 혼합하였다. 이후 TEOS를 12㎖ 첨가하고 다시 상온에서 4시간 동안 반응시켜 입자크기가 0.2∼0.25㎛인 실리카 구를 제조하였다. 형성된 실리카 구는 원심분리기에서 증류수로 3회 세척하여 NH4OH를 제거한 다음 15,000rpm으로 회전하는 원심분리기를 사용하여 분산, 적층시켰다. 적층된 단분산 실리카 구를 200℃, 400℃에서 각각 4시간씩 열처리하였다.
DVB 4㎖에 AIBN 0.1845g을 녹이고 이 용액에 상기에서 각각 열처리한 최밀적층된 단분산 실리카 덩어리 2g을 넣은 후 진공을 걸어주어 최밀적층 실리카 구 사이에 형성된 기공에 DVB가 들어가도록 하였다. DVB가 함침된 단분산 실리카 구 덩어리는 70℃에서 12시간 동안 유지시켜 DVB가 충분히 중합되도록 하였다.
중합이 완전히 일어난 실리카 구와 PDVB 복합체는 질소 분위기하의 튜브 로 안에 넣고 850℃에서 5시간 동안 유지하여 PVDB가 완전히 탄화되어 탄소체가 되도록 하였다.
탄소체와 실리카 구 복합체는 불산 용액 속에 24시간 동안 담가서 탄소체 안의 실리카 구가 완전히 녹아 나오도록 하였다. 실리카가 제거된 탄소체는 증류수로 세척하여 불산이 완전히 제거된 것을 확인한 후 건조하여 원하는 다공성 탄소체를 얻었다.
표 4는 상기에서 실리카 구의 열처리 온도에 따른 각각의 다공성 탄소체의 BET 특성 결과이다.
표 4. 실리카 구 열처리 온도에 따른 다공성 탄소체 특성
열처리온도(℃) BET표면적 (m2/g) micropore 면적(m2/g) 외부기공면적(m2/g) 전체기공부피(cm3/g) micropore 부피(cm3/g)
열처리 안함 987 226 760 3.651 0.093
200 1097 250 847 4.712 0.108
400 1516 1561 904 4.429 0.268
본 발명에 의한 다공성 탄소체는 비표면적이 1450∼1500m2/g에 이를 뿐 아니라 세공부피도 2.0∼4.7cm3/g에 이르는 흡착에 매우 유리한 특성을 가진 소재이다. 종래 야자계 혹은 석탄계 활성탄소는 탄소원의 표면에만 미세기공을 형성시키는데 반하여 본 발명에 의한 다공성 탄소체는 표면과 내부가 모두 동일한 기공크기와 형태를 가지고 있어 큰 비표면적과 세공부피를 가질 수 있다. 또한, 실리카 구 적층체를 주형으로 사용하기 때문에 실리카 구의 크기가 작아질수록 이것을 주형으로 사용하여 얻은 다공성 탄소체의 비표면적과 세공부피는 더욱 커지게 된다. 즉, 본 발명은 다공성 탄소체 제조시 실리카 구 주형의 크기를 조절함으로써 원하는 기공 형태를 제어할 수 있기 때문에 일반 활성 탄소와는 달리 흡착제거를 원하는 물질의 분자 직경에 알맞는 크기로 미세기공을 조절할 수 있어서 흡착선택성이 크게 증가하는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 다공성 탄소체 제조시 사용하는 단분산 실리카 구의 제조공정도이다.
도 2은 실시예 1에서 제조된 단분산 실리카 구를 나타낸 사진이다.
도 3는 실시예 1에서 제조된 다공성 탄소체를 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 다공성 탄소체와 제올라이트의 톨루엔 흡착특성을 나타낸 그래프이다.

Claims (12)

  1. 다공성 탄소체의 제조에 있어서,
    탄소원 단량체와 개시제를 실리카 구 사이의 공간에 투입하는 단계와,
    실리카 구 사이의 공간에 투입된 탄소원 단량체를 불활성기체 하에서 중합시키는 단계와,
    중합반응 후 열처리를 실시하여 실리카 구 사이에서 중합된 탄소원 고분자를 탄화시켜 실리카 구를 포함하는 탄소체를 얻는 단계와,
    열처리 후 탄소체 내부의 실리카 구를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 탄소원은 다이비닐벤젠(DVB) 또는 페놀 임을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 개시제는 아조비스이소부틸로니트린(AIBN), 또는 포름알데히드를 탄소원 중량 대비 2∼6% 첨가하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 불활성기체는 헬륨, 질소, 아르곤, 크립톤 중에서 선택된 어느 하나 임을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 탄소원 단량체는 50∼90℃에서 5시간 이상 중합하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 열처리는 700∼1000℃에서 1∼10시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 탄소체 내부의 실리카는 탄소체를 불산(HF) 용액 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액에 침지한 후 증류수로 세척하여 제거함을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 탄소원과 개시제를 실리카 사이의 공간에 투입하기 전에 실리카 구를 200∼800℃에서 1∼4시간 동안 열처리함을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 실리카 구는 실리카 공급원을 용매에 가수분해한 후 암모니아(NH3) 존재하에서 축합반응시키는 단계와,
    원심분리기를 이용하여 축합반응에 의해 생성된 실리카 구의 암모니아를 제거하고 적층하는 단계를 포함하는 공정으로부터 얻을 수 있음을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 실리카 공급원은 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 테트라메틸오르토실리케이트(TMOS), 페닐메틸트리메톡시실란(PTMS) 또는 물유리임을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 용매는 물, 에틸알콜 또는 물과 에틸알콜이 0.1:99.9∼99.9:0.1의 비로 혼합된 혼합용매 임을 특징으로 하는 다공성 탄소체의 제조방법.
  12. 특허청구범위 제1항의 방법에 의해 제조한 다공성 탄소체.
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