KR20150093527A - Steam-assisted Facile Low-temperature Crystallization and Interconnection of metal oxide - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a structure in which crystal particles of mesopore metal oxide are interconnected, the method comprising: a step A of preparing a precursor solution containing a metal oxide source, a mesopore-directing agent, an acid catalyst, and a solvent; a step B of evaporating the solvent from the precursor solution, wherein the mesopore-directing agent and a hydrolyzed metal source are self-assembled to form a mesopore within the metal oxide by means of the mesopore-directing agent and to form a metal oxide structure in which the mesopore-directing agent is filled and cohered in the mesopore; a step C of carbonizing the mesopore-directing agent filled in the mesopore; a step D of maintaining the mesophore structure by treating the same with steam at a lower temperature than the carbonizing temperature of the step C to interconnect metal oxide nanoparticles into a polysrystalline form in which the metal oxide nanoparticles are fused; and a step E of removing the cabonized aggregates within the mesopore. According to the present invention, the method for low temperature crystallization and interconnection of metal oxide by a steam treatment is capable of forming a highly aligned crystalline metal oxide structure having great reproducibility, thereby expanding the production scale.

Description

스팀 처리에 의한 금속 산화물의 저온 결정화 및 상호결합 방법 {Steam-assisted Facile Low-temperature Crystallization and Interconnection of metal oxide}Steam-assisted Facile Low-temperature Crystallization and Interconnection of Metal Oxide "

본 발명은 스팀 처리에 의해 저온에서 금속 산화물을 결정화 및 상호결합(interconnection)하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for crystallizing and interconnection of metal oxides at low temperatures by steam treatment.

1990년대 초, 모빌(Mobil) 과학자들이 MCM-41과 같은 메조다공성 실리카를 발견한 이래, 고 표면적을 갖은 다수의 잘 정렬된 메조다공성의 MCM 족(family members)의 합성이 지금까지 보고되어 왔다. 균일한 다공성과 상호연결된 채널들을 갖은 이러한 다공성 물질들은 놀라운 선택성으로 인하여 촉매 작용, 나노복합체, 화학 센서, 나노-반응기(nano-reactor), 흡착제 및 약물방출조절제로서 응용을 위한 매우 큰 잠재력을 보여 주고 있다. 채널 연결과 세공 네트워크를 조절 개발함으로써, 다양한 다공성 물질이 합성되어 왔고, 선택적 응용에 사용되어왔다. 예를 들어, 선형 알킬 사슬의 계면활성제를 사용하여 제조된 2 차원(2-D) 육방정계(hexagonal) 채널 구조의 MCM-41과 SBA-3와, 플루로닉(Pluronic) P123을 이용하여 제조된 SBA-15는 나노입자, 나노와이어와 나노섬유(nanofiber)의 제조를 위해 이용되었다. CTAB를 사용하여 준비된 MCM-48, SBA-1 및, 블록 공중합체를 사용하여 합성된 SBA-6, SBA-16 또는 FDU 계 물질과 같은 삼차원(3-D) 네트워크 구조의 물질이 촉매 작용에서 성공적으로 적용되었다. StOber 방법의 다수 변형 방법들이 치료용 분자의 제어된 방출과 효율적 촉매 효과에 적절한 계층적 다공성 구조를 제조하는데 사용되어 왔다.
Since the discovery of mesoporous silica like MCM-41 by Mobil scientists in the early 1990s, the synthesis of many well-ordered mesoporous MCM family members with high surface area has been reported so far. These porous materials with homogeneous porosity and interconnected channels exhibit tremendous selectivity and thus have great potential for applications as catalysts, nanocomposites, chemical sensors, nano-reactors, sorbents and drug release modifiers have. By modulating channel connections and pore networks, a variety of porous materials have been synthesized and used in selective applications. For example, two-dimensional (2-D) hexagonal channel structure MCM-41 and SBA-3 prepared using a linear alkyl chain surfactant and Pluronic P123 SBA-15 was used for the preparation of nanoparticles, nanowires and nanofibers. Materials of three-dimensional (3-D) network structure, such as MCM-48, SBA-1 prepared using CTAB and SBA-6, SBA-16 or FDU based materials synthesized using block copolymers, Respectively. Many variations of the StOber method have been used to produce hierarchical porous structures suitable for controlled release of therapeutic molecules and efficient catalytic effects.

또한, 다공성 금속 산화물은 에너지 분야의 전극재료로서 사용되어 왔다. 일반적으로 전극재료는 전자 전도성과 이온전도성이 모두 양호해야 하는데, 일반적인 전극 재료의 경우 이온 전도도가 전자 전도도보다 낮은 특성을 나타낸다. 그러나, 다공성 전극 재료의 경우 입자 내부까지 이온전달이 가능하여 실질적으로 이온 이동 경로를 감소시키는 효과가 있다. 동일한 효과를 나타내는 것으로 나노 재료를 사용하여 다공성 전극 재료와 유사한 효과를거둘 수 있으나, 입자간 접촉 저항이 높고 전극 제조에 어려움이 있어 그 적용이 어려운 문제점이 있다.Porous metal oxides have also been used as electrode materials in the energy field. Generally, the electrode material should have both good electronic conductivity and ionic conductivity. In general electrode materials, ionic conductivity is lower than electron conductivity. However, in the case of a porous electrode material, it is possible to transfer ions to the interior of the particle, thereby substantially reducing the ion movement path. It is possible to achieve similar effects to the porous electrode material by using a nano material which exhibits the same effect. However, since the contact resistance between particles is high and it is difficult to manufacture the electrode, it is difficult to apply it.

다공성 금속 산화물이 전극재료로 적용된 예로서는 대표적으로 MnO2, LiCoO2, LiNiO2, LiCo1 /3Ni1 /3Mn1 /3O2 등이 리튬 이차전지의 양극 소재로 적용되는 경우를 들 수 있으며, 전기화학 커패시터에서 RuO2, NiO 등이 수도커패시턴스(pseudocapcitance) 물질로 적용되고 있다. 그 이외에도 고체 산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 및 수소화붕소 연료전지의 산화니켈 또는 산화코발트계 음극 소재 및 염료감응형 태양전지의 TiO2 반도체 전극으로서도 다공성 금속 산화물이 이용되고 있다.The porous metal oxide can be mentioned a case example is applied as the electrode material that is typically between the MnO 2, LiCoO 2, LiNiO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , such as applying a positive electrode material of a lithium secondary battery, and , RuO 2 and NiO in electrochemical capacitors have been applied as pseudocapcitance materials. In addition, a porous metal oxide is also used as a TiO 2 semiconductor electrode of a nickel oxide or cobalt oxide anode material and a dye-sensitized solar cell of a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a hydrogenated boron fuel cell.

이러한 다공성 금속 산화물을 제조하는 방법으로는 소결법, 템플레이트법(Template method) 등이 많이 이용되고 있다.As a method for producing such a porous metal oxide, a sintering method, a template method and the like are widely used.

소결법은 다공성 산화물 제조시 가장 많이 사용되는 방법으로 대부분의 경우 분말 형태로 제조가 곤란하고, 가압 성형 등을 통하여야 특정 모양으로 제조가 가능하다.The sintering method is the most commonly used method in the production of porous oxides. In most cases, it is difficult to produce powder in the form of a powder.

템플레이트법은 50nm 이하의 메조기공(mesopore)을 가지는 다공성 물질 제조에 많이 사용되는 방법이나, 일반적으로 공정 비용이 높고 대량 생산이 어려운 단점이 있다. 예컨대, 긴 사슬을 가지는 계면활성제를 템플레이트로 사용하여 열처리에 의해 템플레이트 공간을 기공으로 변환시킴으로써 다공성 산화물을 제조하고 있다.The template method is a method widely used for manufacturing a porous material having a mesopore of 50 nm or less, but generally has a disadvantage in that the process cost is high and mass production is difficult. For example, a porous oxide is produced by converting a template space into a pore by heat treatment using a surfactant having a long chain as a template.

한편, 지금까지 연구되어온 산화물은 주로 TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5 등이며, 이들 물질 중 지금까지 가장 좋은 효율을 보이는 물질은 TiO2(Titania)로 알려져 있다. TiO2는 네가지 상(phase)이 알려져 있는데, 저온에서 안정한 브루카이트 (brookite) 상, 아나타제 (anatase) 상, 고온에서 안정한 루타일 (rutile) 상이 존재하며 리튬이온 밧데리 물질로서 각광을 받는 TiO2(B)가 있다. 루타일상의 결정구조는 아나타제상의 결정구조에 비해 반응물의 흡착능력이 작으며, 빛에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합 속도가 느리기 때문에 아나타제의 결정구조보다 광촉매의 활성이 우수하지 못하다는 단점이 있다.
On the other hand, the oxides studied so far are TiO 2 , SnO 2 , ZnO, Nb 2 O 5 and so on. Among them, TiO 2 (Titania) is the most efficient material. TiO 2 is known to have four phases: a stable brookite phase, an anatase phase, a stable rutile phase at high temperature, and a TiO 2 ( B). The ruta crystal structure has a disadvantage in that the activity of the photocatalyst is not superior to that of the anatase crystal structure because the reactivity of the reactant is low compared with the crystal structure of the anatase phase and the recombination rate of electrons and holes generated by light is slow .

전술한 바와 같이, 아나타제는 가장 중요한 결정성 금속산화물 중 하나이며, 촉매, 촉매지지체 등 다양한 용도로 산업계에 널리 사용되고 있다.높은 상 순도(high phase purity) 및 높은 표면적과 함께, 고도로 정렬된 결정성 메조동공 형태(thehighly ordered crystalline mesoporous form)로 제조될 때 그 유용성은 최고이다. 따라서, 이러한 형태로 제조하기 위한 방법을 개발하기 위해 부단한 노력이 있어왔다(하기 표 1). As described above, anatase is one of the most important crystalline metal oxides and has been widely used in industry for various applications such as catalysts, catalyst supports, etc. With high phase purity and high surface area, highly ordered crystalline Its usefulness is best when it is manufactured in the thehighly ordered crystalline mesoporous form. Thus, there has been constant effort to develop methods for making such forms (Table 1, below).

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

비록 지난 15년간 몇몇 성공사례가 있었지만, 일반적으로 채용되는 합성 공정은 여전히 재현성 및 생산규모 확대 가능성(scalability)이 결여되었다. 상기 재료의 중요성 및 상기 재료의 대량화에 대한 최근 광범위한 요구를 고려해 볼 때, 전술한 두가지 문제점은 되도록 빨리 해결되어야 한다.
Although there have been some success stories over the past 15 years, the synthetic processes typically employed still lack reproducibility and scalability. Considering the importance of the material and the recent widespread demands for bulking the material, the two problems described above must be resolved as soon as possible.

본 발명은 생산 규모를 늘릴 수 있는 재현가능한 공정을 통해 금속 산화물 구조물을 제조하는 새로운 개념의 접근법을 제공하는 것이다.
The present invention provides a new concept approach to manufacturing metal oxide structures through reproducible processes that can increase production scale.

본 발명의 제1양태는, 금속산화물 공급원, 메조동공-유도제(mesopore-directing agent), 산 촉매 및 용매를 함유하는 전구체 용액을 준비하는 A 단계; 전구체 용액으로부터 용매를 증발시키는 단계로서, 메조동공-유도제 및 가수분해된 금속 공급원이 자가 조립을 겪으면서 메조동공-유도제에 의해 금속산화물에 메조동공이 형성되고, 상기 메조동공에 메조동공-유도제가 충진 및 응집된 금속산화물 구조물을 형성하는 B 단계; 상기 메조동공에 충진된 메조동공-유도제를 탄화시키는 C 단계; C 단계의 탄화 온도 보다 낮은 온도에서 스팀 처리하여, 메조동공 구조를 유지하면서 금속산화물 나노입자들이 융합된 다결정 형태(polycrystallineform)로 상호연결(interconnection)시키는 D 단계; 및 메조동공 내 탄화된 응집체들을 제거하는 E 단계를 포함하는, 메조동공 금속산화물 결정 입자들이 상호연결된 구조물을 제조하는 방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a process for the preparation of a precursor solution comprising a metal oxide source, a mesopore-directing agent, an acid catalyst and a solvent; Wherein the mesoporous-inducing agent and the hydrolyzed metal source undergo self-assembly to form a mesopore in the metal oxide by the mesoporous-inducing agent, and wherein the mesoporous-inducer B) forming a filled and agglomerated metal oxide structure; A step C for carbonizing the mesopore-inducing agent filled in the mesopore; A step D for intermingling the metal oxide nanoparticles into a fused polycrystalline form while maintaining the mesopore structure by steam treatment at a temperature lower than the carbonization temperature of the C stage; And E step of removing the carbonized aggregates in the mesopore, wherein the mesoporous metal oxide crystal grains are interconnected.

이때, 금속 산화물은 TiO2이고, 메조동공 금속산화물 결정 입자들은 아나타제(anatase)일 수 있다. At this time, the metal oxide may be TiO 2 , and the mesoporous metal oxide crystal grains may be anatase.

또한, 본 발명의 제2양태는, 본 발명의 제2양태에 따는 방법에 의해 제조된 것으로, 메조동공 금속산화물 결정 입자들이 상호연결된 구조물을 제공한다.Further, a second aspect of the present invention provides a structure in which mesoporous metal oxide crystal grains are interconnected by a method according to the second aspect of the present invention.

본 발명의 제3양태는, 결정성 금속 산화물 입자들이 상호결합(interconnection)되어 있는 금속 산화물 구조물을 제조 방법에 있어서, 무정형 금속 산화물에 스팀을 처리하여, 상기 금속 산화물을 결정화 및 동시에 금속 산화물 결정입자들을 상호결합(interconnection)시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 금속 산화물 구조물의 제조 방법을 제공한다.
In a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a metal oxide structure in which crystalline metal oxide particles are interconnection, comprising the steps of treating an amorphous metal oxide with steam to crystallize the metal oxide, And interconnection of the metal oxide structures.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

종래 고도로 정렬된 결정성 메조동공 형태(thehighly ordered crystalline mesoporous form)의 아나타제를 제조하기 위해 하기와 같은 단계들이 수행되었다. The following steps were performed to produce the conventionally highly ordered anthracite of the thehighly ordered crystalline mesoporous form.

제1단계는 티타늄 공급원, 적절한 메조동공-유도제(mesopore-directing agent) (MPDA, 표 1 참조), 산 촉매 및 용매로서 알코올을 혼합하여 적절한 전구체 용액을 준비하는 단계이다. 제2단계는 24시간 동안 25 ~ 40 ℃의 온도에서 전구체 용액으로부터 천천히 용매를 증발시키는 단계이다. 제2단계는 '증발에 의해 유도되는 자가 조립'(evaporation-induced self-assembly, EISA)으로 지칭되어 왔다. EISA 단계 동안, MPDA 및 가수분해된 Ti 공급원은 자가 조립을 겪으면서 메조동공의 무정형 TiO2가 되고, 메조동공에 충진된 MPDA는 응집된다. 제2단계는 매우 재현가능하고 매우 잘 수행된다. 제3단계는 메조동공에 충진된 MPDA 응집체들이 기계적으로 더 단단한 탄소 응집체들로 되는 탄화(CBN) 단계와, 무정형 TiO2가 결정구조의 아나타제 나노입자들로의 결정화 단계와, 메조동공 구조를 유지하면서 나노입자들이 융합된 다결정 형태(polycrystallineform)로 상호연결(interconnection)되는 단계가 혼재되어 있다. 따라서, 제3단계는 탄화/결정화/상호연결 단계로 지칭될 수 있다. 제3단계는 적용되는 온도 범위가 600~700 ℃이었고, 비활성 분위기에서 수행되었다. 제4단계는 탄소 응집체들을 제거하는 단계(C-removal) 이다. 제4단계는 통상 대기중 450℃에서 수행된다. C-removal 단계 이후, 메조동공 구조는 자주 붕괴(disintegration)되어 개별적인 아나타제 나노결정들 또는 매우 작은 도메인들을 갖는 메조동공 아나타제로 된다. 그러나, 본 발명자들은 이러한 붕괴 문제가 제3단계로부터 야기되는 것을 발견하였다.The first step is to prepare a suitable precursor solution by mixing a titanium source, a suitable mesopore-directing agent (MPDA, see Table 1), an acid catalyst and alcohol as a solvent. The second step is to slowly evaporate the solvent from the precursor solution at a temperature of 25-40 < 0 > C for 24 hours. The second step has been referred to as evaporation-induced self-assembly (EISA). During the EISA step, the MPDA and the hydrolyzed Ti source undergo self-assembly to become the amorphous TiO 2 of the mesoporous, and the MPDA filled in the mesoporous aggregates. The second stage is very reproducible and performs very well. The third stage is a carbonization (CBN) stage in which the MPDA aggregates filled in the mesophase become mechanically stiffer carbon agglomerates, the crystallization step of amorphous TiO 2 into anatase nanoparticles of the crystal structure, and the mesoporous structure While the nanoparticles are intercon- nected into a fused polycrystalline form. Thus, the third step may be referred to as the carbonization / crystallization / interconnect step. The third step was carried out in an inert atmosphere with an applied temperature range of 600 to 700 ° C. The fourth step is the step of removing carbon aggregates (C-removal). The fourth step is usually carried out at 450 < 0 > C in the atmosphere. After the C-removal step, the mesoporous structure is frequently disintegrated into individual anatase nanocrystals or mesoporous anatase with very small domains. However, the present inventors have found that this collapse problem arises from the third step.

또한, 본 발명자들을 실험을 통해, 탄화 공정은 350 ℃로 충분하고, 600~700 ℃는 불필요하게 높다는 것을 확인하였다. 나아가, 무정형 TiO2를 아나타제로 결정화시키는 측면에서 볼 때, 600~700 ℃ 역시 너무 높고, 아나타제는 ~550℃에서 루타일로 상 전이되기 시작하기 때문에 바람직하지 못하였다. 반면, 아나타제의 용융점(1,835 ℃ for bulk) 측면에서 볼 때, 상기 온도는 너무 낮아서, 형성된 아나타제 나노결정들을 일체형의 메조동공 아나타제(integrated mesoporous anatase)로 상호연결 또는 소결을 유도할 수 없다. 따라서, 탄화/결정화/상호연결 단계 동안 적용되는 온도 600~700 ℃는 각 공정에 대해 지나치게 높음/ 지나치게 높음/ 지나치게 낮음이므로, 상기 이는 탄화/결정화/상호연결 단계에 새로운 개념의 접근법이 필요하다.In addition, through experiments of the present inventors, it has been confirmed that the carbonization process is sufficient at 350 ° C, and that 600 ° C to 700 ° C is unnecessarily high. Further, from the viewpoint of crystallizing the amorphous TiO 2 into an anatase, the temperature of 600 to 700 ° C is too high, and the anatase starts to transfer phase to rutile at ~ 550 ° C, which is not preferable. On the other hand, in terms of the melting point of anatase (1,835 ° C for bulk), the temperature is too low to induce interconnected or sintered anatase nanocrystals to an integrated mesoporous anatase. Therefore, this requires a new concept approach to the carbonization / crystallization / interconnection step, since the temperature 600 to 700 ° C applied during the carbonization / crystallization / interconnection step is too high / too high / too low for each process.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자들은 탄화단계를 독립적으로 350 ℃에서 수행하고 결정화/상호연결 단계들을 스팀의 조력하에 150 ℃에서 동시에 수행한 결과, 높은 재현성으로 대규모 스케일(10~20 g)로 상기 방법을 수행할 수 있다는 것을 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초한 것이다.Therefore, to solve the above problems, the present inventors have found that by performing the carbonization step independently at 350 ° C and concurrently performing the crystallization / interconnecting steps under the aid of steam at 150 ° C, a large scale (10-20 g ), And the present invention is based on this.

통상 이러한 상호연결 단계는 600 ~ 700℃에서의 아닐링을 통해서는 어려웠다. 본 발명자들은 저온 탄화가 탄화된 메조동공 TiO2에 잔여 산의 존재를 유도하고, 스팀 존재하 잔여-산 촉매활성에 의해 무정형 TiO2 가 아나타제로 결정화되는 것이 성공적인 저온 결정화/상호연결과 관련이 있다고 유추한다.Usually this interconnecting step is difficult with annealing at 600-700 ° C. We have found that the low temperature carbonation induces the presence of residual acid in the carbonized mesoporous TiO 2 and crystallization of the amorphous TiO 2 into anatase by residual-acid catalytic activity in the presence of steam is associated with successful low temperature crystallization / interconnection Analogy.

또한, 본 발명에 따른 간단(straightforward)하고 온화한 단계들을 수행함으로써, 본 발명자들은 높은 결정성을 갖는 메조동공 아나타제를 12g 스케일로 별도의 문제점 없이 수득할 수 있었다(실시예 1). 또한 본 발명자들은 4배(~50 g scale)로 공정 스케일을 키울 수 있다는 것을 확인하였다. 이는 본 발명에 따른 방법이 재현성이 있으며 스케일을 키울 수 있다는 것(scalability)을 보여주는 것이다. 도 2는 본 발명에 따른 신규 공정의 일례를 도식적으로 표시한 것이다.
Further, by carrying out the straightforward and mild steps according to the present invention, the present inventors could obtain a mesophase anatase having a high crystallinity on a 12 g scale without any problem (Example 1). We have also found that the process scale can be increased by a factor of 4 (~ 50 g scale). This shows that the method according to the present invention is reproducible and scalable. Fig. 2 schematically shows an example of a novel process according to the present invention.

요컨대, 본 발명은 결정성 금속 산화물 입자들이 상호결합(interconnection)되어 있는 금속 산화물 구조물 제조시, 무정형 금속 산화물에 스팀 처리하여, 상기 금속 산화물을 결정화 및 동시에 금속 산화물 결정입자들을 상호결합(interconnection)시키는 것이 특징이다. 바람직하게는 스팀 처리는 산 촉매하에 수행되는 것이 좋다.In other words, the present invention relates to a method for manufacturing a metal oxide structure in which crystalline metal oxide particles are intercon- nected, steam-treating the amorphous metal oxide to crystallize the metal oxide and simultaneously intercon- nect the metal oxide crystal grains . Preferably, the steaming treatment is carried out under an acid catalyst.

이를 응용하여, 본 발명에 따라 메조동공 금속산화물결정 입자들이 상호연결된 구조물을 제조하는 방법은 A method of manufacturing a structure in which mesoporous metal oxide crystal grains are interconnected according to the present invention by applying the same

금속산화물 공급원, 메조동공-유도제(mesopore-directing agent), 산 촉매 및 용매를 함유하는 전구체 용액을 준비하는 A 단계;A preparation of a precursor solution containing a metal oxide source, a mesopore-directing agent, an acid catalyst and a solvent;

전구체 용액으로부터 용매를 증발시키는 단계로서, 메조동공-유도제 및 가수분해된 금속 공급원이 자가 조립을 겪으면서 메조동공-유도제에 의해 금속산화물에 메조동공이 형성되고, 상기 메조동공에 메조동공-유도제가 충진 및 응집된 금속산화물 구조물을 형성하는 B 단계;Wherein the mesoporous-inducing agent and the hydrolyzed metal source undergo self-assembly to form a mesopore in the metal oxide by the mesoporous-inducing agent, and wherein the mesoporous-inducer B) forming a filled and agglomerated metal oxide structure;

상기 메조동공에 충진된 메조동공-유도제를 탄화시키는 C 단계;A step C for carbonizing the mesopore-inducing agent filled in the mesopore;

C 단계의 탄화 온도 보다 낮은 온도에서 스팀 처리하여, 메조동공 구조를 유지하면서 금속산화물 나노입자들이 융합된 다결정 형태(polycrystallineform)로 상호연결(interconnection)시키는 D 단계; 및A step D for intermingling the metal oxide nanoparticles into a fused polycrystalline form while maintaining the mesopore structure by steam treatment at a temperature lower than the carbonization temperature of the C stage; And

메조동공 내 탄화된 응집체들을 제거하는 E 단계를 포함한다.
And E step to remove carbonized agglomerates in the mesopore.

본 발명에 따른 금속 산화물 중 금속으로는 원소 주기율표 II족, III족, IV족 금속이 될 수 있으며, 상기 금속 산화물의 비제한적인 예로는, 산화 루테늄(RuO2), 산화 니켈(NiO), 산화 철(Fe2O3), 산화 망간(MnO2), 산화 코발트(Co3O4), 산화 주석(SnO2), 산화 이리듐(IrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 구리(CuO), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐(In2O3), 산화 리튬(Li2O), 산화 팔라듐(PdO), 산화 은(Ag2O), 산화 망간(MgO), 산화 크로뮴(CrO3), 산화 티타늄(TiO2), 산화백금(PtO2) 또는 산화 금(Au2O3) 등이 있다.
Among the metal oxides according to the present invention, the metals may be elements of Group II, Group III, and Group IV of the Periodic Table of the Elements. Non-limiting examples of the metal oxides include ruthenium oxide (RuO 2 ), nickel oxide (NiO) (Fe 2 O 3 ), MnO 2 , Co 3 O 4 , SnO 2 , IrO 2 , Al 2 O 3 , Copper oxide CuO), zinc oxide (ZnO), indium oxide (In 2 O 3 ), lithium oxide (Li 2 O), palladium oxide (PdO), silver oxide (Ag 2 O), manganese oxide (MgO) 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), platinum oxide (PtO 2 ), or gold oxide (Au 2 O 3 ).

<금속산화물 공급원, &Lt; Metal oxide source, 메조동공Meso pupil -- 유도제Induction agent (( mesoporemesopore -- directingdirecting agentagent ), 산 촉매 및 용매를 함유하는 전구체 용액을 준비하는 A 단계>), An acid catalyst, and a precursor solution containing a solvent,

금속산화물 공급원은 해당 금속을 포함하는 화합물로서 당업계에 알려진 금속 전구체 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 원소 주기율표 II족, III족, IV족 금속, 금속염, 금속 산화물, 금속 염화물, 금속 아세트화물, 트리메틸실릴기가 결합되거나 결합되지 않은 V족 및 VI족 원소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 비제한적인 예로는, 티타늄, 아연, 카드뮴, 수은, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 규소, 망간, 게르마늄 및 주석으로부터 1종 이상 선택된 금속의 산화물, 염화물, 아세트화물, 지방산염, 포스폰산 염, 티올레이트, 및 알콕사이드로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The metal oxide source may be a metal precursor compound known in the art as a compound containing the metal. For example, a group consisting of Group V, Group III, Group IV metals, metal salts, metal oxides, metal chlorides, metal acetates, Group V and VI elements with or without a trimethylsilyl group attached, &Lt; / RTI &gt; Non-limiting examples include oxides, chlorides, acetates, fatty acid salts, phosphonates, thiolates of metals selected from one or more of titanium, zinc, cadmium, mercury, aluminum, gallium, indium, silicon, manganese, germanium and tin , And alkoxides, but is not limited thereto.

예컨대, Ti 공급원의 비제한적인 예로는 티타늄-(n)부톡시드, 티타늄-(n)에톡시드, 티타늄-(n)이소프로폭시드, 티타늄-(n)프로폭시드, 티타늄테트라이소프로폭사이드 및 TiCl4 등이 있다. Si 공급원의 비제한적인 예로는 테트라메틸오르토실리케이트, 테트라에틸오르토실리케이트, 테트라프로필오르토실리케이트, 테트라부틸오르토실리케이트 또는 이들의 혼합물이 있다.For example, non-limiting examples of the Ti source include titanium- (n) butoxide, titanium- (n) ethoxide, titanium- (n) isopropoxide, titanium- (n) propoxide, titanium tetraisopropoxide and the like side and TiCl 4. Non-limiting examples of the Si source include tetramethylorthosilicate, tetraethylorthosilicate, tetrapropylorthosilicate, tetrabutylorthosilicate, or mixtures thereof.

구조 유도제는 특정 결정구조(crystalline structure)의 주형(template) 역할을 하는 물질로서, 구조 유도제의 charge distribution, size 및 geometric shape가 구조 유도 특성(structure directing properties)를 제공한다.Structural directing agents act as templates for certain crystalline structures. Charge distribution, size and geometric shape of structure directing agents provide structure directing properties.

메조동공-유도제는 구조 유도제의 일종으로, 중성, 음이온성, 양이온성 계면활성제일 수 있다. 예를 들어, 알킬아민계 또는 암모늄알킬 할라이드계 계면활성제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 알킬아민계 또는 암모늄 알킬 할라이드계 계면활성제에 있어서 알킬기는 4~24개의 탄소를 갖는 직쇄 또는 측쇄 알킬기일 수 있다. 구체적으로, 상기 암모늄 알킬 할라이드계 계면활성제로서 트리알킬암모늄 알킬 할라이드, 예를 들어, 트리(C1~6알킬)암모늄 C10~30알킬브로마이드를 사용할 수 있으며, 예를 들어, CTAB(세틸 트리메틸암모늄 브로마이드)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The mesoporous-inducer is a kind of structure directing agent, Neutral, anionic, cationic surfactant. For example, an alkylamine-based or ammonium alkyl halide-based surfactant can be used. For example, in the above alkylamine-based or ammoniumalkyl halide-based surfactants, the alkyl group may be a linear or branched alkyl group having 4 to 24 carbons. Specifically, a trialkylammonium alkyl halide such as tri (C1-6 alkyl) ammonium C10-30 alkyl bromide may be used as the ammonium alkyl halide surfactant. For example, CTAB (cetyltrimethylammonium bromide) But is not limited thereto.

본 실시예에서는 HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20H (Pluronic P123)를 사용하였으며, Pluronic P123은 중성 계면활성제의 일종이다.In this example, HO (CH 2 CH 2 O) 20 (CH 2 CH (CH 3 ) O) 70 (CH 2 CH 2 O) 20 H (Pluronic P123) was used and Pluronic P123 was a kind of neutral surfactant .

전구체 용액 내 메조동공-유도제의 비제한적인 농도 범위는 0.01몰 내지 1몰이며, 0.1몰~0.5몰이 바람직하다.
The non-limiting concentration range of the mesoporous-inducing agent in the precursor solution is 0.01 mol to 1 mol, preferably 0.1 mol to 0.5 mol.

산 촉매는 무기산 또는 유기산 일 수 있으며, 무기산의 비제한적인 예로는 염산, 황산, 인산, 질산, 할로겐화 실란, 이의 혼합물이 있으며, 유기산의 비제한적인 예로는 초산, 클로로초산, 쿠엔산, 안식향산, 디메틸말론산(dimethylmalonic acid), 포름산, 프로피온산, 글루타르산(glutaric acid), 글리콜산(glycollic acid), 마레인산, 마론산, 톨루엔술폰산, 옥살산(oxalic acid)), 등이 있다. 산 촉매는 염산, 황산, 인산, 또는 이의 혼합물인 것이 바람직하다.The acid catalyst may be an inorganic acid or an organic acid, and non-limiting examples of the inorganic acid include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, halogenated silane, and mixtures thereof. Non-limiting examples of the organic acid include acetic acid, chloroacetic acid, Such as dimethylmalonic acid, formic acid, propionic acid, glutaric acid, glycollic acid, maleic acid, malonic acid, toluenesulfonic acid, oxalic acid, and the like. The acid catalyst is preferably hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, or a mixture thereof.

산 촉매는 금속산화물 전구체의 급격한 가수분해 및 축중합 반응 속도를 제어하는 역할을 한다. 또한, 산 촉매의 수소이온(H+)으로 인한 금속 함유 입자의 응집을 막음으로써 분산성과 점도를 제어할 수 있다.
The acid catalyst serves to control the rapid hydrolysis and condensation rate of the metal oxide precursor. Further, the dispersion and viscosity can be controlled by preventing the aggregation of the metal-containing particles due to the hydrogen ions (H + ) of the acid catalyst.

용매로 물 또는 물과 그 밖의 액체와의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다. 그와 같은 다른 액체로서는 예를 들어, 친수성 유기용매가 있으며, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올(IPA), n-부탄올, 이소부탄올 등의 저급 지방족 알코올류, 에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 초산에틸렌글리콜모노에틸에테르 등의 에틸렌글리콜 유도체, 디에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르 등의 디에틸렌글리콜 유도체, 및 디아세톤알코올 등이 포함된다. 또한, 이들로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다. 더욱이 이들의 친수성 유기용매와 병용하여, 톨루엔, 퀴실렌, 헥산, 헵탄초산에틸, 초산부틸, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케토옥심 등의 1종 또는 2종 이상의 것을 사용할 수 있다.
It is preferred that the solvent comprises water or a mixture of water and other liquids. Examples of such other liquids include hydrophilic organic solvents, and include lower aliphatic alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol (IPA), n-butanol and isobutanol, ethylene glycol, ethylene glycol monobutyl ether, Ethylene glycol derivatives such as monoethyl ether, diethylene glycol, diethylene glycol derivatives such as diethylene glycol monobutyl ether, and diacetone alcohol. Further, one or more selected from the group consisting of these can be used. Further, one or more of toluene, quinilene, hexane, ethyl heptanoate, butyl acetate, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl ethyl ketoxime and the like may be used in combination with these hydrophilic organic solvents.

<전구체 용액으로부터 용매를 증발시키는 B단계>&Lt; Step B for evaporating the solvent from the precursor solution >

전구체 용액으로부터 용매를 증발시키는 B단계에서, 메조동공-유도제 및 가수분해된 금속 공급원이 자가 조립을 겪으면서 메조동공-유도제에 의해 금속산화물에 메조동공이 형성되고, 상기 메조동공에 메조동공-유도제가 충진 및 응집된 금속산화물 구조물이 형성된다.In step B where the solvent is evaporated from the precursor solution, the mesoporous-inducing agent and the hydrolyzed metal source undergo self-assembly to form mesopores in the metal oxide by the mesoporous-inducing agent, and mesoporous-induced Filled and agglomerated metal oxide structures are formed.

B단계는 메조동공을 갖는 금속산화물 구조물을 형성시키는 기본적인 단계로, 당업계에 널리 알려져 있으며, 매우 재현가능하고 매우 잘 수행된다.Step B is a fundamental step in forming a mesoporous metal oxide structure and is well known in the art and is highly reproducible and very well performed.

졸-겔 합성법에 의해서 금속산화물 전구체를 낮은 pH에서 천천히 가수분해 반응 및 축중합 반응하는 과정에서, 예컨대 메조동공-유도제 양 그리고 반응 시간과 온도를 달리하여, 메조동공-유도제와 무기물의 가교 정도를 달리함으로써 입자의 표면 구조와 기공의 크기 및 표면 특성을 제어할 수 있다. 상기 무기물은 숙성 과정을 거친 후 열처리를 통하여 메조동공-유도제 및 잔존물들을 제거하고 결정도를 향상시킬 수 있다.In the process of slowly hydrolyzing and polycondensation a metal oxide precursor at a low pH by a sol-gel synthesis method, for example, by varying the mesoporous-inducing agent amount and the reaction time and temperature, the degree of crosslinking of the mesoporous- By varying the surface structure of the particles, the pore size and the surface properties can be controlled. The inorganic material may be subjected to a maturing process, followed by heat treatment to remove the mesoporous-inducing agent and residues and improve the crystallinity.

B단계의 온도는 사용되는 용매에 따라 상이하나, 25 ~ 40 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.The temperature of step B varies depending on the solvent used but can be carried out at a temperature of 25 to 40 ° C.

반응시간은 0.5시간에서 20일까지 다양하게 변화할 수 있다. 반응시간은 바람직하게는 2시간-15일, 보다바람직하게는 40 내지 50 시간이다.The reaction time can vary from 0.5 hour to 20 days. The reaction time is preferably 2 hours to 15 days, more preferably 40 to 50 hours.

모든 용매가 증발되었을 때, 추가로 남아있는 고형물을 건조시킬 수 있다.
When all the solvent has evaporated, the remaining solids can be dried.

< 상기 &Lt; 메조동공에On meso pupil 충진된Filled 메조동공Meso pupil -- 유도제를Inducer 탄화시키는 C 단계 > C carbonization step>

본 발명은 결정화/상호연결 단계들과 독립적으로 탄화단계를 수행하는 것이 특징이다. 따라서, 금속산화물 입자들을 상호연결하기 위해 높은 열처리 온도가 필요없고, 메조동공 유도제를 탄화시키기에 적합할 정도로 낮은 온도에서 열처리가 가능하다. 또한, 저온 탄화로 인해, 산촉매가 잔존할 수 있게 유도할 수 있다.The present invention is characterized by performing the carbonization step independently of the crystallization / interconnection steps. Thus, a high heat treatment temperature is not required to interconnect the metal oxide particles and a heat treatment is possible at a temperature low enough to carbonize the mesoporous inducing agent. Further, due to the low-temperature carbonization, it is possible to induce the acid catalyst to remain.

탄화시 열처리 온도는 사용되는 메조동공-유도제에 따라 상이하며, 메조동공-유도체를 탄화시킬 수 있는 한 탄화온도는 특별히 제한되지 않는다.
The temperature of the heat treatment at the time of carbonization differs depending on the mesoporous-inducing agent used, and the temperature of carbonization as long as it can carbonize the mesoporous-derivative is not particularly limited.

< C 단계의 탄화 <Carbonization of the C-level 온도 보다Than temperature 낮은 온도에서 스팀 처리하는D 단계> Step D to Steam at Low Temperature>

본 발명은 결정화/상호연결 단계를 탄화단계로부터 분리시킴으로써, 탄화 온도 보다 낮은 온도에서 스팀 처리하는 것이 또다른 특징이다.The present invention is another feature of steam treatment at temperatures below the carbonization temperature by separating the crystallization / interconnecting step from the carbonization step.

스팀 처리하면 일반적인 금속산화물의 어닐링 온도 보다 훨씬 낮은 저온에서도 메조동공 구조를 유지하면서 금속산화물 나노입자들이 융합된 다결정 형태로 상호연결시킬 수 있다(실시예 1). 스팀 존재하 산 촉매활성에 의해, 저온에서도 무정형 금속산화물이 결정화될 수 있고, 금속산화물 입자들이 상호연결될 수 있다.Steam treatment can interconnect the metal oxide nanoparticles into a fused polycrystalline form while maintaining the mesoporous structure even at a low temperature which is much lower than the annealing temperature of a typical metal oxide (Embodiment 1). By the acid catalytic activity in the presence of steam, the amorphous metal oxide can be crystallized even at low temperatures, and the metal oxide particles can be interconnected.

D 단계는 재현성이 높은 단계이므로, 대규모 스케일로 원하는 금속산화물 구조물을 제조할 수 있다.Since step D is a highly reproducible step, a desired metal oxide structure can be produced on a large scale scale.

바람직한 스팀 처리 온도는 40 ~ 400℃, 바람직하게는 80 ~ 150℃이다.
The preferred steam treatment temperature is 40 to 400 占 폚, preferably 80 to 150 占 폚.

<< 메조동공Meso pupil 내 탄화된 응집체들을 제거하는 E 단계> Step E to remove the carbonized agglomerates>

통상 대기중 또는 산소 존재하에 수행될 수 있으며, 탄화된 메조동공-유도체를 제거할 수 있는한 반응온도는 특별히 제한되지 않는다.The reaction can be carried out usually in the air or in the presence of oxygen, and the reaction temperature is not particularly limited as long as it can remove the carbonized mesoporous-derivative.

열처리에 의해, 메조동공 내 탄화된 응집체들을 제거하는 E 단계에서, 금속산화물의 결정화도가 더욱 향상될 수 있을 뿐만아니라, 금속산화물은 소성(calcinations)되어, 기공 시스템 재배열 야기되어, 더욱 안정된 구조로 될 수 있다.
In addition, not only the crystallinity of the metal oxide can be further improved, but also the metal oxide is calcined to cause rearrangement of the pore system in the step E where carbonized aggregates in the mesopores are removed by the heat treatment, resulting in a more stable structure .

본 발명에 따른, 스팀 처리에 의한 금속 산화물의 저온 결정화 및 상호결합 방법은 고도로 정렬된 결정성 금속 산화물 구조물을 형성할 수 있으며, 재현가능성이 크므로, 생산 규모를 늘릴 수 있다.
The method of low temperature crystallization and mutual bonding of metal oxides by steam treatment according to the present invention can form a highly aligned crystalline metal oxide structure and is highly reproducible so that the production scale can be increased.

도 1은, EISA이후(a-e), N2 하 350℃에서의 CBN이후(f-j), 5시간동안 150℃에서의 스팀처리후(k-o), O2 흐름하 5시간 동안 300℃에서 소성후의 메조동공 TiO2에 대한 SAX 및 WAX 회절 패턴들 및 다양한 배율에서의 TEM 이미지들이다. SAX의 스케일바의 강도는 (a)에, WAX의 스케일바의 강도는 (b)에 도시되어 있다.
도 2는, 본 발명에 따른 신규 공정의 일례를 도식적으로 표시한 것이다.
도 3은, EISA이후, N2 하 350℃에서의 CBN이후, 5시간동안 150℃에서의 스팀처리후, O2 흐름하 5시간 동안 300℃에서 소성후의 메조동공 TiO2에 대한, N2 흡착 및 탈착 등온선(왼쪽 그래프들) 및 기공 크기 분포(오늘쪽 그래프들) 를 도시한 것이다. 비표면적은 BET법으로 계산하였고, 기공 직경 분포는 BJH법으로 분석하였다. 기공부피는 N2 흡착 및 탈착 등온선으로부터 측정하였다. 모든 메조동공TiO2 시료들은 타입 1V의 N2 흡착 및 탈탁 등온선을 나타내었는데, 이는 메조동공재료들인 균일한 기공 구조를 갖는 것을 의미한다.
도 4a는 UV-vis 스펙트럼이고, 도 4b는 메틸렌블루(MB)의 가시광선(385~740nm) 광분해를 도시한 것이다. 여기서, (a)는 MB 단독, (b)는 MB와 아나타제 나노입자들, (c)는 MB와 메조동공 아나타제에 관한 것이다.
Figure 1, EISA after (ae), N 2 and CBN since at 350 ℃ (fj), after firing at 300 ℃ during steam treatment after (ko), O 2 flow to 5 hours at 150 ℃ for 5 hours meso SAX and WAX diffraction patterns for the pupil TiO 2 and TEM images at various magnifications. The intensity of the scale bar of SAX is shown in (a) and the intensity of the scale bar of WAX is shown in (b).
Fig. 2 schematically shows an example of a novel process according to the present invention.
Figure 3 is, EISA since, N 2 and for CBN since at 350 ℃, after steaming at 150 ℃ for 5 h, O 2 flow and meso pores after firing at 300 ℃ for 5 hours, TiO 2, N 2 Adsorption and desorption isotherms (left plots) and pore size distributions (today plots). The specific surface area was calculated by the BET method and the pore diameter distribution was analyzed by the BJH method. The pore volume was measured from N 2 adsorption and desorption isotherms. All mesoporous TiO 2 samples were of type 1V N 2 Adsorption and desorption isotherms, which means that the mesoporous materials have a uniform pore structure.
Figure 4a shows the UV-vis spectrum, and Figure 4b shows the photolysis of visible light (385-740 nm) of methylene blue (MB). Here, (a) is MB alone, (b) is MB and anatase nanoparticles, and (c) is MB and mesoporous anatase.

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 with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

<재료><Material>

티타늄 이소프로폭사이드[>98%, Ti(OCH(CH3)2)4, TIP]를 Acros에서 구입하였다. Pluronic P123, 메틸렌블루(MB) 및 아나타제 나노분말 (<25 nm)을 알드리치에서 구입하였다. 순수 에탄올(absolute ethanol) 및 37 wt% HCl는Samchun에서 구입하였다.
Titanium isopropoxide [> 98%, Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4, TIP] was purchased from Acros. Pluronic P123, methylene blue (MB) and anatase nanopowder (<25 nm) were purchased from Aldrich. Absolute ethanol and 37 wt% HCl were purchased from Samchun.

<광촉매 실험><Photocatalyst Experiment>

메틸렌블루의 광촉매 분해반응은 385~740nm파장을 갖는 300 W 제논 램프(385nm 컷오프 필터 구비)를 사용하여 수행하였다. 실시예 및 비교예에서 제조된 각 촉매(0.1g)를 메틸렌 블루 용액(10mg/L)50 mL에 투여하였다. 조사전, 혼합 용액을 교반하면서 1시간 동안 암실에 두어, 흡착 및 탈착이 평형이 되게 하였다. 메틸렌 블루 용액의 흡수 최대값 변화를 660 nm에서 모니터하였다.
The photocatalytic decomposition of methylene blue was carried out using a 300 W xenon lamp (with a 385 nm cutoff filter) having a wavelength of 385 to 740 nm. Each catalyst (0.1 g) prepared in Examples and Comparative Examples was administered to 50 mL of methylene blue solution (10 mg / L). The crude solution was placed in a dark room for 1 hour with stirring, so that adsorption and desorption were equilibrated. The maximum absorption change of the methylene blue solution was monitored at 660 nm.

<기구 사용><Using the appliance>

Cu-Ka 방사선 (200 kV, 40 mA)을 이용하여, 시료들의 Small-angle X-ray (SAX) 및 wide angle X-ray (WAX) 회절패턴을 Rigaku D/MAX-2500/pc 회절계 상에서 기록하였다. N2 흡착 동온선은 BELSORP-max상에서 77 K에서 측정하였다. 측정 이전에, 시료들을 진공하 200 ℃에서 12시간동안 탈가스화시켰다. Brunauer-Emmett-Teller (BET)법을 이용하여 표면적을 계산하였다. 기공 크기 분포는 BJH법을 이용하여 산출하였다. TEM이미지들은 200 kV 에서 작동하는 JEOL 2011 현미경에서 기록하였다. 열중량 (TG) 분석은 TA 기구들(Thermal Analysis 2050)을 사용하여 공기 중 25 ~ 500 ℃에서 5 ℃ min-1 가열 속도로 수행하였다. 메틸렌 블루용액의 UV-vis흡수 스펙트럼은Shimadzu UV-3101PC 상에서 기록하였다.
Small-angle X-ray (SAX) and wide angle X-ray (WAX) diffraction patterns of samples were measured on a Rigaku D / MAX-2500 / pc diffraction system using Cu-K a radiation (200 kV, 40 mA) . N 2 adsorption isotherms were measured at 77 K on BELSORP-max. Prior to measurement, the samples were degassed under vacuum at 200 &lt; 0 &gt; C for 12 hours. Surface area was calculated using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. The pore size distribution was calculated using the BJH method. TEM images were recorded on a JEOL 2011 microscope operating at 200 kV. Thermogravimetric (TG) analysis was performed at 25-500 ° C in air using a TA instrument (Thermal Analysis 2050) at a heating rate of 5 ° C min -1 . The UV-vis absorption spectrum of the methylene blue solution was recorded on a Shimadzu UV-3101PC.

실시예Example 1 One

전형적인 합성법으로, Pluronic P123 (10g)를 에탄올(300 g)에 녹였다. DDW (3 mL), HCl(37 wt%, 0.1-30 g), 및 H2SO4(95 wt%, 0.1-20 mL)를 상기 에탄올 용액에 첨가하고, 40℃에서 3시간 동안 교반하였다. 티타늄 이소프로폭사이드(36 g)를 첨가하고, 혼합물을 격렬하게 10시간 동안 교반하였다. 상기 용액을 페트리디쉬로 옮기고, 페트리디쉬를 온도 및 흡도가 40 ℃및 40%로 조절된 챔버에 놓았다. 페트리디쉬 내 용매를 24시간에 걸쳐 증발시켰다. 모든 용매가 증발되었을 때, 남아있는 고형물을 12시간 동안 100℃에서 건조시켰다. TiO2고형물의 내부에 있는 폴리머 응집체들을 350℃에서 3시간동안 N2 하에서 탄화시켰다. 이를 물0.5 mL을 갖는 오토클레브(autoclave)에 놓고, 150 ℃로 예열된 오븐에 상기 오토클레브를 놓아, 메조동공 내 탄소응집체들을 갖는 메조동공 TiO2을 스팀처리하였다. 탄소응집체를 함유하는 메조동공 아나타제를 산소하 300℃에서 4시간동안 소결하여, 고도의 결정구조를 갖는 메조동공 아나타제를 제조하였다.
As a typical synthesis method, Pluronic P123 (10 g) was dissolved in ethanol (300 g). DDW (3 mL), HCl (37 wt%, 0.1-30 g), and H 2 SO 4 (95 wt%, 0.1-20 mL) were added to the ethanol solution and stirred at 40 ° C for 3 hours. Titanium isopropoxide (36 g) was added and the mixture stirred vigorously for 10 hours. The solution was transferred to a petri dish, and the petri dish was placed in a chamber whose temperature and humidity were adjusted to 40 ° C and 40%. The solvent in the petri dish was evaporated over 24 hours. When all the solvent had evaporated, the remaining solids were dried at 100 &lt; 0 &gt; C for 12 hours. The polymer aggregates inside the TiO 2 solids were carbonized at 350 ° C for 3 hours under N 2 . Place them in auto Cleve (autoclave) with 0.5 mL water, and release the auto Cleve in an oven preheated to 150 ℃, it was steamed for meso-pore carbon having a TiO 2 agglomerates meso pores. The mesoporous anatase containing carbon aggregates was sintered at 300 ° C under oxygen for 4 hours to prepare mesoporous anatase having a high crystal structure.

<고찰><Review>

본 발명에서는 Ti 공급원으로 티타늄 이소프록사이드, MPDA로 P123 (Pluronic P123), 산 공급원으로 무기산인 염산과 황산의 혼합물, 용매로 에탄올을 사용하였다. 최종 수득되는 메조동공 아나타제의 중량을 기준으로, 관례대로 사용되는 스케일은 12g이었다. EISA(evaporation-induced self-assembly)는 24시간 동안 40 ℃에서 수행하였다. EISA이후 TiO2의 small angle X-ray (SAX) 회절 패턴 (EISA-TiO2)은 두 개의 회절 피크 2θ = 0.70 및 0.95˚에서 나타났으며(각각 d = 12.6 및 9.3 nm임, 도 1a), 이는 메포동공의 형성을 의미한다. 그러나, wide angle X-ray (WAX) 회절 패턴은 피크가 없어서(도 1b), TiO2 호스트가 무정형임을 확인해준다. EISA-TiO2의 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지(도 1, c-e)를 통해서도 메조동공이나 무정형임을 확인하였다.In the present invention, titanium isopropoxide as a Ti source, P123 (Pluronic P123) as an MPDA, a mixture of hydrochloric acid and sulfuric acid as an inorganic acid source, and ethanol as a solvent were used. Based on the weight of the finally obtained mesoporous anatase, the scale used conventionally was 12 g. Evaporation-induced self-assembly (EISA) was performed at 40 ° C for 24 hours. Since EISA small angle X-ray (SAX) diffraction pattern (EISA-TiO 2) of TiO 2 was shown in the two diffraction peaks 2 θ = 0.70 and 0.95˚ (Lim, Fig. 1a, respectively 12.6 and d = 9.3 nm) , Which means the formation of a meadow dome. However, the wide angle X-ray (WAX) diffraction pattern does not have a peak (Fig. 1B), confirming that the TiO 2 host is amorphous. Transmission electron microscopy (TEM) images of EISA-TiO 2 (Fig. 1, ce) also confirmed mesoporous or amorphous.

350 ℃에서 3시간 동안 N2흐름 하에 탄화시킨 이후 메조동공 TiO2(CBN-TiO2로 지칭)은 SAX 회절 피크가 더 높은 각도로 이동하였다(2θ = 0.77˚, d = 11.0 nm, 도 1f). 그러나, WAX 회절은 여전히 피크가 나타나지 않았으며, 이는 TiO2호스트가 여전히 무정형이라는 것을 보여준다(도 1k). 이에 대응되는 TEM 이미지도 TiO2 호스트가 여전히 무정형이라는 것을 확인시켜주었다(도 1, h-J).At 350 ℃ for 3 hours, N 2 (referred to TiO 2-CBN) since the meso pore TiO 2 was carbonized under the flow was the SAX diffraction peak moves to higher angle (2 θ = 0.77˚, d = 11.0 nm, Fig. 1f ). However, the WAX diffraction still did not show a peak, indicating that the TiO 2 host is still amorphous (FIG. 1k). The corresponding TEM image also confirmed that the TiO 2 host is still amorphous (Fig. 1, hJ).

스팀 처리(150℃ 에서 5시간 동안) 이후, SAX 회절 피크가 더 높은 각도로 더 이동하였다(2θ= 0.84˚, d = 10.1 nm, 도 1k). 놀랍게도, WAX 회절 패턴에 결정성 아나타제의 특징적인 피크가 나타났다(도 1l). TEM 이미지(도 1, m-o)를 통해서도, 고도로 정렬된 메조동공의 존재 및 높은 배율에서 격자 프린지들(lattice fringes)을 확인할 수 있었다(도 1, n,o). 따라서, 150 ℃에서 짧은 시간(5h) 동안의 스팀 처리는 무정형 TiO2가 순수한 결정성 아나타제 나노결정들로의 변형을 유도할 뿐만 아니라, 이들의 상호연결을 유도하여 안정한 메조동공 아나타제를 형성시켰다.After steaming (at 150 ° C for 5 hours), the SAX diffraction peak shifted further at higher angles (2 ? = 0.84 占 d = 10.1 nm, Fig. 1k). Surprisingly, a characteristic peak of crystalline anatase appeared in the WAX diffraction pattern (FIG. 11). Through the TEM image (FIG. 1, mo), lattice fringes could be identified in the presence of highly aligned mesopores and at high magnification (FIG. 1, n, o). Thus, steam treatment at 150 ° C for a short time (5 h) not only induces deformation of amorphous TiO 2 into pure crystalline anatase nanocrystals, but also induces their interconnection to form stable mesoporous anatase.

카본-캡슐화한 결정성 메조동공 TiO2를 300 ℃에서 5시간 동안 산소 흐름하에 소성하여, 캡슐화된 탄소 응집체들을 제거한 이후, SAX 회절 패턴은 2개의 피크 d = 11.5 및 9.5 nm 를 나타냈고(도 1p), WAX 회절 피크 강도가 더욱 증가하였는데(도 1q), 이는 아나타제의 결정화도가 더욱 향상된 것을 나타낸다. 이에 해당하는 TEM 이미지들(도 1, r-t)에서도 더욱 생생한 아나타제 격자 프린지들이 나타났다.After calcining the carbon-encapsulated crystalline mesoporous TiO 2 at 300 ° C under oxygen flow for 5 hours to remove the encapsulated carbon agglomerates, the SAX diffraction pattern showed two peaks d = 11.5 and 9.5 nm (Fig. 1 p ), The WAX diffraction peak intensity was further increased (Fig. 1 (q)), indicating that the crystallinity of the anatase was further improved. In the corresponding TEM images (Fig. 1, rt), more vivid anatase lattice fringes appeared.

메조동공TiO2의 N2흡착 및 탈탁 등온선 역시 타입 IV 등온선을 나타내었고, 이는 TiO2종의 메조동공 속성을 확인하여 준다(도 3a). 메조동공 TiO2종의 기공 크기 분포(도 3b) 역시 평균 기공 크기가 5 ~ 6 nm인 것을 보여주었다. 그러나, 흥미롭게도, EISA-TiO2 및 CBN-TiO2의 기공 크기 형태는 2가지인 반면(EISA-TiO2와 CBN-TiO2는 두 가지 형태이고, 스팀처리된 TiO2는 3가지 형태임), 스팀처리된 TiO2의 기공 크기 형태는 1가지(unimodal)이었는데, 이는 스팀처리에 의해 균일한 형태(shape)와 크기의 잉크병 타입 기공들이 형성된 것을 의미한다. 그러나, C-제거 단계 이후, 메조동공 시스템은 3가지 형태로 되고, 이는 소성(calcinations)이 기공 시스템의 재배열을 야기시켜 더욱 안정된 구조들로 되게 하였다는 것을 의미한다. EISA-TiO2, CBN-TiO2, 스팀처리된 TiO2, 및 소성된 TiO2의 표면적은 각각 291, 216, 163, 및 151 m2 g-1로 높았다. 이에 대응되는 기공 크기는 각각 5.1, 5.4, 5.9, 및 6.5 nm이고, 기공 부피는 각각 0.37, 0.29, 0.25, 및 0.23 cm3 g-1이었다.The N 2 adsorption and desorption isotherms of the mesoporous TiO 2 also showed a Type IV isotherm, which confirmed the mesopore properties of the TiO 2 species (FIG. 3A). The pore size distribution of the mesoporous TiO 2 species (FIG. 3b) also showed an average pore size of 5 to 6 nm. Interestingly, however, EISA-TiO 2 and CBN-TiO 2 have two pore sizes (EISA-TiO 2 and CBN-TiO 2 are in two forms and steamed TiO 2 in three forms) , The pore size of the steamed TiO 2 was unimodal, meaning that ink-type pores of uniform shape and size were formed by steam treatment. However, after the C-removal step, the mesoporous system is of three types, meaning that calcinations have resulted in rearrangement of the pore system, resulting in more stable structures. The surface areas of EISA-TiO 2 , CBN-TiO 2 , steamed TiO 2 , and fired TiO 2 were as high as 291, 216, 163, and 151 m 2 g -1 , respectively. The corresponding pore sizes were 5.1, 5.4, 5.9, and 6.5 nm, respectively, and the pore volumes were 0.37, 0.29, 0.25, and 0.23 cm 3 g -1 , respectively.

소성된 메조동공 아나타제의 UV-vis 스펙트럼을 아나타제 나노입자들(25 nm) 및 루타일 마이크로 입자들과 비교하였다(도 4a). 도 4a의 삽입그림에 따르면 메조동공 아나타제는 430nm까지 연장되는 꼬리흡수부(tail absorption)를 가진 반면 아나타제 나노입자의 경우 오직 400nm까지만 연장되었다. The UV-vis spectra of the calcined mesoporous anatase were compared to anatase nanoparticles (25 nm) and rutile microparticles (Fig. 4A). 4A, meso-pore anatase has a tail absorption extending to 430 nm, while anatase nanoparticles only extend up to 400 nm.

광촉매에 의한 메틸렌블루(MB) 분해 테스트 결과, 메조동공 아나타제 광촉매에 의한 MB 분해가 아나타제 나노입자 광촉매에 의한 것보다 훨씬 빨랐다(도 4b).As a result of methylene blue (MB) decomposition test by photocatalyst, MB decomposition by mesoporous anatase photocatalyst was much faster than by anatase nanoparticle photocatalyst (FIG. 4B).

본 발명에 따른 방법은 매운 간단하고 저온 단계들만 필요하므로, 메조동공 아나타제의 생산은 매우 재현가능하고, 생산된 메조동공 아나타제의 물리적 특성은 배치(batch)에 상관없이 동일하다. 또한, 24g 스케일까지 2배로 크기를 늘려도 동일한 최종 수율(~100%)을 얻을 수 있었고, 생산된 메조동공의 물리적 특성들은 12g 스케일 배치의 경우와 동일하였다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 스케일을 키울 수 있는 방법이다.
Since the process according to the invention requires only spicy simple, low temperature steps, the production of mesoporous anatase is highly reproducible and the physical properties of the produced mesoporous anatase are the same regardless of the batch. In addition, the same final yield (~ 100%) was obtained even when the size was doubled to 24g scale, and the physical properties of the mesopores produced were the same as those of the 12g scale arrangement. Thus, the method according to the present invention is a method which can raise scale.

Claims (9)

금속산화물 공급원, 메조동공-유도제(mesopore-directing agent), 산 촉매 및 용매를 함유하는 전구체 용액을 준비하는 A 단계;
전구체 용액으로부터 용매를 증발시키는 단계로서, 메조동공-유도제 및 가수분해된 금속 공급원이 자가 조립을 겪으면서 메조동공-유도제에 의해 금속산화물에 메조동공이 형성되고, 상기 메조동공에 메조동공-유도제가 충진 및 응집된 금속산화물 구조물을 형성하는 B 단계;
상기 메조동공에 충진된 메조동공-유도제를 탄화시키는 C 단계;
C 단계의 탄화 온도 보다 낮은 온도에서 스팀 처리하여, 메조동공 구조를 유지하면서 금속산화물 나노입자들이 융합된 다결정 형태(polycrystallineform)로 상호연결(interconnection)시키는 D 단계; 및
메조동공 내 탄화된 응집체들을 제거하는 E 단계를 포함하는, 메조동공 금속산화물 결정 입자들이 상호연결된 구조물을 제조하는 방법.
A preparation of a precursor solution containing a metal oxide source, a mesopore-directing agent, an acid catalyst and a solvent;
Wherein the mesoporous-inducing agent and the hydrolyzed metal source undergo self-assembly to form a mesopore in the metal oxide by the mesoporous-inducing agent, and wherein the mesoporous-inducer B) forming a filled and agglomerated metal oxide structure;
A step C for carbonizing the mesopore-inducing agent filled in the mesopore;
A step D for intermingling the metal oxide nanoparticles into a fused polycrystalline form while maintaining the mesopore structure by steam treatment at a temperature lower than the carbonization temperature of the C stage; And
And E step of removing carbonated aggregates in the mesoporous pores.
제1항에 있어서, 금속 산화물은 TiO2이고, 메조동공 금속산화물 결정 입자들은 아나타제(anatase)인 것이 특징인 제조방법.The method according to claim 1, wherein the metal oxide is TiO 2 and the mesoporous metal oxide crystal grains are anatase. 제1항에 있어서, 전구체 용액 내 메조동공-유도제의 농도 범위는 0.01몰 내지 1몰인 것이 특징인 제조방법.The process according to claim 1, wherein the concentration range of the mesoporous-inducing agent in the precursor solution is from 0.01 mol to 1 mol. 제1항에 있어서, 메조동공-유도제는 계면활성제인 것이 특징인 제조방법.The method according to claim 1, wherein the mesoporous-inducing agent is a surfactant. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 것으로, 메조동공 금속산화물 결정 입자들이 상호연결된 구조물.A structure produced by the method according to any one of claims 1 to 4, wherein the mesoporous metal oxide crystal grains are interconnected. 결정성 금속 산화물 입자들이 상호결합(interconnection)되어 있는 금속 산화물 구조물을 제조 방법에 있어서,
무정형 금속 산화물에 스팀을 처리하여, 상기 금속 산화물을 결정화 및 동시에 금속 산화물 결정입자들을 상호결합(interconnection)시키는 단계를 포함하는 것이 특징인 금속 산화물 구조물의 제조 방법.
A method for producing a metal oxide structure in which crystalline metal oxide particles are interconnection,
Treating the amorphous metal oxide with steam to crystallize the metal oxide and at the same time interconnection the metal oxide crystal grains.
제6항에 있어서, 스팀 처리는 산 촉매하에 수행되는 것이 특징인 방법.7. The process of claim 6, wherein the steaming treatment is carried out under an acid catalyst. 제6항에 있어서, 스팀 처리시 온도는 40 ~ 400℃인 것이 특징인 방법.The method according to claim 6, wherein the steam treatment temperature is 40 to 400 ° C. 제6항에 의해서, 상기 금속 산화물 구조물은 메조동공인 것이 특징인 방법.
7. The method of claim 6, wherein the metal oxide structure is a mesopore.
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