KR20150118619A - 다공성 금속-유기 골격체의 제조방법 및 이에 따른 금속 유기 골격체 - Google Patents

다공성 금속-유기 골격체의 제조방법 및 이에 따른 금속 유기 골격체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부분 가수분해를 이용하여 새로운 메조 기공을 도입한 금속-유기 골격체의 제조방법 및 이에 따른 금속-유기 골격체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속-유기 골격체는 부분 가수분해를 이용하여 메조 기공을 도입함으로써, 결정구조, 비표면적, 및 기공 크기를 제어할 수 있고, 천연 가스 등의 게스트 분자를 저장하는 다양한 분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.

Description

다공성 금속-유기 골격체의 제조방법 및 이에 따른 금속 유기 골격체{Method for preparing a porousmetal-organic framework and metal-organic framework prepared by the same}
본 발명은 부분 가수분해를 이용하여 새로운 메조 기공을 도입한 금속-유기 골격체의 제조방법 및 이에 따른 금속-유기 골격체에 관한 것이다.
금속-유기골격체(Metal-organic framework, MOF)는 금속 이온 또는 클러스터와 유기 리간드(organic ligand)가 배위결합에 의해 연결되어 3차원적인 구조를 형성하는 다공성 물질이다. 기본적으로 MOF는매우 표면적이 넓을 뿐만 아니라 열려 있는 기공 구조를 가지고 있기 때문에 기존에 알려진 다른 다공성 물질에 비해 대량의 분자 또는 용매 등의 이동이 가능하다. 또한 넓은 표면적을 가지는 물질로 대표되는 MOF가 가지는 뛰어난 가치 중 하나는 형성된 중심금속-유기리간드의 틀이나 성분을 바꿀 수 있을 뿐 아니라, 기공의 크기(부피)를 조절 할 수 있다는 점이다. 이것은 촉매나 가스 저장체로 사용될 경우 활성자리(active site)가 많아 효율의 극대화를 가져 올 수 있다는 장점이 있다. 따라서 MOF는 기체저장 및 촉매응용 분야에서 매우 중요시 되고 있으며 특히 이산화탄소, 수소, 메탄 등의 가스 저장에서 뛰어난 촉매특성을 보인다고 보고되고 있다.
금속-유기골격체는 단일 금속 및 유기 리간드로 이루어진 골격체뿐 아니라, 혼합-요소(Mixed-Component)로 이루어진 골격체로 제조될 수 있다. 이러한 혼합-요소 골격체는 (1) 혼합-리간드로 이루어진 구조, (2) 혼합-금속으로 이루어진 구조, (3) 코어-쉘(core-shell)구조, 및 (4)골격체의 표면을 개질한 형태의 구조의 네 가지 구조가 가능하며, 기공 크기 조절이나 다양한 기능기를 동시에 도입할 수 있는 장점을 갖는다.
메조 기공을 갖는 골격체는, 비표면적이 커 다양한 분야에 응용될 수있다. 일 예로, 천연 가스 등의 게스트 분자를 보다 안전하고 다량으로 저장할 수 있는 저장체로 적용될 수 있으며, 수퍼커패시터 및 수퍼커패시터의 한 종류인 전기 이중층 커패시터와 이차전지의 전극, 촉매의 담지체, 수처리의 흡착제, 또는 천연 가스의 저장체로 다양한 응용이 가능하다. 일반적으로 메조 기공을 갖는 골격체를 제조하기 위해서, 리간드는 페닐 또는 폴리 페닐 구조를 기반으로 하고, 작용기와 배위결합 자리가 적은 견고한 구조가 요구된다. 또한, 말단에는 카르복실산을 갖는 리간드가 금속과 강한 결합을 하는데 유리하다. 따라서, 단순히 리간드의 길이를 길게 해서 동일한 구조를 갖는 물질을 제조하면 기공 크기를 크게 할 수 있다. 그러나, 이 경우에 새로운 리간드를 제조해야 하는 문제점이 있으며, 구조의 안정성에 의해 서로 다른 골격이 서로 꼬여 있는 상호 침투 형태의 구조가 생성되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 종래의 문제점을 해결하고, 새로운 방식으로 메조 기공을 도입한금속-유기 골격체에 대한 개발의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
KR 10-2011-0085497
본 발명자들은 금속-유기 골격체에 대해 탐색하던 중, 부분 가수분해를 이용하여 결정구조, 비표면적, 및 기공크기를 제어할 수 있는 메조 기공을 도입한 금속-유기 골격체를 제조할 수 있고, 이를 천연 가스 등의 게스트 분자를 저장하는 다양한 분야에 적용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 부분 가수분해를 이용하여 새로운 메조 기공을 도입한 금속-유기 골격체를 제조하는 방법 및 이의 제조방법에 의하여 제조된 금속-유기 골격체를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은
(1) 1종 이상의 금속이온 및 방향족 디올 화합물에 용매를 가하는 단계;
(2) 상기 혼합용액을 80 내지 120℃에서 가열하는 단계; 및
(3) 상기 가열산물을 산 또는 염기하에서 가수분해하는 단계;를 포함하는, 금속-유기 골격체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 금속-유기 골격체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 금속-유기 골격체를 포함하는 기체 센서용 장치, 기체 저장체, 및 기체 분리 장치로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 기체장치를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은
(1) 1종 이상의 금속이온 및 방향족 디올 화합물에 용매를 가하는 단계;
(2) 상기 혼합용액을 80 내지 120℃에서 가열하는 단계; 및
(3) 상기 가열산물을 산 또는 염기하에서 가수분해하는 단계;를 포함하는, 금속-유기 골격체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 언급되는 "금속-유기 골격체(metal-organic framework)"는 금속에 유기 리간드가 공유 및 배위 결합되어 있으며, 소정 크기의 기공(pore)이 형성되어 있는 구조체를 의미한다.
상기 (1)단계는 1종 이상의 금속이온 및 방향족 디올 화합물을 용매에 용해시켜 혼합용액을 제조하는 방법으로 수행할 수 있다.
상기 1종 이상의 금속이온은 Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Mn, Ca, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, Zn, Ni, Co, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
상기 금속이온은 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 2종 이상의 금속이온일 수 있다. 서로 가수분해 양상이 다른 1종 이상의 금속으로 이루어진 골격체를 제조한 후, 상대적으로 가수분해에 약한 금속으로 이루어진 골격체를 녹여내어 메조 기공을 도입할 수 있다.
상기 금속이온이 2종인 경우, 상기 가수분해에 상대적으로 약한 금속이온에 대한 가수분해에 강한 금속이온의 몰 비율은 1:0.1 내지 1:5.0일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, Zn에 대한 Ni의 몰 비율은 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 또는 4.0인 것이 바람직하다. 서로 가수분해 양상이 다른 1종 이상의 금속으로 이루어진 골격체를 제조한 후, 가수분해에 상대적으로 약한 금속으로 이루어진 골격체를 녹여내어 메조 기공을 도입할 수 있다. 본 발명에서는 상기 금속의 염기성 수용액에서의 가수분해에 대한 안정성은 Ni > Mg > Co > Zn 순인 것으로 확인되었다. 또한, Ni 금속의 비율이 높은 Ni1.49Zn0.51dhBDC, Ni1.54Zn0.46dhBDC 화합물은 마이크로 크기 및 메조 크기의 기공을 동시에 가지는 것으로 확인되었다.
상기 방향족 디올 화합물은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 화합물이면 제한 없이 사용할 수 있다. 일 예로, 상기 방향족 디올 화합물은 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산, 하이드로퀴논, 비스페놀A, 바이페놀, 1,5-디하이드록시나프탈렌, 2,6-디하이드록시나프탈렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산인 것이 더욱 바람직하다.
상기 용매는 디메틸폼아마이드(DMF), 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 아세토니트릴, 메틸렌클로라이드, 클로로폼, 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 테트라히드로퓨란(THF), 물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 디메틸폼아마이드(DMF), 이소프로필알코올, 에탄올, 테트라히드로퓨란(THF), 물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
상기 (2)단계는 혼합된 금속이온과 방향족 디올 화합물을 반응시키기 위해 밀봉 하에서 온도를 조절하여 12 내지 36 시간 동안 반응을 수행한다. 이때 금속이온과 방향족 디올 화합물의 반응으로 인해 복합체인 금속-유기 방향족 리간드의 구조체가 형성되며, 시간이 증가함에 따라 복합체의 성장이 일어난다. 상기밀봉은 공기중에 수분이나 산화성 가스등이 반응물인 금속이온과 반응하는 것을 억제하기 위해 이용되었다.
상기 (3)단계는 금속-유기 골격체를 산성 또는 염기성 수용액에서 가수분해하여 메조 기공을 도입하는 단계로, 금속-유기 골격체의 기공의 크기, 비표면적 및 결정상을 조절한다.
상기 산은 무기산 또는 유기산일 수 있으며, 이때, 무기산은 염산, 질산, 황산, 과염소산, 아세트산 및 붕산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 유기산은 부티르산, 팔미트산, 옥살산, 타르타르산, 아스코르빅산, 요산 및 술폰산으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 염기는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 제1인산나트륨(Na2HPO4), 암모니아수(NH4OH) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하고, 수산화리튬(LiOH)인 것이 더욱 바람직하다.
상기 염기의 농도는 0.01 ~ 10 M 농도인 것이 바람직하고, 본 발명의 일 실시예에 따라, Zn-MOF-74에 대해서는 0.01 ~ 0.05M, Ni-MOF-74에 대해서는 3~6M. Co-MOF-74에 대해서는 0.1~0.3M, 및 Mg-MOF-74에 대해서는 0.1~0.5M인 것이 더욱 바람직하다.
상기 가수분해는 1 내지 25시간 동안 수행되는 것이 바람직하고, 단일 금속-유기 골격체에 대해서는 1 내지 3시간 동안 수행하고, 2종의 금속이온-유기 골격체에 대해서는 22 내지 26시간 동안 수행되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 금속-유기 골격체를 제공한다.
상기 금속-유기 골격체는 평균 기공 크기가 0.4 내지 0.6cm3/g 이고, 평균 BET 표면적이 1100 내지 1400 m2/g인 금속-유기 골격체인 것이 바람직하다. 상기 금속-유기 골격체는 큰 기공 크기 및 BET 표면적으로 인해 천연 가스 등의 게스트 분자를 저장하는 다양한 분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 금속-유기 골격체를 포함하는 기체 센서용 장치, 기체 저장체, 및 기체 분리 장치로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 기체장치를 제공한다. 상기와 같이, 메조 기공이 도입된 금속-유기 골격체는, 비표면적이 커 다양한 분야에 응용될 수있다. 일 예로, 천연 가스 등의 게스트 분자를 보다 안전하고 다량으로 저장할 수 있는 저장체로 적용될 수 있으며, 수퍼커패시터 및 수퍼커패시터의 한 종류인 전기 이중층 커패시터와 이차전지의 전극, 촉매의 담지체, 수처리의 흡착제, 또는 천연 가스의 저장체로 다양한 응용이 가능하다.
본 발명에 따른 금속-유기 골격체는 부분 가수분해를 이용하여 메조 기공을 도입함으로써, 결정구조, 비표면적, 및 기공 크기를 제어할 수 있고, 천연 가스 등의 게스트 분자를 저장하는 다양한 분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 부분 가수분해를 이용하여 메조 기공을 도입한 금속-유기 골격체를 나타내는 도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 (a) Zn-MOF-74, (b)Co-MOF-74, (c)Ni-MOF-74, 및 (d)Mg-MOF-74의 PXRD 패턴과 시뮬레이션 패턴을 나타낸 도이다.
도 3는 실시예 2에 따라 제조된 Zn/Ni-MOF-74의 PXRD패턴과 시뮬레이션 패턴을 나타낸 도이다.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 (a) Ni0.50Zn1.50dhBDC의 조성을 갖는 금속-유기 골격체의 SEM 이미지,골격체 내 (b) Zn,및 (c) Ni의 EDS 맵핑 이미지를 나타내는 도이다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 Zn/Ni-MOF-74의 질소 흡착 곡선을 나타내는 도이다.
도 6은 각각 (a) Zn-MOF-74를 0.01M, 0.02M, 및 0.03M 수산화리튬 수용액으로 처리하고, (b) Co-MOF-74를 0.1M, 및 0.2M 수산화리튬 수용액으로 처리하고, (c) Ni-MOF-74를 4.0M, 및 5.1M 수산화리튬 수용액에 처리하고, (d) Mg-MOF-74를 0.1M, 0.2M, 0.3M, 0.4M, 및 0.5M 수산화리튬 수용액에 처리한 후의, PXRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 7은 각각 (a) Zn-MOF-74를 0.01M, 0.02M, 및 0.03M 수산화리튬 수용액으로 처리하고, (b) Co-MOF-74를 0.1M, 및 0.2M 수산화리튬 수용액으로 처리하고, (c) Ni-MOF-74를 4.0M, 및 5.1M 수산화리튬 수용액에 처리하고, (d) Mg-MOF-74를 0.1M, 0.2M, 0.3M, 0.4M, 및 0.5M 수산화리튬 수용액에 처리한 후의, 질소 흡착 곡선을 나타낸 도이다.
도 8은 실시예 2에 따라 제조된 Zn/Ni-MOF-74을 0.1M 수산화리튬 수용액으로 처리한 후의PXRD 패턴과 시뮬레이션 패턴을 나타낸 도이다.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된 Zn/Ni-MOF-74을 0.1M 수산화리튬 수용액으로 처리한 후의 (a) 질소 흡착 곡선, 및 (b) 기공 크기 분포(BJH)를 나타낸 도이다.
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 Ni0.50Zn1.50dhBDC의 조성을 갖는 금속-유기 골격체를 0.01M~0.5M 수산화리튬 수용액으로 처리한 후의PXRD 패턴을 나타낸 도이다.
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 Ni0.50Zn1.50dhBDC의 조성을 갖는 금속-유기 골격체를 0.01M~0.5M 수산화리튬 수용액으로 처리한 후의(a) 질소 흡착 곡선, 및(b) 기공 크기 분포(BJH)를 나타낸 도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 금속-유기 골격체(M-MOF)의 제조 (M=Zn, Ni, Co, Mg)
실시예 1-1.Zn-MOF-74의 제조
0.6g 의 Zn(NO3)2·6H2O 및 0.19g의 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산을 20ml 디메틸폼아마이드, 1ml 이소프로필알코올, 및 1ml 물에 용해한 후, 상기 혼합 용액을 밀봉하여 105℃에서 하루 동안 가열함으로써 Zn-MOF-74를 제조하였다.
실시예 1-2. Ni-MOF-74의 제조
0.167g의 Ni(CH3COO)2·4H2O 및 0.067g의 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산을 4.5ml 테트라히드로퓨란 및 4.5ml 물에 용해한 후, 상기 혼합 용액을 밀봉하여 105℃에서 하루 동안 가열함으로써 Ni-MOF-74를 제조하였다.
실시예 1-3. Co-MOF-74의 제조
0.075g의 Co(NO3)2·6H2O 및 0.022g의 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산을 8.8ml 디메틸폼아마이드, 0.6ml 에탄올 및 0.6ml 물에 용해한 후, 상기 혼합 용액을 밀봉하여 105℃에서 하루 동안 가열함으로써 Co-MOF-74를 제조하였다.
실시예 1-4. Mg-MOF-74의 제조
0.095g의 Mg(NO3)2·6H2O 및 0.022g의 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산을 8.8ml 디메틸폼아마이드, 0.6ml 에탄올 및 0.6ml 물에 용해한 후, 상기 혼합 용액을 밀봉하여 105℃에서 하루 동안 가열함으로써 Mg-MOF-74를 제조하였다.
실시예 2. Zn/Ni-MOF-74의 제조
0.72mmol의 금속 원(source) 및 0.24mmol의 5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산을 9.5ml 디메틸폼아마이드 및 0.5ml 물에 용해한 후, 상기 혼합 용액을 밀봉하여 105℃에서 하루 동안 가열함으로써 Zn/Ni-MOF-74를 제조하였다. 여기서, 금속 원(source)은 Zn(NO3)2·6H2O 및 Ni(NO3)2·6H2O을 사용하였고, Ni/Zn의 몰비율은 0.5eq, 1.0eq, 1.5eq, 2.0eq, 2.5eq, 3.0eq, 3.5eq, 및 4.0eq로 조절하였다.
실시예 3. 금속-유기 골격체(M-MOF)의가수분해(M=Zn, Ni, Co, Mg)
실시예 1에서 제조한 각각의 250mg 의 금속-유기 골격체(M=Zn, Ni, Co, 및 Mg)를 90ml 수산화리튬 수용액에 1시간 동안 담근 후, X-선 회절 분석기 및 가스흡착 기기를 이용하여 결정성 및 다공성 변화를 측정하였다(도 1 참조). 또한, 수산화리튬 수용액의 농도에 따른 변화를 확인하였다. 여기서, (1) Zn-MOF-74는 0.01M, 0.02M 및 0.03M, (2) Ni-MOF-74는 4M 및 5.1M. (3) Co-MOF-74는 0.1M 및 0.2M,(4) Mg-MOF-74는 0.1M, 0.2M, 0.3M, 0.4M 및 0.5M의 수산화리튬 수용액을 이용하였다.
실시예 4. Zn/Ni-MOF-74의 가수분해
실시예 2에서 제조한 각 조성에 따른 400mg의Zn/Ni-MOF-74를 30ml의 0.1M 수산화리튬 수용액에 24시간 동안 담근 후, X-선 회절 분석기 및 가스흡착 기기를 이용하여 결정성 및 다공성 변화를 측정하였다. 또한, 조성이 Ni0.67Zn1.33dhBDC인 화합물을 30ml의 0.01M, 0.05M, 0.1M, 0.2M, 0.3M, 0.4M 및 0.5M 수산화리튬 수용액에서 24시간 동안 담근 후, 상기와 같이 결정성 및 다공성 변화를 측정하였다.
실험예 1. 금속-유기 골격체(M-MOF)의결정성 측정
실시예 1에서 제조한 각각의 금속-유기 골격체(M=Zn, Ni, Co, 및 Mg) 및 실시예 2에서 제조한 400mg의 Zn/Ni-MOF-74에 대한 결정성을 X-선 회절 분석기를 이용하여 측정한 후, 시뮬레이션 결과와 함께 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 각각의 금속-유기 골격체((a) Zn, (b) Co, (c) Ni, (d) Mg) 및 도 3에 나타난 바와 같이, Zn/Ni-MOF-74 (Ni/Zn의 몰 비율은 (a) 0.5eq, (b) 1.0eq, (c) 1.5eq, (d) 2.0eq, (e) 2.5eq, (f) 3.0eq, (g) 3.5eq, (h) 4.0eq)에 대한 PXRD 측정 결과는 시뮬레이션 패턴과 동일한 위치에서 결정성 피크를 나타내어, 상기 시료 모두가 결정성을 갖는 순수 물질임을 확인할 수 있다.
실험예 2. Zn/Ni-MOF-74의금속 조성 및 분포 분석
실시예 2에서 제조한 Zn/Ni-MOF-74에 대한 금속조성을 유도결합플라즈마 원자방출분광기(ICP-AES)를 이용하여 분석하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, Zn/Ni-MOF-74에 대한 금속 분포를 에너지분산형 분광분석법(EDS)를 이용하여 분석하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 분석하기 전에 모든 시료는 180℃ 및 진동 하에서 18시간 동안 유지하여 용매를 모두 제거하였다.
ICP-AES 분석 결과, 제조시에 사용한 Ni/Zn의 몰비율 증가에 따라 금속의 비율이 서로 다름을 하기와 같이 확인하였다.(Ni/Zn의 몰 비율 (a) 0.5eq, (b) 1.0 eq, (c) 1.5 eq, (d) 2.0 eq, (e) 2.5 eq, (f) 3.0 eq, (g) 3.5 eq, (h) 4.0 eq)에 대해, (a)Ni0.50Zn1.50dhBDC, (b) Ni0.67Zn1.33dhBDC,(c) Ni0.98Zn1.02dhBDC, (d) Ni0.81Zn1.19dhBDC, (e) Ni1.19Zn0.81dhBDC, (f) Ni1.45Zn0.55dhBDC, (g) Ni1.49Zn0.51dhBDC, (h) Ni1.54Zn0.46dhBDC)
화합물 Ni (ppm) Zn (ppm) Ni/Zn(몰비) 화학조성
a 97224.32 322309.36 0.33 Ni0.50Zn1.50dhBDC
b 126438.37 277790.78 0.51 Ni0.67Zn1.33dhBDC
c 177345.31 206183.38 0.95 Ni0.98Zn1.02dhBDC
d 144643.02 238475.64 0.68 Ni0.81Zn1.19dhBDC
e 226075.41 171022.82 1.47 Ni1.19Zn0.81dhBDC
f 312661.89 132331.13 2.63 Ni1.45Zn0.55dhBDC
g 311056.18 117132.35 2.96 Ni1.49Zn0.51dhBDC
h 328703.35 109663.31 3.34 Ni1.54Zn0.46dhBDC
도 4에 나타난 바와 같이, EDS 맵핑은 모든 시료에서 Zn 및 Ni 금속이 골격체 내부에 고르게 분포되어 있는 것을 확인하였다.
상기 결과로부터, 실시예 2에서 제조한 Zn/Ni-MOF-74는 Zn 및 Ni 의 혼합 금속으로 이루어진 금속-유기 골격체임을 확인하였다.
실험예 3. Zn-MOF-74, Ni-MOF-74 및 Zn/Ni-MOF-74의 가스 흡착 특성 분석
실시예 2에서 제조한 Ni/Zn의 몰 비율 증가에 따른 Zn/Ni-MOF-74의 질소 흡착 실험을 77K, 1기압에서 수행하여 도 5에 나타내었고, Zn/Ni-MOF-74의 표면적 (BET, Langmuir) 및 기공 크기를 표 2에 나타내었다. 대조군으로는 실시예 1에서 제조한 Zn-MOF-74 및 Ni-MOF-74를 사용하였다. 분석하기 전에 모든 시료는 180℃ 및 진동 하에서 18시간 동안 유지하여 용매를 모두 제거하였다.
시료 Langmuir(m2/g) BET(m2/g) Vtotal(cm3/g)
Zn-MOF-74 1225 1117 0.43
Ni-MOF-74 1458 1366 0.51
a 1500 1380 0.54
b 1332 1200 0.50
c 1400 1260 0.51
d 1318 1230 0.49
e 1319 1227 0.48
f 1375 1282 0.51
g 1460 1382 0.54
h 1520 1390 0.55
실험예 4. 금속-유기 골격체(M-MOF)의 가수분해(M=Zn, Ni, Co, Mg) 후, 결정성 및 가스 흡착 특성 분석
실시예 3에 따른 금속-유기 골격체(M=Zn, Ni, Co, 및 Mg)의 가수분해 후, 결정성 변화를 X-선 회절 분석기를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 모든 시료는 수산화리튬의 농도가 증가할수록 결정성 피크들이 점차 사라지고, 비결정성 물질로 변하였다. Zn-MOF-74는 0.02M, Co-MOF-74는 0.2M 및 Mg-MOF-74는 0.4M 농도 이상에서 결정성 피크들이 사라졌으나, Ni-MOF-74는 5.1M 농도로 처리한 후에도 결정성 피크들이 유지되는 것이 관찰되었다.
상기 결과로부터, 금속에 따른 염기조건에서의 안정성은 Ni > Mg > Co > Zn 임을 알 수 있다.
실시예 3에 따른 금속-유기 골격체(M=Zn, Ni, Co, 및 Mg)의 가수분해 후, 질소 흡착 실험을 77K, 1기압에서 수행하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다,
도 7에 나타난 바와 같이, 모든 시료들의 질소 흡착량은 수산화리튬의 농도가 증가할수록 감소하는 양상을 보였다. 또한, Co-MOF-74의 경우, 질소 흡착량 감소와 함께 상대 압력(P/P0) 0.5이상에서 히스테리시스 흡착 커브를 나타내었다.
실험예 5. Zn/Ni-MOF-74의 가수분해 후, 결정성 및 가스 흡착 특성 분석
실시예 4에 따른 Zn/Ni-MOF-74의 가수분해 후, 결정성 변화를 X-선 회절 분석기를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타난 바와 같이, 각 조성에 따른 Zn/Ni-MOF-74는 0.1M 수산화리튬 수용액에서 24시간 동안 처리한 후, 결정성 피크들이 대부분 사라지고, 비결정성 물질로 변하였다. 그러나, Ni 금속의 비율이 높은 Ni1.49Zn0.51dhBDC, Ni1.54Zn0.46dhBDC 화합물에서는 결정성 피크들이 그대로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
상기 결과로부터, Ni 조성이 높을수록 초기 결정 구조가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4에 따른 Zn/Ni-MOF-74의 가수분해 후, 질소 흡착 실험을 77K, 1기압에서 수행하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다,
도 9에 나타난 바와 같이, 각 조성에 따른 모든 Zn/Ni-MOF-74의 질소 흡착 곡선에서 히스테리시스가 나타났으며, BET 표면적은 수산화리튬 처리 전에 비해 낮아졌다. 또한, 기공 크기 분석 결과, 3.71nm의 새로운 메조 기공이 각 조성에 따른 모든 Zn/Ni-MOF-74에서 나타났다. 또한, Ni 금속의 비율이 높은 Ni1.49Zn0.51dhBDC, Ni1.54Zn0.46dhBDC 화합물은 마이크로 크기 및 메조 크기의 기공을 동시에 가지는 것을 확인하였다.
실시예 4에 따른 조성이 Ni0.67Zn1.33dhBDC인 화합물을 0.01M, 0.05M, 0.1M, 0.2M, 0.3M, 0.4M, 0.5M 수산화리튬 수용액으로 처리한 후, 결정성 변화를 X-선 회절 분석기를 이용하여 측정하고, 질소 흡착 실험을 77K, 1기압에서 수행하여, 그 결과를 각각 도 10 및 도 11에 나타내었다.
도 10에 나타난 바와 같이, X-선 회절 분석 결과, 0.01M 수산화리튬으로 24시간 동안 처리한 화합물은 결정성 피크가 나타났으나, 0.05M 수산화리튬으로 처리한 화합물은 작은 결정성 피크가 나타났고, 0.1M 이상의 농도에서 처리한 화합물에서는 결정성 피크가 나타나지 않고, 비결정성 구조로 변한 것을 확인 할 수 있었다.
도 11에 나타난 바와 같이, 질소 흡착 실험 결과, 0.01M 수산화리튬으로 처리한 화합물은 처리전 화합물과 유사한 표면적을 나타냈으나, 0.05M 이상의 농도에서 처리한 화합물에서는 BET 표면적이 약 50% 감소하였고, 상대압력 0.5 이상에서 히스테리시스를 보였으며, 3.71nm의 메조 기공을 나타내었다.

Claims (11)

  1. (1) 1종 이상의 금속이온 및 방향족 디올 화합물에 용매를 가하는 단계;
    (2) 상기 혼합용액을 80 내지 120℃에서 가열하는 단계; 및
    (3) 상기 가열산물을 산 또는 염기하에서 가수분해하는 단계;를 포함하는, 금속-유기 골격체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 1종 이상의 금속이온은 Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Mn, Ca, Mg 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 다공성 조절된 금속-유기 골격체의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속이온이 2종인 경우, 상기 가수분해에 상대적으로 약한 금속이온에 대한 가수분해에 강한 금속이온의 몰 비율은 1:0.1 내지 1:5.0인 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 방향족 디올 화합물은 2,5-디하이드록시벤젠-1,4-다이카복실산, 하이드로퀴논, 비스페놀A, 바이페놀, 1,5-디하이드록시나프탈렌, 2,6-디하이드록시나프탈렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체의 제조방법
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 용매는 디메틸폼아마이드(DMF), 이소프로필알코올, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 아세토니트릴, 메틸렌클로라이드, 클로로폼, 톨루엔, 벤젠,아세톤, 테트라히드로퓨란(THF), 물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체의 제조방법
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 염기는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 제1인산나트륨(Na2HPO4),암모니아수(NH4OH) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 염기의 농도는 0.01 ~ 10 M 농도인 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 3)단계에서 가수분해는 1 내지 25시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 금속-유기 골격체의 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된, 금속-유기 골격체.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 금속-유기 골격체는 기공의평균 부피가 0.4 내지 0.6cm3/g이고, 평균 BET 표면적이 1100 내지 1400 ㎡/g인 금속-유기 골격체.
  11. 제 9항의 금속-유기 골격체를 포함하는 기체 센서용 장치, 기체 저장체, 및 기체 분리 장치로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 기체 장치.
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