KR20230026964A - Polymer/amine-grafted metal-organic framework based carbon dioxide adsorbents - Google Patents

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KR20230026964A
KR20230026964A KR1020220102790A KR20220102790A KR20230026964A KR 20230026964 A KR20230026964 A KR 20230026964A KR 1020220102790 A KR1020220102790 A KR 1020220102790A KR 20220102790 A KR20220102790 A KR 20220102790A KR 20230026964 A KR20230026964 A KR 20230026964A
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홍창섭
채윤석
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent, which contains: a metal-organic framework in which amine is introduced at an open metal site; and a hydrophobic polymer binder coated on the surface of the metal-organic framework. According to the present invention, the hydrophobic polymer binder is introduced into the amine-functionalized metal-organic framework for the hydrophobic polymer to cover the surface of the metal-organic framework, which blocks the access of moisture, and as a result, it is possible to provide the carbon dioxide adsorbent, capable of exhibiting excellent adsorption performance by maintaining structural stability under moisture conditions.

Description

고분자/아민이 접목된 금속-유기골격체 기반 이산화탄소 흡착제{Polymer/amine-grafted metal-organic framework based carbon dioxide adsorbents}Polymer/amine-grafted metal-organic framework based carbon dioxide adsorbents}

본 발명은 고분자/아민이 접목된 금속-유기골격체 기반 이산화탄소 흡착제에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon dioxide adsorbent based on a metal-organic framework grafted with a polymer/amine.

실내 공기에는 다양한 기체가 존재한다. 그 중 이산화탄소는 인체에 미치는 영향이 크기 때문에 실내공기의 오염 지표로 사용되고 있다. 예를 들어, 실내 공기 중 이산화탄소 농도가 높아질수록 졸림을 느끼는 등 컨디션이 악화되거나, 어깨결림, 두통, 현기증과 같은 증상이 발생할 수도 있다. 또한, 이산화탄소가 농도가 높아질수록 수면 중 움직임이 많아져 수면의 질이 전반적으로 낮아지는 연구결과가 나타나고 있다. 이러한 이유로 한국, 일본, 미국을 비롯한 여러 국가들에서는 실내 이산화탄소의 농도 권고 기준을 1000ppm 이하로 두고 있다. There are various gases in indoor air. Among them, carbon dioxide is used as an indicator of indoor air pollution because it has a great effect on the human body. For example, as the concentration of carbon dioxide in indoor air increases, physical condition may worsen, such as feeling drowsy, or symptoms such as stiff shoulders, headaches, and dizziness may occur. In addition, studies have shown that the higher the concentration of carbon dioxide, the more movement during sleep, and the overall lowering of the quality of sleep. For this reason, many countries, including Korea, Japan, and the United States, set the recommended indoor carbon dioxide concentration standard at 1000 ppm or less.

실외 대기 중 이산화탄소 농도는 400ppm 정도로 유지되는 반면, 밀폐된 실내의 이산화탄소의 농도는 실외 먼지 등으로 인해 자주 환기를 하지 못하면 급격하게 증가할 수 있는데, 예를 들어 10평 거실 4인 재실 기준 1시간 경과시 이산화탄소 농도는 2000ppm을 돌파하게 되며, 개인 차량 및 고속버스 등 좁은 공간에서의 농도는 더욱 급격하게 변화할 수 있다. 또한, 서울 시내 전역 아파트 10가구의 거실에서의 측정 결과, 이산화탄소의 농도가 수면, 조리, 환기 시간에 관계없이 600 ~ 1200ppm의 농도 분포를 나타내었고, 최대 1600ppm 이상인 것으로 보고된바 있다. 따라서, 실내에서 존재하는 고농도의 이산화탄소를 흡착 또는 제거하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.While the concentration of carbon dioxide in the outdoor air is maintained at about 400 ppm, the concentration of carbon dioxide in an enclosed room can increase rapidly if ventilation is not frequently performed due to outdoor dust. The concentration of carbon dioxide in the city will exceed 2000 ppm, and the concentration in small spaces such as personal vehicles and express buses can change more rapidly. In addition, as a result of measurement in the living rooms of 10 apartments throughout Seoul, the concentration of carbon dioxide showed a concentration distribution of 600 to 1200 ppm regardless of sleeping, cooking, and ventilation times, and it has been reported that the maximum is 1600 ppm or more. Therefore, there is a need to develop a technology for adsorbing or removing high-concentration carbon dioxide present indoors.

종래의 이산화탄소 제거 기술로는 공장의 배가스 내 이산화탄소를 제거하기 위한 습식 흡수제 (Wet scrubbing) 기술이 있었으나, 배가스 내 이산화탄소 농도는 약 15% 정도로 높으므로, 이산화탄소 농도가 0.04% 내외인 실내에 적용할 경우 성능저하가 발생할 수 있고, 또한 배가스용 이산화탄소 제거 장치는 액체 기반의 흡수제를 이용하므로 가전제품 등으로의 응용이 어렵다는 문제가 존재한다.As a conventional carbon dioxide removal technology, there was a wet scrubbing technology to remove carbon dioxide in the exhaust gas of the factory, but the carbon dioxide concentration in the exhaust gas is as high as about 15%, so when applied indoors where the carbon dioxide concentration is around 0.04% Performance degradation may occur, and since the carbon dioxide removal device for exhaust gas uses a liquid-based absorbent, it is difficult to apply it to home appliances.

한편, 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks; MOF)는 금속과 리간드의 배위결합으로 이루어진 결정성 고체로 큰 표면적을 가지며 기공을 조절할 수 있다는 이점이 있어, 이산화탄소 포집을 통해 흡착제로 활용하기 위한 연구가 진행 중에 있으며, MOF에 아민기를 도입할 경우 아민기와 이산화탄소의 탄소 원자간 화학적 결합을 통해 흡착능이 획기적으로 향상된다는 결과 또한 보고된바 있다.On the other hand, Metal-Organic Frameworks (MOFs) are crystalline solids composed of coordination bonds between metals and ligands, and have the advantage of having a large surface area and controlling pores. Research is in progress, and it has also been reported that when an amine group is introduced into MOF, the adsorption capacity is dramatically improved through chemical bonding between the amine group and carbon atoms of carbon dioxide.

그러나 MOF는 상대 습도가 높은(예를 들어 약 60% RH 이상) 실내 환경 또는 배가스 중 5~7% 정도를 차지하고 있는 수증기와 같이, 수분이 다량으로 존재하는 습한 환경에 노출될 경우 그 구조가 붕괴되거나 아민기와의 결합이 떨어짐으로써 이산화탄소 흡착 능력이 감소할 수 있다는 문제점이 지적되고 있는바, 수분으로부터 구조적 안정성을 유지할 수 있는 새로운 이산화탄소 흡착제의 개발이 요구되는 상황이다.However, when MOF is exposed to indoor environments with high relative humidity (e.g., greater than about 60% RH) or humid environments with a large amount of moisture, such as water vapor, which accounts for 5 to 7% of flue gas, its structure collapses. However, it has been pointed out that carbon dioxide adsorption capacity may decrease due to deterioration of the bond with the amine group, and thus, the development of a new carbon dioxide adsorbent capable of maintaining structural stability from moisture is required.

대한민국 공개특허 제10-2015-0007484호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0007484

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수분 안정성이 향상되어 습한 환경에서도 우수한 흡착 성능을 발휘할 수 있는 MOF 기반의 이산화탄소 흡착제를 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a MOF-based carbon dioxide adsorbent capable of exhibiting excellent adsorption performance even in a humid environment with improved moisture stability.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,The present invention, in order to solve the above problems,

열린 금속 자리에 아민이 도입된 금속-유기 골격체; 및 상기 금속-유기 골격체의 표면에 코팅된 소수성 고분자 바인더;를 포함하는 이산화탄소 흡착제를 제공한다.metal-organic skeletons in which amines are introduced at open metal sites; and a hydrophobic polymer binder coated on the surface of the metal-organic framework.

본 발명에 따르면, 상기 소수성 고분자 바인더는 폴리스티렌(PS), 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 및 스티렌-부타디엔-러버(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 스티렌계 수지일 수 있다.According to the present invention, the hydrophobic polymer binder is polystyrene (PS), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS), styrene-butadiene-styrene (SBS) and styrene- It may be at least one styrene-based resin selected from the group consisting of butadiene-rubber (SBR).

이때, 상기 금속-유기 골격체와 상기 스티렌계 수지의 중량비는 6:4 내지 8:2일 수 있다.In this case, the weight ratio of the metal-organic framework and the styrene-based resin may be 6:4 to 8:2.

또한, 상기 소수성 고분자 바인더는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene PTFE), 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소수성 고분자 물질을 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrophobic polymer binder is at least one hydrophobic polymer material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene PTFE, and polyvinylidene fluoride (PVDF). can include more.

이때, 상기 스티렌계 수지와 상기 소수성 고분자 물질의 중량비는 1:1 내지 1:3일 수 있다.In this case, the weight ratio of the styrenic resin to the hydrophobic polymer material may be 1:1 to 1:3.

본 발명에 따르면, 상기 금속 유기골격체는 상기 다공성 금속-유기 골격체는 M2(dobpdc), M2(dobdc), M2(o-dobdc), M2(m-dobdc), M2(dondc) 및 M2(dotpdc)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다:According to the present invention, the porous metal-organic framework is M 2 (dobpdc), M 2 (dobdc), M 2 ( o -dobdc), M 2 ( m -dobdc), M 2 ( dondc) and M 2 (dotpdc):

여기서, 금속 M은 Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn이고, dobpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-비페닐디카복실레이트이며, dobdc는 2,5-디옥시도-1,4-벤젠디카복실레이트이고, o-dobdc는 4,5-디옥시도-1,2-벤젠디카복실레이트이며, m-dobdc는 4,6-디옥시도-1,3-벤젠디카복실레이트이고, dondc는 1,5-디옥사이드-2,6-나프탈렌디카복실레이트이며, dotpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-트리페닐디카복실레이트이다.Here, metal M is Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or Zn, dobpdc is 4,4'-dioxido-3,3'-biphenyldicarboxylate, and dobdc is is 2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate, o -dobdc is 4,5-dioxido-1,2-benzenedicarboxylate, m-dobdc is 4,6-dicarboxylate oxido-1,3-benzenedicarboxylate, dondc is 1,5-dioxide-2,6-naphthalenedicarboxylate, dotpdc is 4,4'-dioxido-3,3'-triphenyldica It is a voxylate.

본 발명에 따르면, 상기 아민은 하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물일 수 있다:According to the present invention, the amine may be a compound represented by the following [Formula 1]:

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 [화학식 1]에서,In the above [Formula 1],

상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 (CHp)x(CHq)y(CHr)z이고, 상기 n은 각각 독립적으로 1 내지 20의 정수이고, p, q, r은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, x, y, z는 각각 독립적으로 0 내지 20의 정수이다. Wherein R 1 to R 8 are each independently hydrogen or (CH p ) x (CH q ) y (CH r ) z , wherein n is each independently an integer from 1 to 20, and p, q and r are each independently is an integer from 0 to 3, and x, y, and z are each independently an integer from 0 to 20.

본 발명에 따르면, 상기 아민은 하기 화합물 중에서 선택될 수 있다:According to the present invention, the amine may be selected from the following compounds:

Figure pat00002
.
Figure pat00002
.

본 발명에 따르면, 상기 아민은 에틸렌디아민, 1-메틸에틸렌디아민, 1,1-디메틸에틸렌디아민, N-에틸에틸렌디아민, N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane), 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane), 1,2-디아미노프로판, 2,2-디메틸-1,3-디아미노프로판 또는 N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판일 수 있다.According to the present invention, the amine is ethylenediamine, 1-methylethylenediamine, 1,1-dimethylethylenediamine, N-ethylethylenediamine, N-methyl-1,3-diaminopropane (N-methyl-1,3 -diaminopropane), 1,3-diaminopentane (1,3-diaminopentane), 1,2-diaminopropane, 2,2-dimethyl-1,3-diaminopropane or N,N-dimethyl-1,3 -It may be diaminopropane.

본 발명에 따르면, 상기 이산화탄소 흡착제는 막 형태로 형성되는 것일 수 있다.According to the present invention, the carbon dioxide adsorbent may be formed in the form of a film.

본 발명에 따르면, 상기 이산화탄소 흡착제는 소정의 기재상에 코팅되는 것일 수 있다.According to the present invention, the carbon dioxide adsorbent may be coated on a predetermined substrate.

이때, 상기 기재는 Ti 메쉬(mesh), 필터 또는 활성탄일 수 있다.In this case, the substrate may be a Ti mesh, a filter, or activated carbon.

본 발명에 따르면, 아민이 기능화된 금속-유기 골격체에 소수성 고분자 바인더를 도입하여 상기 소수성 고분자가 금속-유기 골격체의 표면을 감싸도록 함으로써 수분의 접근을 차단하고, 결과적으로 수분 조건에서의 구조적 안정성이 유지되어 우수한 흡착 성능을 발휘할 수 있는 이산화탄소 흡착제를 제공할 수 있다.According to the present invention, a hydrophobic polymer binder is introduced into the metal-organic framework functionalized with amine so that the hydrophobic polymer covers the surface of the metal-organic framework, thereby blocking access of moisture, and consequently structurally It is possible to provide a carbon dioxide adsorbent capable of maintaining stability and exhibiting excellent adsorption performance.

도 1은 본 발명에 따른 고분자/아민이 접목된 금속-유기골격체(epn-MOF@SBS)의 용도(이산화탄소 흡착용 복합막, 또는 Ti 메쉬, 공기정화용 필터, 활성탄에 코팅)를 나타낸 것이다.
도 2는 epn-MOF80@SBS의 (a) 광학 이미지 및 (b) SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 epn-MOF와 epn-MOF@SBS의 (a) PXRD 측정 데이터 및 (b) IR 스펙트럼 데이터를 나타낸 것이다.
도 4는 (a) epn-MOF, (b) epn-MOF60@SBS, (c) epn-MOF70@SBS, (d) epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 (a) epn-MOF, (b) epn-MOF60@SBS, (c) epn-MOF80@SBS의 수분 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 60% RH에서 epn-MOF와 epn-MOF80@SBS의 노출 시간에 따른 이산화탄소 흡착성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 챔버 내부에서 (a) epn-MOF와 (b) epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 (a) Ti 망과 (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 광학이미지, (c) Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 elemental mapping 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 (a) Ti 망과 (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 챔버 내부에서 (a) Ti 망과 (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 (a) epn-MOF80@SBS 코팅 전 헤파필터, (b) epn-MOF80@SBS 코팅 후 헤파필터, (c) epn-MOF80@SBS 코팅 전 활성탄, (d) epn-MOF80@SBS 코팅 후 활성탄의 광학 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는 챔버 내부에서 (a) Filter@epn-MOF80@SBS와 (b) AC@epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 MOF에 도입되는 SBS와 PDMS의 혼합 비율(A는 1:1, B는 1:2, C는 1:3)에 따른 수분 접촉각을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 MOF에 도입되는 SBS와 PDMS의 혼합 비율(A는 1:1, B는 1:2, C는 1:3)에 따른 이산화탄소 흡착 성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 95% RH 조건에서 하루 동안 노출 후, MOF에 도입되는 SBS와 PDMS의 혼합 비율((a)는 1:1, (b)는 1:2, (c)는 1:3)에 따른 이산화탄소 흡착 성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
1 shows the use of the polymer/amine-grafted metal-organic framework (epn-MOF@SBS) according to the present invention (composite membrane for adsorbing carbon dioxide, Ti mesh, filter for air purification, coating on activated carbon).
Figure 2 shows (a) optical image and (b) SEM image of epn-MOF80@SBS.
3 shows (a) PXRD measurement data and (b) IR spectrum data of epn-MOF and epn-MOF@SBS.
4 shows the results of measuring carbon dioxide adsorption performance of (a) epn-MOF, (b) epn-MOF60@SBS, (c) epn-MOF70@SBS, and (d) epn-MOF80@SBS.
5 shows the results of measuring water contact angles of (a) epn-MOF, (b) epn-MOF60@SBS, and (c) epn-MOF80@SBS.
6 shows the results of measuring carbon dioxide adsorption performance according to the exposure time of epn-MOF and epn-MOF80@SBS at 60% RH.
7 shows the results of repeated measurements of carbon dioxide adsorption performance of (a) epn-MOF and (b) epn-MOF80@SBS inside the chamber.
8 shows (a) Ti mesh, (b) optical images of Ti mesh@epn-MOF80@SBS, and (c) elemental mapping results of Ti mesh@epn-MOF80@SBS.
9 shows SEM images of (a) a Ti network and (b) a Ti mesh@epn-MOF80@SBS.
10 shows the results of repeated measurements of carbon dioxide adsorption performance of (a) Ti mesh and (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS inside the chamber.
11 shows (a) HEPA filter before epn-MOF80@SBS coating, (b) HEPA filter after epn-MOF80@SBS coating, (c) activated carbon before epn-MOF80@SBS coating, (d) epn-MOF80@SBS coating It shows an optical image of the activated carbon after
12 shows the results of repeated measurements of carbon dioxide adsorption performance of (a) Filter@epn-MOF80@SBS and (b) AC@epn-MOF80@SBS inside the chamber.
13 shows the results of measuring the water contact angle according to the mixing ratio of SBS and PDMS introduced into the MOF (1:1 for A, 1:2 for B, and 1:3 for C).
14 shows the result of measuring the carbon dioxide adsorption performance according to the mixing ratio of SBS and PDMS introduced into the MOF (1:1 for A, 1:2 for B, and 1:3 for C).
Figure 15 shows the mixing ratio of SBS and PDMS ((a) 1:1, (b) 1:2, (c) 1:3) introduced into the MOF after exposure for one day under 95% RH conditions. It shows the result of measuring carbon dioxide adsorption performance.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is one well known and commonly used in the art.

본 발명에서는 종래 MOF가 상대 습도가 높은(예를 들어 약 60% RH 이상) 실내 환경 또는 배가스 중 5~7% 정도를 차지하고 있는 수증기와 같이, 수분이 다량으로 존재하는 습한 환경에 노출될 경우 그 구조가 붕괴되거나 아민기와의 결합이 떨어짐으로써 이산화탄소 흡착 능력이 감소할 수 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에서는 수분으로부터 구조적 안정성을 유지할 수 있는 이산화탄소 흡착제를 제공하고자 한다.In the present invention, when the conventional MOF is exposed to a humid environment in which a large amount of moisture exists, such as an indoor environment with high relative humidity (eg, about 60% RH or more) or water vapor that accounts for about 5 to 7% of exhaust gas, It was devised to solve the problem that the carbon dioxide adsorption capacity may decrease due to the collapse of the structure or the deterioration of the bond with the amine group, and the present invention aims to provide a carbon dioxide adsorbent capable of maintaining structural stability from moisture.

이를 위해, 본 발명은 열린 금속 자리에 아민이 도입된 금속-유기 골격체; 및 상기 금속-유기 골격체의 표면에 코팅된 소수성 고분자 바인더;를 포함하는 이산화탄소 흡착제를 제공한다.To this end, the present invention provides a metal-organic skeleton in which amine is introduced at an open metal site; and a hydrophobic polymer binder coated on the surface of the metal-organic framework.

상기 소수성 고분자 바인더가 도입됨으로써 상기 금속-유기 골격체의 표면을 감싸게 되어 수분의 접근을 차단함으로써 수분으로부터 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 상기 소수성 고분자 바인더는 폴리스티렌(PS), 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 및 스티렌-부타디엔-러버(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 스티렌계 수지일 수 있으며, 바람직하게는 SBS일 수 있다.The introduction of the hydrophobic polymer binder covers the surface of the metal-organic framework and blocks access of moisture, thereby improving structural stability from moisture. The hydrophobic polymer binder is polystyrene (PS), acrylonitrile-butadiene It may be at least one styrene-based resin selected from the group consisting of styrene (ABS), styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS), styrene-butadiene-styrene (SBS) and styrene-butadiene-rubber (SBR), , preferably SBS.

또한, 본 발명은 소수성 고분자 바인더로서 스티렌계 수지의 도입을 통해 금속-유기 골격체의 수분 안정성을 강화시켜 이산화탄소 흡착능을 우수하게 유지할 수 있는바, 하기 실시예의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 금속-유기 골격체와 상기 스티렌계 수지의 중량비는 6:4 내지 8:2인 것이 바람직하고, 7:3 내지 8:2인 것이 더욱 바람직하다.In addition, the present invention can enhance the water stability of the metal-organic framework through the introduction of a styrene-based resin as a hydrophobic polymer binder to maintain excellent carbon dioxide adsorption capacity. As can be seen from the results of the following examples, the metal - The weight ratio of the organic framework and the styrene-based resin is preferably 6:4 to 8:2, more preferably 7:3 to 8:2.

또한, 수분 안정성을 더욱 향상시키기 위해, 상기 소수성 고분자 바인더는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene PTFE), 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소수성 고분자 물질을 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 PDMS를 더 포함할 수 있다.In addition, in order to further improve water stability, the hydrophobic polymer binder is selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene PTFE, and polyvinylidene fluoride (PVDF) It may further include one or more hydrophobic polymer materials that are, and preferably may further include PDMS.

또한, 본 발명은 소수성 고분자 바인더에 상기 소수성 고분자 물질을 더 포함하도록 함으로써 금속-유기 골격체의 수분 안정성을 더욱 강화시켜 이산화탄소 흡착능을 우수하게 유지할 수 있는바, 하기 실시예의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 스티렌계 수지와 상기 소수성 고분자 물질의 중량비는 1:1 내지 1:3인 것이 바람직하다.In addition, the present invention further enhances the water stability of the metal-organic framework by further including the hydrophobic polymer material in the hydrophobic polymer binder to maintain excellent carbon dioxide adsorption capacity, as can be seen from the results of the following examples. , It is preferable that the weight ratio of the styrene-based resin and the hydrophobic polymer material is 1:1 to 1:3.

본 발명에 따른 상기 금속 유기골격체는 상기 다공성 금속-유기 골격체는 M2(dobpdc), M2(dobdc), M2(o-dobdc), M2(m-dobdc), M2(dondc) 및 M2(dotpdc)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이 경우, 금속 M은 Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn이고, dobpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-비페닐디카복실레이트이며, dobdc는 2,5-디옥시도-1,4-벤젠디카복실레이트이고, o-dobdc는 4,5-디옥시도-1,2-벤젠디카복실레이트이며, m-dobdc는 4,6-디옥시도-1,3-벤젠디카복실레이트이고, dondc는 1,5-디옥사이드-2,6-나프탈렌디카복실레이트이며, dotpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-트리페닐디카복실레이트로서, 하기 [일반식 1]로 표현될 수 있다.The metal-organic framework according to the present invention may include M 2 (dobpdc), M 2 (dobdc), M 2 ( o -dobdc), M 2 ( m -dobdc), and M 2 (dondc). ) and M 2 (dotpdc). In this case, the metal M is Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or Zn, dobpdc is 4,4'-dioxido-3,3'-biphenyldicarboxylate, dobdc is 2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate, o -dobdc is 4,5-dioxido-1,2-benzenedicarboxylate, m-dobdc is 4,6- Dioxido-1,3-benzenedicarboxylate, dondc is 1,5-dioxide-2,6-naphthalenedicarboxylate, dotpdc is 4,4'-dioxido-3,3'-triphenyl As a dicarboxylate, it can be represented by the following [General Formula 1].

[일반식 1][Formula 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

또한, 본 발명의 상기 금속-유기 골격체에 도입되는 아민은 1차 내지 3차 아민기 중 하나 이상을 포함하는 다가 아민일 수 있으며, 이러한 금속-유기 골격체의 아민 기능화를 통해 이산화탄소를 효과적으로 포집할 수 있다. 특히, 공기 중 이산화탄소 포집을 위해서는 다공성 금속-유기 골격체의 공동안에 고밀도의 아민기가 도입된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고밀도의 아민기 도입을 통해 아민기와 CO2의 탄소 원자 간의 상호작용에 의한 흡착 엔탈피를 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이러한 아민 기능화는 상기 금속-유기 골격체의 열린 금속자리에 아민기가 그래프트됨으로써 달성되며, 열린 금속자리는 루이스산(Lewis acid)으로 작용한다. 이 경우, 일차 아민기는 2개의 수소기를 포함함으로써 열린 금속자리에 잘 배위 결합될 수 있다. 또한, 남아있는 자유 아민기는 공동으로 들어오는 CO2를 효과적으로 포집할 수 있다.In addition, the amine introduced into the metal-organic framework of the present invention may be a polyvalent amine containing at least one of primary to tertiary amine groups, and carbon dioxide is effectively captured through amine functionalization of the metal-organic framework. can do. In particular, for capturing carbon dioxide in the air, it is preferable to use a porous metal-organic skeleton in which high-density amine groups are introduced into the cavities. Adsorption enthalpy due to an interaction between an amine group and a carbon atom of CO 2 can be remarkably improved through the introduction of the high-density amine group. Such amine functionalization is achieved by grafting an amine group to an open metal site of the metal-organic framework, and the open metal site acts as a Lewis acid. In this case, the primary amine group can be well coordinated to the open metal site by including two hydrogen groups. In addition, the remaining free amine groups can effectively trap CO 2 entering the cavity.

구체적으로, 상기 아민은 하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물일 수 있다:Specifically, the amine may be a compound represented by the following [Formula 1]:

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 [화학식 1]에서,In the above [Formula 1],

상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 (CHp)x(CHq)y(CHr)z이고, 상기 n은 각각 독립적으로 1 내지 20의 정수이고, p, q, r은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, x, y, z는 각각 독립적으로 0 내지 20의 정수이다. Wherein R 1 to R 8 are each independently hydrogen or (CH p ) x (CH q ) y (CH r ) z , wherein n is each independently an integer from 1 to 20, and p, q and r are each independently is an integer from 0 to 3, and x, y, and z are each independently an integer from 0 to 20.

또한, 상기 아민은 하기 화합물 중에서 선택될 수 있다:In addition, the amine may be selected from the following compounds:

Figure pat00005
.
Figure pat00005
.

또한, 상기 아민은 에틸렌디아민, 1-메틸에틸렌디아민, 1,1-디메틸에틸렌디아민, N-에틸에틸렌디아민, N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane), 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane), 1,2-디아미노프로판, 2,2-디메틸-1,3-디아미노프로판 또는 N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판일 수 있다.In addition, the amine is ethylenediamine, 1-methylethylenediamine, 1,1-dimethylethylenediamine, N-ethylethylenediamine, N-methyl-1,3-diaminopropane (N-methyl-1,3-diaminopropane) , 1,3-diaminopentane, 1,2-diaminopropane, 2,2-dimethyl-1,3-diaminopropane or N,N-dimethyl-1,3-diamino It can be propane.

본 발명에 따라 소수성 고분자 바인더가 표면에 코팅된, 아민이 도입된 금속-유기 골격체는 이산화탄소 흡착용 복합막, 또는 Ti 메쉬, 공기정화용 필터 또는 활성탄에 코팅된 형태로 공기정화를 위한 이산화탄소 흡착제로 사용될 수 있다.According to the present invention, the metal-organic framework coated with a hydrophobic polymeric binder on the surface and introduced with amine is a carbon dioxide adsorbent for air purification in the form of a composite membrane for carbon dioxide adsorption, a Ti mesh, a filter for air purification, or a coating on activated carbon. can be used

구체적으로, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제는 막 형태로 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 이산화탄소 흡착제는 소정의 기재상에 코팅되어 사용될 수 있으며, 이때, 상기 기재는 Ti 메쉬(mesh), 필터 또는 활성탄(active carbon, AC)일 수 있다.Specifically, the carbon dioxide adsorbent according to the present invention may be formed in the form of a film. In addition, the carbon dioxide adsorbent may be coated on a substrate and used. In this case, the substrate may be a Ti mesh, filter, or active carbon (AC).

본 발명에서는 하기 실시예를 통해, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡착제가 수분이 다량으로 존재하는 환경(40-100% RH 조건) 및 공기정화에 적용 가능한 400-5000 ppm에서 이산화탄소를 효과적으로 포집할 수 있음을 확인하였는바, 이를 통해 본 발명에 의할 경우, 수분으로부터 구조적 안정성을 유지하여 우수한 흡착 성능을 발휘할 수 있는 이산화탄소 흡착제를 제공할 수 있음을 확인하였다.In the present invention, through the following examples, it is shown that the carbon dioxide adsorbent according to the present invention can effectively capture carbon dioxide at 400-5000 ppm applicable to an environment where a large amount of moisture exists (40-100% RH conditions) and air purification. As confirmed, it was confirmed that according to the present invention, a carbon dioxide adsorbent capable of exhibiting excellent adsorption performance by maintaining structural stability from moisture can be provided.

[실시예][Example]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

실시예Example . 고분자/. polymer/ 아민이Amine 접목된 금속- Grafted Metal- 유기골격체organic skeleton 기반 이산화탄소 흡착제의 제조 Preparation of based carbon dioxide adsorbent

epnepn -- MgMg 22 (( dobpdcdobpdc ) (이하 ') (below ' epnepn -MOF') 합성-MOF') synthesis

먼저, H4dobpdc 7.84 mg을 DMF 75mL에 녹이고 MgBr2·H2O 11.63mg을 EtOH 75 mL에 각각 녹인 후 300mL 고압반응기를 이용해 130℃에서 72시간 반응시켜 Mg2(dobpdc)를 합성하였다. 합성된 Mg2(dobpdc)의 열린금속자리에 배위된 DMF를 제거하기 위해 MeOH에 3일간 담지하였으며, 1,3-디아미노펜탄(epn) 112.2mL를 hexane 140mL에 녹이고 Mg2(dobpdc) 2g을 넣어준 후 50℃에서 12시간 동안 초음파 하에 반응시켜 epn이 기능화된 epn-MOF를 수득하였다. First, 7.84 mg of H 4 dobpdc was dissolved in 75 mL of DMF, and 11.63 mg of MgBr 2 H 2 O was dissolved in 75 mL of EtOH, followed by reaction at 130 °C for 72 hours using a 300 mL high-pressure reactor to synthesize Mg 2 (dobpdc). In order to remove the DMF coordinated to the open metal site of synthesized Mg 2 (dobpdc), it was supported in MeOH for 3 days, and 112.2 mL of 1,3-diaminopentane (epn) was dissolved in 140 mL of hexane, and 2 g of Mg 2 (dobpdc) was dissolved. After adding, the reaction was performed at 50° C. for 12 hours under ultrasound to obtain epn-functionalized epn-MOF.

X%X% epnepn -- MgMg 22 (( dobpdcdobpdc )@SBS (이하 'epn-MOFX@SBS') (X = )@SBS (hereafter 'epn-MOFX@SBS') (X = epnepn -- MgMg 22 (dobpdc)의(dobpdc) 60, 70, 80 무게 함량)를 포함하는 복합막 제조 60, 70, 80 weight content) manufacturing composite membranes

polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (이하 SBS) 고분자 (X = 60에 200 mg, X = 70에 100 mg, X = 80에 100 mg)를 toluene 4 mL에 넣고 6시간 동안 교반하여 녹인 후 epn-MOF (X = 60에 300 mg, X = 70에 350 mg, X = 80에 400 mg)와 epn (X = 60에 0.11 mL, X = 70에 0.13 mL, X = 80에 0.15 mL)을 넣고 24시간 동안 교반하여 분산시켜 epn-MOFX@SBS 혼합용액을 제조하였다. 이후 닥터 블레이드(높이 : 100㎛)를 이용하여 상기 혼합용액을 테플론 판에 캐스팅 하고 70℃ 오븐에서 15분 동안 건조시켜 복합막을 제조하였다. Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (hereafter SBS) polymer (200 mg at X = 60, 100 mg at X = 70, 100 mg at X = 80) was added to 4 mL of toluene, stirred for 6 hours to dissolve, and then epn -Add MOF (300 mg at X = 60, 350 mg at X = 70, 400 mg at X = 80) and epn (0.11 mL at X = 60, 0.13 mL at X = 70, 0.15 mL at X = 80) The mixture was stirred and dispersed for 24 hours to prepare a mixed solution of epn-MOFX@SBS. Thereafter, the mixed solution was cast on a Teflon plate using a doctor blade (height: 100 μm) and dried in an oven at 70° C. for 15 minutes to prepare a composite membrane.

TiTi mesh@epn-MOF80@SBS 제조 fabrication of mesh@epn-MOF80@SBS

전술한 내용과 동일한 방법으로 제조한 혼합용액(epn-MOF80@SBS)을 스프레이 건을 이용하여 Ti 망에 분사하고, 이후 코팅된 Ti 망을 70℃ 오븐에서 15분 동안 건조시켰으며, 이와 같은 방법을 5번 반복하여 Ti mesh@epn-MOF80@SBS를 제조하였다. The mixed solution (epn-MOF80@SBS) prepared in the same way as described above was sprayed on the Ti net using a spray gun, and then the coated Ti net was dried in an oven at 70°C for 15 minutes. was repeated 5 times to prepare Ti mesh@epn-MOF80@SBS.

Filter@epn-MOF80@SBS 제조Manufacturing Filter@epn-MOF80@SBS

전술한 내용과 동일한 방법으로 제조한 혼합용액(epn-MOF80@SBS)을 스프레이 건을 이용하여 헤파필터에 분사하고, 이후 코팅된 헤파필터를 70℃ 오븐에서 15분 동안 건조시켰으며, 이와 같은 방법을 5번 반복하여 Filter@epn-MOF80@SBS를 제조하였다. The mixed solution (epn-MOF80@SBS) prepared in the same manner as described above was sprayed on the HEPA filter using a spray gun, and then the coated HEPA filter was dried in an oven at 70 ° C for 15 minutes. was repeated 5 times to prepare Filter@epn-MOF80@SBS.

AC@epn-MOF80@SBS 제조Manufactured by AC@epn-MOF80@SBS

전술한 내용과 동일한 방법으로 제조한 혼합용액(epn-MOF80@SBS)을 스프레이 건을 이용하여 활성탄에 분사하고, 이후 코팅된 활성탄을 70℃ 오븐에서 15분 동안 건조시켰으며, 이와 같은 방법을 5번 반복하여 AC@epn-MOF80@SBS를 제조하였다. The mixed solution (epn-MOF80@SBS) prepared in the same way as described above was sprayed on activated carbon using a spray gun, and then the coated activated carbon was dried in an oven at 70 ° C for 15 minutes. AC@epn-MOF80@SBS was prepared by repeating several times.

epn-MOF70@PDMS@SBS-X (X = A, B, C) 제조Manufacture of epn-MOF70@PDMS@SBS-X (X = A, B, C)

소수성 고분자 바인더에 PDMS가 더 도입된 금속-유기 골격체(epn-MOF70@PDMS@SBS-X)(X = A, B, C)를 하기와 같이 제조하였다(이때, A는 SBS와 PDMS의 혼합 비율이 1:1이고, B는 1:2이며, C는 1:3임). 먼저, Polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer (Sylgard 184 A) (A = 75 g, B = 100 g, C = 112.5 g)와 SBS (A = 75 g, B = 50 g, C = 37.5 g)를 toluene 4 mL에 넣고 6시간 동안 교반시켜 녹였다. 이후 epn-MOF 350 mg과 경화제 (Sylgard 184B) (PDMS와 경화제의 비율 = 10:1)를 넣고 24시간 교반하여 분산시켰다. 분산이 완료된 후, 고무 틀에 용액을 붓고 상온에서 질소가스를 불어 넣어주며 건조시켜 epn-MOF70@PDMS@SBS-X (X = A, B, C)를 제조하였다.A metal-organic framework (epn-MOF70@PDMS@SBS-X) (X = A, B, C) in which PDMS was further introduced into the hydrophobic polymer binder was prepared as follows (A is a mixture of SBS and PDMS) The ratio is 1:1, B is 1:2, and C is 1:3). First, polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer (Sylgard 184 A) (A = 75 g, B = 100 g, C = 112.5 g) and SBS (A = 75 g, B = 50 g, C = 37.5 g) were added to 4 mL of toluene. and dissolved by stirring for 6 hours. Thereafter, 350 mg of epn-MOF and a curing agent (Sylgard 184B) (PDMS to curing agent ratio = 10:1) were added and dispersed by stirring for 24 hours. After the dispersion was completed, the solution was poured into a rubber mold and dried while blowing nitrogen gas at room temperature to prepare epn-MOF70@PDMS@SBS-X (X = A, B, C).

실험예Experimental example 1. SBS 고분자 도입에 따른 1. According to the introduction of SBS polymer 복합막의of composite membrane 기본특성분석 및 흡·탈착 거동 분석 Analysis of basic characteristics and adsorption/desorption behavior

상기 제조된 복합막의 기본적인 특성 분석을 진행하였다. The basic characteristics of the prepared composite membrane were analyzed.

먼저, epn-MOF80@SBS를 포함하는 복합막의 (a) 광학 이미지 및 (b) SEM 이미지를 측정하고 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다. 이를 통해, 제조된 복합막이 유연한 성질을 가진다는 것을 확인하였으며(도 2a), 그 두께는 약 55㎛이며, 내부에 epn-MOF 입자들이 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 2b). First, (a) an optical image and (b) an SEM image of the composite film including epn-MOF80@SBS were measured, and the results are shown in FIG. 2 below. Through this, it was confirmed that the prepared composite membrane had a flexible property (FIG. 2a), the thickness was about 55 μm, and it was confirmed that epn-MOF particles were evenly dispersed therein (FIG. 2b).

다음으로, epn-MOF와 epn-MOF@SBS를 포함하는 복합막의 (a) PXRD 측정 데이터 및 (b) IR 스펙트럼 데이터를 측정하고 그 결과를 하기 도 3에 나타내었다. 먼저, X-ray 회절 분석법을 통해 epn-MOF에 SBS 고분자가 도입된 후에도 그 결정성이 유지되는 것을 확인할 수 있었고(도 3a), IR 스펙트럼을 통해 epn-MOF에서는 보이지 않았던 SBS 고분자의 trans-1,4-결합 피크가 965 cm-1에서 나타나는 것을 확인함으로써 SBS 고분자가 잘 도입되어 있음을 확인하였다(도 3b).Next, (a) PXRD measurement data and (b) IR spectrum data of the composite film including epn-MOF and epn-MOF@SBS were measured, and the results are shown in FIG. 3 below. First, through X-ray diffraction analysis, it was confirmed that the crystallinity of the SBS polymer was maintained even after the introduction of the SBS polymer into the epn-MOF (Fig. 3a). By confirming that the ,4-bond peak appears at 965 cm -1 , it was confirmed that the SBS polymer was well introduced (FIG. 3b).

다음으로, 제조된 epn-MOF60@SBS, epn-MOF70@SBS, epn-MOF80@SBS를 포함하는 복합막의 이산화탄소 흡착성능을 확인하기 위해 열중량분석기를 이용한 흡·탈착 거동을 분석을 진행하였으며, 그 결과를 하기 도 4에 나타내었다. 이때, 각각의 복합막은 1000ppm 이산화탄소 분압 조건하, 30℃에서 흡착, 70℃에서 탈착을 하였다. 분석 결과, epn-MOF는 13 wt%, epn-MOF60@SBS는 5.07 wt%, epn-MOF70@SBS는 7.01 wt%, epn-MOF80@SBS는 7.88 wt%의 흡착성능을 나타냄을 확인하였다.Next, in order to confirm the carbon dioxide adsorption performance of the composite membranes including the manufactured epn-MOF60@SBS, epn-MOF70@SBS, and epn-MOF80@SBS, the adsorption/desorption behavior was analyzed using a thermogravimetric analyzer. The results are shown in Figure 4 below. At this time, each composite membrane was adsorbed at 30 °C and desorbed at 70 °C under a condition of 1000 ppm carbon dioxide partial pressure. As a result of the analysis, it was confirmed that epn-MOF exhibited adsorption performance of 13 wt%, epn-MOF60@SBS 5.07 wt%, epn-MOF70@SBS 7.01 wt%, and epn-MOF80@SBS 7.88 wt%.

실험예Experimental example 2. SBS 고분자 도입에 따른 2. Following the introduction of SBS polymer 복합막의of composite membrane 소수성 효과 및 수분 안정성 분석 Hydrophobicity effect and water stability analysis

SBS 고분자 도입 전후 소수성 증대 효과를 확인하기 위해 epn-MOF와 epn-MOF@SBS를 포함하는 복합막의 수분 접촉각을 측정하고 그 결과를 하기 도 5에 나타내었다. 측정 결과, 친수성 성질의 epn-MOF의 접촉각은 0°였고, SBS 고분자 도입에 따라 소수성 성질을 나타내며, SBS의 함량이 증가할수록 접촉각이 증가하여 소수성이 증대되는 경향을 보임을 확인하였다. In order to confirm the effect of increasing hydrophobicity before and after introducing the SBS polymer, the water contact angles of the composite membranes including epn-MOF and epn-MOF@SBS were measured, and the results are shown in FIG. 5 below. As a result of the measurement, it was confirmed that the contact angle of the hydrophilic epn-MOF was 0°, and it showed a hydrophobic property according to the introduction of the SBS polymer, and the contact angle increased as the SBS content increased, showing a tendency to increase hydrophobicity.

다음으로, 복합막의 수분 안정성 확인을 위해, 30℃, 60% RH 조건에서 epn-MOF, epn-MOF80@SBS을 30일 동안 노출 시킨 후 열중량분석기를 이용해 이산화탄소 흡착성능을 측정하고, 그 결과를 하기 도 6에 나타내었다. 측정 결과, epn-MOF의 초기 이산화탄소 흡착성능은 13 wt%였지만 60% RH에서 30일간 노출된 후에는 흡착성능이 4.9 wt%로 급격히 감소하는 것으로 나타난 반면, epn-MOF80@SBS는 초기 이산화탄소 흡착성능을 8.03 wt%를 보였고 60% RH에서 30일간 노출된 후에도 7.99 wt%의 흡착 성능을 보임을 확인하였으며, 이를 통해 본 발명에 따라 소수성 고분자를 도입할 경우 이산화탄소 흡착제의 수분 안정성이 크게 향상됨을 확인하였다.Next, in order to check the water stability of the composite membrane, epn-MOF and epn-MOF80@SBS were exposed for 30 days at 30 ° C and 60% RH, and then the carbon dioxide adsorption performance was measured using a thermogravimetric analyzer, and the results were It is shown in Figure 6 below. As a result of the measurement, the initial carbon dioxide adsorption capacity of epn-MOF was 13 wt%, but after exposure to 60% RH for 30 days, the adsorption capacity rapidly decreased to 4.9 wt%, whereas the initial carbon dioxide adsorption capacity of epn-MOF80@SBS was showed 8.03 wt% and showed an adsorption performance of 7.99 wt% even after exposure to 60% RH for 30 days. Through this, it was confirmed that the moisture stability of the carbon dioxide adsorbent is greatly improved when the hydrophobic polymer is introduced according to the present invention. .

실험예Experimental example 3. SBS 고분자 도입에 따른 3. Following the introduction of SBS polymer 복합막의of composite membrane 실사용 가능성 평가 Practical usability evaluation

epn-MOF80@SBS를 실제 실내에서 반복적으로 사용할 수 있는지에 대한 가능성을 평가하기 위해 밀폐된 챔버 안에서 실내환경과 비슷한 조건을 형성하여 이산화탄소 흡착성능을 반복적으로 측정하고 그 결과를 하기 도 7에 나타내었다. 도 7은 챔버 내부에서 (a) epn-MOF와 (b) epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정한 결과를 나타낸 것이다. 챔버 내부는 30℃, 60% RH, 1000ppm 농도의 이산화탄소 환경으로 진행하였다. 위의 쳄버 내부조건에서 3시간 동안 흡착을 하였고 130℃에서 2시간 동안 탈착을 하여 이산화탄소 흡착성능을 10번 반복적으로 측정하였다. 측정 결과, epn-MOF는 실험이 반복될수록 이산화탄소 흡착성능이 계속해서 감소하는 모습을 보인 반면(첫 번째 : 731ppm 흡착, 열 번째 : 211ppm 흡착), epn-MOF80@SBS는 10번 동안 이산화탄소 흡착성능을 반복측정해도 초기 성능을 계속적으로 유지하는 것으로 나타났으며(첫 번째 : 455ppm 흡착, 열 번째 : 447ppm 흡착), 이를 통해 본 발명에 따라 소수성 고분자를 도입할 경우 이산화탄소 흡착제의 수분 안정성이 크게 향상되어, 재사용시에도 이산화탄소 흡착 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.In order to evaluate the possibility of repeatedly using epn-MOF80@SBS indoors, the carbon dioxide adsorption performance was repeatedly measured by forming conditions similar to the indoor environment in a sealed chamber, and the results are shown in FIG. 7 below. . 7 shows the results of repeated measurements of carbon dioxide adsorption performance of (a) epn-MOF and (b) epn-MOF80@SBS inside the chamber. The inside of the chamber was conducted in a carbon dioxide environment at 30° C., 60% RH, and 1000 ppm concentration. Adsorption was carried out for 3 hours under the above chamber internal conditions, and carbon dioxide adsorption performance was repeatedly measured 10 times by desorption at 130 ° C for 2 hours. As a result of the measurement, the epn-MOF showed a continuous decrease in carbon dioxide adsorption performance as the experiment was repeated (first: 731ppm adsorption, tenth: 211ppm adsorption), while epn-MOF80@SBS showed a decrease in carbon dioxide adsorption performance for 10 times. Even after repeated measurements, it was found that the initial performance was continuously maintained (first: 455ppm adsorption, tenth: 447ppm adsorption), and through this, when the hydrophobic polymer was introduced according to the present invention, the water stability of the carbon dioxide adsorbent was greatly improved, It was confirmed that the carbon dioxide adsorption performance could be maintained even when reused.

실험예Experimental example 4. 4. TiTi mesh@epn-MOF80@SBS의 기본특성분석 및 이산화탄소 흡착성능 분석 Analysis of basic characteristics and carbon dioxide adsorption performance of mesh@epn-MOF80@SBS

Ti 망과 Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 광학이미지, Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 elemental mapping 분석을 진행하고 그 결과를 하기 도 8에 나타내었다. 먼저, Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 광학 이미지를 통해 epn-MOF80@SBS 코팅 전 Ti 망은 회색이지만 코팅 후에는 연보라색으로 변하는바, epn-MOF80@SBS가 잘 코팅되었다는 것을 확인하였다(도 8a, b). 또한, elemental mapping 결과를 통해 epn-MOF를 구성하는 원소 중 하나인 Mg이 고르게 퍼져있는 것을 확인하였으며, 이를 통해 epn-MOF80@SBS가 Ti 망 표면에 골고루 코팅되어있음을 확인하였다(도 8c). Optical images of the Ti mesh and Ti mesh@epn-MOF80@SBS and elemental mapping analysis of the Ti mesh@epn-MOF80@SBS were performed, and the results are shown in FIG. 8 below. First, through the optical image of Ti mesh@epn-MOF80@SBS, the Ti mesh before epn-MOF80@SBS coating was gray, but after coating it turned to light purple, confirming that epn-MOF80@SBS was well coated (Fig. 8a, b). In addition, through the elemental mapping results, it was confirmed that Mg, one of the elements constituting the epn-MOF, was evenly spread, and through this, it was confirmed that the epn-MOF80@SBS was evenly coated on the surface of the Ti mesh (FIG. 8c).

다음으로, (a) Ti 망과 (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 SEM 이미지 분석을 진행하고 그 결과를 하기 도 9에 나타내었다. 하기 도 9를 통해 코팅 전 Ti 망은 매끄러운 표면을 가지고 있는 반면, 코팅 후 Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 표면이 epn-MOF80@SBS에 의해서 거칠어진 것을 확인하였다. Next, SEM image analysis of (a) Ti mesh and (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS was performed, and the results are shown in FIG. 9 below. 9, it was confirmed that the Ti mesh before coating had a smooth surface, while the surface of Ti mesh@epn-MOF80@SBS after coating was roughened by epn-MOF80@SBS.

다음으로, Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 실제 실내환경에서 실사용 가능성을 평가하기 위해 밀폐된 챔버에서 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정하고 그 결과를 하기 도 10에 나타내었다. 도 10은 챔버 내부에서 (a) Ti 망과 (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정한 결과를 나타낸 것이다. 챔버 내부는 30℃, 60% RH, 1000ppm 농도의 이산화탄소 환경으로 진행하였다. 위의 챔버 내부조건에서 3시간 동안 흡착을 하였고 100℃에서 2시간 동안 탈착을 진행하여 이산화탄소 흡착성능을 10번 반복적으로 측정하였다. 측정 결과, Ti 망은 실험을 10번 반복하는 동안 성능이 계속해서 감소하는 모습을 보인 반면(첫 번째 : 851ppm 흡착, 열 번째 : 52ppm 흡착), Ti mesh@epn-MOF80@SBS는 10번의 이산화탄소 흡착성능 반복측정 동안에도 그 성능을 계속적으로 유지하는 것으로 나타났으며(첫 번째 : 586ppm 흡착, 열 번째 : 582ppm 흡착), 이를 통해 본 발명에 따라 소수성 고분자를 도입할 경우 이산화탄소 흡착제의 수분 안정성이 크게 향상되어, 재사용시에도 이산화탄소 흡착 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.Next, in order to evaluate the feasibility of the Ti mesh@epn-MOF80@SBS in an actual indoor environment, carbon dioxide adsorption performance was repeatedly measured in a closed chamber, and the results are shown in FIG. 10 below. 10 shows the results of repeated measurements of carbon dioxide adsorption performance of (a) Ti mesh and (b) Ti mesh@epn-MOF80@SBS inside the chamber. The inside of the chamber was conducted in a carbon dioxide environment at 30° C., 60% RH, and 1000 ppm concentration. Adsorption was performed for 3 hours under the above chamber internal conditions, and desorption was performed at 100 ° C. for 2 hours, and the carbon dioxide adsorption performance was repeatedly measured 10 times. As a result of the measurement, the performance of the Ti mesh continued to decrease while the experiment was repeated 10 times (1st adsorption: 851ppm, 10th adsorption: 52ppm), while Ti mesh@epn-MOF80@SBS adsorbed carbon dioxide 10 times. It was found that the performance was continuously maintained even during repeated performance measurements (first: 586ppm adsorption, tenth: 582ppm adsorption), and through this, the water stability of the carbon dioxide adsorbent was greatly improved when the hydrophobic polymer was introduced according to the present invention. It was confirmed that the carbon dioxide adsorption performance could be maintained even when reused.

실험예Experimental example 5. epn-MOF80@SBS가 코팅된 5. epn-MOF80@SBS coated 헤파필터와with HEPA filter 활성탄의 이산화탄소흡착 성능 평가 Carbon dioxide adsorption performance evaluation of activated carbon

상기 실시예에 따라 제조된 혼합용액(epn-MOF80@SBS)을 스프레이 건을 이용하여 헤파필터 및 활성탄에 각각 분사하여 Filter@epn-MOF80@SBS와 AC@epn-MOF80@SBS를 제조하였다(도 11). Filter@epn-MOF80@SBS and AC@epn-MOF80@SBS were prepared by spraying the mixed solution (epn-MOF80@SBS) prepared according to the above example to the HEPA filter and activated carbon using a spray gun (Fig. 11).

다음으로, Filter@epn-MOF80@SBS와 AC@epn-MOF80@SBS의 실제 실내환경에서의 사용 가능성을 평가하기 위해 밀폐된 챔버에서 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정하고 그 결과를 하기 도 12에 나타내었다. 도 12는 챔버 내부에서 (a) Filter@epn-MOF80@SBS와 (b) AC@epn-MOF80@SBS의 이산화탄소 흡착성능을 반복 측정한 결과를 나타낸 것이다. 챔버 내부는 30℃, 60% RH, 1000ppm 농도의 이산화탄소 환경으로 진행하였다. 위의 쳄버 내부조건에서 3시간 동안 흡착을 하였고 100℃에서 2시간 동안 탈착을 진행하고, 이산화탄소 흡착성능을 10번 반복적으로 측정하였다. 측정 결과, Filter@epn-MOF80@SBS와 AC@epn-MOF80@SBS는 모두 10번의 이산화탄소 흡착성능 반복측정 동안에도 그 성능을 계속적으로 유지하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 본 발명에 따라 소수성 고분자를 도입할 경우 이산화탄소 흡착제의 수분 안정성이 크게 향상되어, 재사용시에도 이산화탄소 흡착 성능을 유지할 수 있음을 확인하였다.Next, in order to evaluate the possibility of using Filter@epn-MOF80@SBS and AC@epn-MOF80@SBS in an actual indoor environment, carbon dioxide adsorption performance was repeatedly measured in a closed chamber, and the results are shown in FIG. 12 . 12 shows the results of repeated measurements of carbon dioxide adsorption performance of (a) Filter@epn-MOF80@SBS and (b) AC@epn-MOF80@SBS inside the chamber. The inside of the chamber was conducted in a carbon dioxide environment at 30° C., 60% RH, and 1000 ppm concentration. Adsorption was performed for 3 hours under the above chamber internal conditions, desorption was performed at 100 ° C. for 2 hours, and carbon dioxide adsorption performance was repeatedly measured 10 times. As a result of the measurement, it was found that both Filter@epn-MOF80@SBS and AC@epn-MOF80@SBS continuously maintained their performance even during the repeated measurement of carbon dioxide adsorption performance 10 times. When introduced, it was confirmed that the moisture stability of the carbon dioxide adsorbent was greatly improved, and the carbon dioxide adsorption performance could be maintained even when reused.

실험예Experimental example 6. 6. PDMSPDMS 추가 도입에 따른 소수성 효과, 이산화탄소 흡착성능 및 수분안정성 평가 Evaluation of hydrophobic effect, carbon dioxide adsorption performance and moisture stability according to additional introduction

PDMS 고분자 추가 도입에 따른 소수성 증대 효과를 확인하기 위해 epn-MOF70@PDMS@SBS-X (X = A, B, C)(MOF의 비율은 71.4%로 고정)의 수분 접촉각을 측정하고 그 결과를 하기 도 13에 나타내었다. 측정 결과, 도입되는 PDMS의 함량이 증가할수록 접촉각이 증가하여 소수성이 증대되는 경향을 보임을 확인하였다. In order to confirm the effect of increasing hydrophobicity according to the addition of PDMS polymer, the water contact angle of epn-MOF70@PDMS@SBS-X (X = A, B, C) (the ratio of MOF is fixed at 71.4%) was measured, and the result was It is shown in Figure 13 below. As a result of the measurement, it was confirmed that as the content of PDMS introduced increases, the contact angle increases and thus the hydrophobicity tends to increase.

다음으로, MOF에 도입되는 SBS와 PDMS의 혼합 비율(A는 1:1, B는 1:2, C는 1:3)에 따른 이산화탄소 흡착 성능을 열중량분석을 통해 측정하고 그 결과를 하기 도 14에 나타내었다. 열중량분석은 이산화탄소 농도 1000ppm 환경에서 진행하였으며 흡착은 30℃에서 6시간, 탈착은 70℃에서 30분 진행하였다. 측정 결과, A, B, C의 이산화탄소 흡착성능은 각각 10.63 wt%, 13.12 wt%, 11.61 wt%의 값을 보임을 확인하였다.Next, the carbon dioxide adsorption performance according to the mixing ratio of SBS and PDMS introduced into the MOF (A is 1:1, B is 1:2, and C is 1:3) was measured through thermogravimetric analysis, and the results are shown below. 14. Thermogravimetric analysis was conducted in an environment with a carbon dioxide concentration of 1000 ppm, adsorption at 30 °C for 6 hours, and desorption at 70 °C for 30 minutes. As a result of the measurement, it was confirmed that the carbon dioxide adsorption performance of A, B, and C was 10.63 wt%, 13.12 wt%, and 11.61 wt%, respectively.

다음으로, 수분 안정성 평가를 위해, 95% RH 조건에서 하루 동안 노출 후, MOF에 도입되는 SBS와 PDMS의 혼합 비율((a)는 1:1, (b)는 1:2, (c)는 1:3)에 따른 이산화탄소 흡착 성능을 측정하고 그 결과를 하기 도 15에 나타내었다. 측정 결과, SBS와 PDMS의 혼합 비율이 1:1인 경우, 이산화탄소 흡착성능이 10.63 wt%에서 노출 후 9.1 wt%로 감소하였고, SBS와 PDMS의 혼합 비율이 1:2인 경우 이산화탄소 흡착성능은 13.12 wt%에서 8.04 wt%로 감소하였으며, SBS와 PDMS의 혼합 비율이 1:3인 경우 이산화탄소 흡착성능은 11.61 wt%에서 11.13 wt%로 감소하는 것으로 나타났다. 이를 통해, PDMS가 추가적으로 도입될 경우 수분 안정성이 더욱 향상됨을 확인할 수 있었으며, 특히 SBS와 PDMS의 혼합 비율이 1:3일 경우 가장 높은 수분 안정성을 나타냄을 확인하였다. Next, for water stability evaluation, after exposure for one day under 95% RH conditions, the mixing ratio of SBS and PDMS introduced into the MOF ((a) is 1:1, (b) is 1:2, (c) is Carbon dioxide adsorption performance was measured according to 1:3), and the results are shown in FIG. 15 below. As a result of the measurement, when the mixing ratio of SBS and PDMS was 1:1, the carbon dioxide adsorption performance decreased from 10.63 wt% to 9.1 wt% after exposure, and when the mixing ratio of SBS and PDMS was 1:2, the carbon dioxide adsorption performance decreased to 13.12 It decreased from wt% to 8.04 wt%, and when the mixing ratio of SBS and PDMS was 1:3, the carbon dioxide adsorption performance decreased from 11.61 wt% to 11.13 wt%. Through this, it was confirmed that the moisture stability was further improved when PDMS was additionally introduced, and in particular, when the mixing ratio of SBS and PDMS was 1:3, it was confirmed that the highest moisture stability was exhibited.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시형태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Having described specific parts of the present invention in detail above, it is clear that these specific descriptions are only preferred embodiments for those skilled in the art, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (12)

열린 금속 자리에 아민이 도입된 금속-유기 골격체; 및
상기 금속-유기 골격체의 표면에 코팅된 소수성 고분자 바인더;를 포함하는 이산화탄소 흡착제.
metal-organic skeletons in which amines are introduced at open metal sites; and
A carbon dioxide adsorbent comprising a hydrophobic polymer binder coated on the surface of the metal-organic framework.
제1항에 있어서,
상기 소수성 고분자 바인더는 폴리스티렌(PS), 아크릴로나이트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS), 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 및 스티렌-부타디엔-러버(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 스티렌계 수지인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 1,
The hydrophobic polymer binder is polystyrene (PS), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS), styrene-butadiene-styrene (SBS) and styrene-butadiene-rubber (SBR). ) Carbon dioxide adsorbent, characterized in that at least one styrene-based resin selected from the group consisting of.
제2항에 있어서,
상기 금속-유기 골격체와 상기 스티렌계 수지의 중량비는 6:4 내지 8:2인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 2,
The carbon dioxide adsorbent, characterized in that the weight ratio of the metal-organic framework and the styrenic resin is 6:4 to 8:2.
제2항에 있어서,
상기 소수성 고분자 바인더는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene PTFE), 플루오르화 폴리비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 소수성 고분자 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 2,
The hydrophobic polymer binder further includes at least one hydrophobic polymer material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene PTFE, and polyvinylidene fluoride (PVDF) Carbon dioxide adsorbent, characterized in that to do.
제4항에 있어서,
상기 스티렌계 수지와 상기 소수성 고분자 물질의 중량비는 1:1 내지 1:3인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 4,
The carbon dioxide adsorbent, characterized in that the weight ratio of the styrene-based resin and the hydrophobic polymer material is 1: 1 to 1: 3.
제1항에 있어서,
상기 금속 유기골격체는 상기 다공성 금속-유기 골격체는 M2(dobpdc), M2(dobdc), M2(o-dobdc), M2(m-dobdc), M2(dondc) 및 M2(dotpdc)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제:
여기서, 금속 M은 Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn이고, dobpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-비페닐디카복실레이트이며, dobdc는 2,5-디옥시도-1,4-벤젠디카복실레이트이고, o-dobdc는 4,5-디옥시도-1,2-벤젠디카복실레이트이며, m-dobdc는 4,6-디옥시도-1,3-벤젠디카복실레이트이고, dondc는 1,5-디옥사이드-2,6-나프탈렌디카복실레이트이며, dotpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-트리페닐디카복실레이트이다.
According to claim 1,
The metal organic framework may include M 2 (dobpdc), M 2 (dobdc), M 2 ( o -dobdc), M 2 ( m -dobdc), M 2 (dondc) and M 2 A carbon dioxide adsorbent, characterized in that selected from the group consisting of (dotpdc):
Here, metal M is Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu or Zn, dobpdc is 4,4'-dioxido-3,3'-biphenyldicarboxylate, and dobdc is is 2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate, o -dobdc is 4,5-dioxido-1,2-benzenedicarboxylate, m-dobdc is 4,6-dicarboxylate oxido-1,3-benzenedicarboxylate, dondc is 1,5-dioxide-2,6-naphthalenedicarboxylate, dotpdc is 4,4'-dioxido-3,3'-triphenyldica It is a voxylate.
제1항에 있어서,
상기 아민은 하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제:
[화학식 1]
Figure pat00006

상기 [화학식 1]에서,
상기 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 (CHp)x(CHq)y(CHr)z이고, 상기 n은 각각 독립적으로 1 내지 20의 정수이고, p, q, r은 각각 독립적으로 0 내지 3의 정수이고, x, y, z는 각각 독립적으로 0 내지 20의 정수이다.
According to claim 1,
The carbon dioxide adsorbent, characterized in that the amine is a compound represented by the following [Formula 1]:
[Formula 1]
Figure pat00006

In the above [Formula 1],
Wherein R 1 to R 8 are each independently hydrogen or (CH p ) x (CH q ) y (CH r ) z , wherein n is each independently an integer from 1 to 20, and p, q and r are each independently is an integer from 0 to 3, and x, y, and z are each independently an integer from 0 to 20.
제1항에 있어서,
상기 아민은 하기 화합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제 제조방법:
Figure pat00007
.
According to claim 1,
A method for producing a carbon dioxide adsorbent, characterized in that the amine is selected from the following compounds:
Figure pat00007
.
제1항에 있어서,
상기 아민은 에틸렌디아민, 1-메틸에틸렌디아민, 1,1-디메틸에틸렌디아민, N-에틸에틸렌디아민, N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane), 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane), 1,2-디아미노프로판, 2,2-디메틸-1,3-디아미노프로판 또는 N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 1,
The amine is ethylenediamine, 1-methylethylenediamine, 1,1-dimethylethylenediamine, N-ethylethylenediamine, N-methyl-1,3-diaminopropane, 1 ,3-diaminopentane (1,3-diaminopentane), 1,2-diaminopropane, 2,2-dimethyl-1,3-diaminopropane or N,N-dimethyl-1,3-diaminopropane Carbon dioxide adsorbent, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 흡착제는 막 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 1,
The carbon dioxide adsorbent is characterized in that the carbon dioxide adsorbent is formed in the form of a film.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 흡착제는 소정의 기재상에 코팅되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 1,
The carbon dioxide adsorbent is characterized in that the carbon dioxide adsorbent is coated on a predetermined substrate.
제11항에 있어서,
상기 기재는 Ti 메쉬(mesh), 필터 또는 활성탄인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡착제.
According to claim 11,
The carbon dioxide adsorbent, characterized in that the substrate is a Ti mesh, a filter or activated carbon.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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