유무기 복합 템플레이트를 이용한 이중 기공구조를 갖는 다공성 실리카의 합성

Abstract

본 연구에서는 무기물질인 산화철(Fe3O4)과 유기물질인 cetyltrimethylammonium bromide(CTAB), sodium oleate를 템플레이트(template)로 사용하여 이중 기공구조(bimodal pore structure)를 갖는 다공성 실리카를 합성하였다. PXRD, 질소 흡착-탈착 등온 분석, SEM, TEM을 사용하여 합성된 다공성 실리카의 기공구조 특성을 분석하였다. 첫 번째 다공성 실리카는 Fe3O4와 CTAB를 템플레이트로하여 합성하였다. Fe3O4는 암모니아수를 염기로 사용하여 공침법으로 합성하였고, CTAB와 실리카 전구체(tetraethoxyorthosilicate(TEOS))를 염기조건에서 sol-gel반응법에 의해 복합체를 합성하였다. 합성 변수로 실리카 전구체 첨가량을 조절하여 변화의 양상을 관찰하였다. 550℃에서의 하소과정과 산 처리 과정을 통해 유기, 무기 템플레이트를 모두 제거하여 최종 결과물을 얻었다. 합성된 실리카는 CTAB와 Fe3O4에 의해 기공이 형성이 되었는데, CTAB에 의한 기공은 대략 2~3 nm 정도 크기를 가지며 좁은 크기분포를 갖고 잘 정렬된 배열을 갖는 것을 확인하였다. Fe3O4에 의한 기공은 3~20nm 크기로 비교적 넓은 크기 분포를 가지는 것을 확인하였다. 두 번째 다공성 실리카는 Fe3O4와 CTAB, sodium oleate를 템플레이트로 하여 합성하였다. Fe3O4는 수산화나트륨을 염기로 사용하여 공침법으로 합성하였고, 유기 템플레이트와 실리카 전구체를 sol-gel법으로 반응시켜 복합체를 합성하였다. 합성변수로 pH와 각 템플레이트의 첨가 비율을 조절하였고, 템플레이트 제거를 위해 2단계 하소과정과, 산 처리 과정을 진행하였다. 얻어진 결과물의 기공은 Fe3O4에 의해 형성된 기공과 CTAB, sodium oleate 의해 형성된 기공으로 이루어 져 있음을 확인하였다. Fe3O4에 의해 6 nm정도의 기공이 형성되었고, CTAB, sodium oleate에 의한 기공은 pH 변화에 따라 변하는 것을 확인 하였으며, 그 크기가 pH 3.5에서는 21 nm, pH 6에서 14 nm, pH 8에서 7.5 nm, pH 10에서는 8.5 nm 정도가 되는 것을 확인하였다.; Mesoporous silica with bimodal pore size distribution was prepared using inorganic and organic templates. Fe3O4 nano particle was used as an inorganic template and sodium oleate and cetyltrimethylammonium bromide(CTAB) were used as organic templates. The preparation of mesoporous silica with bimodal pore was carried out by two different methods. In the first experimental section, Fe3O4 and CTAB was used as templates. Fe3O4 was synthesized by coprecipitation method with NH4OH as a base. The particles synthesized have 8 nm size. Inorganic-organic templates-silica composite was synthesized by sol-gel method under basic condition. The concentration of silica precursor, tetraethoxyorthosilicate(TEOS), was controlled. Organic residue and Fe3O4 were removed through heat treatment and acid leaching process. Silica showed bimodal distribution at about 2.4 nm by CTAB and 3~20 nm by Fe3O4. In the second experimental section, Fe3O4, sodium oleate and CTAB was used as templates. Fe3O4 was synthesized by coprecipitation method with NaOH as a base. The particles synthesized have 7 nm size. Inorganic-organic templates-silica composite was synthesized by sol-gel method under variable conditions. The reaction pH and ratio of templates were controlled. Organic templates and Fe3O4 were removed through two-step calcination and acid leaching process. Silica with relatively high pore volume of 3.2 cm3/g was obtained and the pore size of silica showed a bimodal distribution at about 7 nm by Fe3O4 and 7.5, 8.5, 14 or 21 nm.