콜로이드 계면활성제로 안정화된 피커링 에멀젼에서 계면반응 및 반응물 회수에 관한 연구

Abstract

CHAPTER 1. 상 구획화와 표면 양친성도 조절이 가능한 단분산성 야누스 마이크로입자 야누스 입자는 상이한 성질을 나타내는 2개 이상의 영역으로 나뉘어진 입자이다. 야누스는 반대 방향을 보고 있는 동일한 이름의 로마 신에서 유래되었다. 오늘날, 야누스 입자의 개념은 입자의 구조, 모양 및 배치에 따라 광범위한 시스템을 포괄한다. 야누스 입자는 화학적 성질을 크게 달리 할 수 있고, 그 크기는 수 나노 미터에서 수십 마이크로 미터까지 가능하다. 서로 상호작용 하며 자기조립하여 새로운 특성을 지닌 구조물을 생성 할 수 있다. 이로 인해 센서, 약물 전달, 디스플레이, 코팅, 자기 추진 캐리어, 또는 프로브와 같은 분야에서의 응용이 활발히 이루어 지고 있다. CHAPTER 2. 상 구획화와 표면 양친성도 조절이 가능한 단분산성 야누스 마이크로입자 본 연구에서는 상 구획화와 표면 양친성도의 조절이 가능한 단분산성 야누스 마이크로입자의 합성법을 소개하고 있다. Seeded swelling 기법과 중합법을 이용하여 크기와 모폴로지가 매우 균일한 야누스 입자를 batch scale에서 합성하였다. PS seed 입자를 서로 다른 alkyl chain 길이를 가진 alkyl acrylate 모노머와 함께 균일하게 swelling 시킨 후, UV를 이용하여 중합 직후, 야누스 입자의 모폴로지는 PS seed에 대한 poly (alkyl acrylate) chains의 상 혼화성 차이에 의해 계면 자유에너지를 최소화하는 두 개의 상으로 분리된다. Alkyl chain 길이가 C6부터 C16까지인 alkyl acrylate 모노머에 대한 야누스 입자의 합성에 관해 연구하였으며, 이 중 tetradecyl acrylate 모노머를 사용하였을 때, 두 개의 상으로 완벽하게 분리된 야누스 입자를 얻을 수 있다. 더욱이, 야누스 입자의 상대적인 구획 범위를 0.25부터 0.5 비율까지 정확하게 조절할 수 있다. 끝으로, 야누스 입자의 한 쪽 표면에만 선택적으로 실리카 나노입자를 패칭하여 양친성 야누스 입자를 제조할 수 있었고, 이는 oil-water 계면에 효과적으로 흡착되어, 매우 안정한 피커링 에멀젼을 제조 할 수 있었다. 이에 더하여, 합성된 입자에 자성 나노 입자와 촉매 나노 입자를 패칭하여 외부 자기 응답성과 촉매활성을 동시에 보유하는 새로운 촉매시스템을 개발하였다. 개발된 촉매시스템의 성능을 확인하기 위하여 촉매환원반응을 수행하였을 때, water-in-oil 피커링 에멀젼에서 우수한 반응 수율을 보여주었다. 본 연구에서 개발된 야누스 입자는 자기장으로 회수 가능한 촉매활성을 띄는 마이크로 반응기로서의 역할을 소개 하였고, 이는 친환경 촉매시스템을 발전 시킬 것으로 기대된다.; In this study, we introduce a facile and promise approach to synthesize monodisperse Janus microparticles with controllable phase compartmentalization and surface amphiphilicity. The technique we employed to synthesize the Janus microparticles is the seeded swelling and polymerization. For this, polystyrene (PS) seed particles are uniformly swollen with alkyl acrylate monomers having the different length of alkyl chains from C6 to C16. Upon polymerization, a bicompartmentalized Janus morphology is generated depending on the interfacial free energy. When tetradecyl acrylate (TA) is used, complete compartmentalization into two distinct phases, PS and poly (tetradecyl acrylate) (PTA), can be achieved. More meaningfully, we are able to precisely control relative compartment dimension ratio from 0.25 to 0.5. Finally, we have demonstrate that patching silica nanoparticles onto one of the compartment surfaces produces amphiphilic Janus microparticles that are able to assemble at the oil-water interface with a designated level of adhesion, thus leading to development of a highly stable Pickering emulsion system. We also show that bulb site-specific patching of magnetic nanoparticles can be achieved using the electrostatic interaction between the polyethylenimine-coated bulb surface and the polyvinylpyrrolidone-stabilized Fe2O3 nanoparticles. We demonstrate that our magnetic-patchy Janus microparticles can assemble at the oil-water interface, enabling magnetic-responsive reversible recovery of Pickering emulsions. Finally, this study introduces a new colloid surfactant catalyst platform exhibiting remarkable catalytic activities in Pickering emulsion microreactors that can be reversibly recovered in response to the applied magnetic field. The colloid surfactant catalyst is fabricated by site-specific patching of catalytic nanoparticles (NPs), including Ag NPs on the surface of amphiphilic Janus microparticles. The catalytic performance of Janus microparticle catalysts is confirmed through carrying out organic reaction reduction. As the Janus microparticle catalysts have amphiphilicity, they readily adhere to the reactant-water interfaces, thus producing structurally stable Pickering emulsions. We figure out that the reaction kinetics are controllable by tuning the concentration of catalytic NPs on the Janus microparticles and the reaction temperature. When Fe2O3 NPs were co-patched, the Janus microparticle catalysts show magnetic responsiveness, thus enabling the repeated recovery of the products and catalysts by simple application of an external magnetic field. The catalytic activity of the recovered Janus microparticle catalysts remains unchanged even to five cycles. The Janus microparticle catalysts developed in our study are expected to advance the environment-friendly catalyst system for green chemistry.