표면 개질 된 무기 나노 섬유상인 이모골라이트의 비표면적 및 가스 저장 능력 연구

Abstract

Imogolite as one kind of zeolites is interested about nano porous structure in various fields. Imogolite is known well dispersed in weak acidic condition (pH 3~5). We synthesized imogolite and having a similar nano porous property product with imogolite, plus well dispersed, in lab. For synthetic confirmation, we try to Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy analysis and observed a change of various carbon ratio substituted products. The change of crystallinity is observed through powder X-ray diffraction (powder XRD) measurement when substituted carbon ratio is changed. Crystallinity is increased when substituted carbon ratio is increased. And diameter of each sample was calculated from XRD data. Diameter of imogolite is calculaterd 2.3nm and C-IMOs are 2.7 ? 4.8nm, respectly. Practical nano porous images are offered by transmission electron microscopy (TEM) analysis. Image analysis shows average diameter and length of each sample. Length of tube structure was shorter when substituted carbon ratio is increased. The porous properties were studied by BET methods with N2/77K adsorption isotherms. Specific surface area of each sample is 213.96m2/g (imogolite), 256.13m2/g (C-IMO50) and 181.49m2/g (C-imogolite) at room temperature. And, nitrogen and hydrogen gas storage ability measurements related with porosity are accomplished at room temperature and 77K. Gas storage ability of each sample is about 250cm3/g at 77K, similarly.; 무기나노 섬유상인 이모골라이트를 나노튜브의 직경을 조절하기 위하여 실리콘 source 인 Tetaethoxysilane (TEOS)를 대신하여 탄소의 source인 tetraethyl orthocarbonate (TEOC)를 사용하여 합성하였다. 자연상태에서의 이모골라이트와는 다르게 내부 원소가 실리콘에서 탄소로 치환된 이모골라이트는 직경의 변화를 보여주었고 결정화도의 증가도 보여주었다. 직경의 변화와 함께 튜브상의 길이 역시 변화를 일으켜 짧아지는 경향을 나타내었다. 이 길이적 변화에 의해, 순수한 이모골라이트의 길이에 의한 엉김 현상이 탄소로 치환된 이모골라이트에서는 발생하지 않았다. 합성된 이모골라이트의 경우에는 바깥표면이 수산화기로 되어 산성 조건에서 electro-repulsion 에 의해 분산이 잘되는 것으로 알려져 있지만 실제적으로 합성단계에서 번들 형태로 합성되어 분산에 어려움이 있다. 이모골라이트 구조가 쉽게 파괴되기 때문에 초음파 분산 역시 쉽지만은 않다. 하지만 탄소 치환된 이모골라이트의 경우 분산이 잘 되고 배열하는데 더욱 효과적이다. 탄소 치환된 이모골라이트의 합성 확인과 비율에 따른 직경의 변화를 확인 하기 위하여, 이전 연구인 germanium 치환 이모골라이트와 마찬가지로, FT-IR 과 powder XRD 그리고 TEM 분석을 하였으며 좀 더 정확한 직경 변화를 확인하기 위해 TEM 분석으로부터 얻은 이미지를 이미지 분석 프로그램을 이용 하여 확인 하였다. 문헌상의 germanium 치환에서와는 반대로, FT-IR의 결과 wavelength가 더 높은 수치로 shift 하였으며, XRD는 탄소의 치환비율이 높아질수록 결정화도가 증가함을 보였다. TEM image 분석 역시 탄소의 치환비율이 높아질수록 직경이 커지며 길이는 짧아지는 경향을 보여주었다. 이렇게 합성되고 확인된 순수한 이모골라이트와 탄소 치환된 이모골라이트는 무게당 표면적을 나타내는 비표면적을 BET 방법을 통하여 측정하였다. TGA 분석에 의한 전처리 가능 온도를 파악하여 210℃ 부근에서 전처리를 하여 합성 시 생긴 불순물과 기공내의 작은 탄화수소 기체 따위를 제거하였다. 비표면적은 탄소와 실리콘의 비율별로 치환되어 합성된 이모골라이트가 측정 되었으며, 탄소의 비율이 50%일 때가 가장 높고 (256.13m2/g) 그 이상이 되어 100% 탄소 치환 되었을 때 (181.49m2/g) 는 오히려 더 낮아지는 결과를 보였다. 온도변화에 따른 비표면적 측정 역시 전체적인 비표면적은 증가하였으나 100% 탄소 치환 이모골라이트의 비표면적이 제일 낮았다. 이는 무게 당 표면적을 나타내는 비표면적이 구성물질인 탄소가 실리콘보다 가벼워 처음 일시적으로 증가하지만, 탄소의 비율이 높아질수록 하나의 튜브를 이루는 반복체가 증가하여 전체적인 튜브 무게가 증가하여 비표면적이 감소함을 알 수 있다. 탄소비율이 높아질수록 반복체가 증가한 것은 직경이 커지는 것으로 알 수 있다. 하지만 이러한 변화에도 이모골라이트 보다 길이가 짧아진 탄소 치환된 C-IMO는 질소 흡착량 9 ~ 15cm3/g (at 25℃, 100bar) 과 수소 흡착량 230 ~280cm3/g (at -196℃, 100bar) 로 비슷한 결과를 보여주었다.