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KR20050029362A - Mesoporous ceramic structure, and preparation method for the same - Google Patents

Mesoporous ceramic structure, and preparation method for the same Download PDF

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KR20050029362A
KR20050029362A KR1020030065608A KR20030065608A KR20050029362A KR 20050029362 A KR20050029362 A KR 20050029362A KR 1020030065608 A KR1020030065608 A KR 1020030065608A KR 20030065608 A KR20030065608 A KR 20030065608A KR 20050029362 A KR20050029362 A KR 20050029362A
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silica
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carbon
ceramic
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유종성
김정연
윤석본
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학교법인 대전기독학원 한남대학교
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Abstract

Provided is a method for preparing mesoporous ceramic structures having a new crystal structure different from the crystal structure of silica template by using mesoporous silica as a template. A cubic mesoporous ceramic structure having a new crystal structure is prepared by using mesoporous silica as a template. The silica template has 2-3mm of diameter, a pair of mesopore channel(not interconnected) in a mirror-image relation and strong XRD peak at 2theta=2.35deg, and a new structured mesoporous ceramic structure has 4-4.5mm of diameter, homogeneous mesopore channel(interconnected), and strong XRD peak at 2theta=1.64deg and weak XRD peak at 2theta=2.74deg corresponding to the peak of the silica template. The mesoporous ceramic structure is prepared by the following steps of: (i) preparing a mesoporous silica template(M48T) from organic surfactant and silica-source; (ii) preparing a silica-carbon template composite(M48T-carbon composite) by pouring a carbon precursor into mesopore of the silica template(M48T) and carbonizing, wherein the carbon precursor is an addition polymer obtained by polymerizing divinyl benzene with azobisisobutyro nitrile(AIBN) or a condensation polymer obtained by polymerizing phenol and formaldehyde under AlCl3 catalyst; (iii) preparing a mesoporous carbon structure(M48T-C) by etching the silica-carbon template composite with HF or NaOH to remove silica used as a template; (iv) preparing a mesoporous carbon structure(HUM-1) by pouring ceramic precursor, such as silica precursor(tetraethoxy silane(TEOS)), into the mesopore of mesoporous carbon structure and sintering.

Description

메조다공성 세라믹 구조체 및 이의 제조 방법{Mesoporous ceramic structure, and preparation method for the same} Mesoporous ceramic structure, and preparation method for the same

본 발명은 메조다공성 세라믹 구조체, 상기 메조다공성 세라믹 구조체의 제조에 주형으로 이용될 수있는 메조다공성 탄소 구조체 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mesoporous ceramic structure, a mesoporous carbon structure that can be used as a template for the production of the mesoporous ceramic structure, and a method of manufacturing the same.

종래의 메조다공성 실리카 물질, 예를 들어, M41S 또는 SBA-1은 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 (cethyltrimethylammonium bromide:CTMABr), 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(cethyltrimethylammonium chloride:CTMACl)등의 유기 주형제를 이용하여 염기성 수용액 조건 또는 산성 수용액 조건에서 제조되는 것으로 보고되었다[C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, J. C. Vartuli and J. S. Beck, Nature, 1992, 359, 710; J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T.-W. Chu, D. H. Olson, E. W. Sheppard, S. B. McCullen, J. B. Higgns and J. L. Schlenker, J. Am. Chem. Soc., 1992, 114, 10834; Q. Huo, D. I. Margolese, U. Ciesla, D. G. Demuth, P. Feng, T. E. Gier, P. Sieger, A. Firouzi, B. F. Chmelka, F. Schuth and G. D. Stucky, Chem. Mater., 1994, 6, 1176; Q. Huo, R. Leon, P. M. Petroff and G. D. Stucky, Science, 1995, 268, 1324. 참조]. 유기 주형제를 이용한 메조다공성 물질의 제조방법이 보고된 후 많은 연구가 진행되었지만 초기에 보고된 결정 구조 이외에 새로운 구조를 갖는 메조다공성 물질의 제조 연구는 미약하다. 최근에 새로운 메조다공성 실리카 구조체로서 M41S 구조체 중의 하나인 벌집 모양의 세공을 갖는 육각형(hexagonal) 구조의 MCM-41 구조체와 유사한 구조체인 SBA-15 물질은 P123(EO20PO70EO20, Mav = 5800) 폴리머 주형제를 이용하여 제조되었다[D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G. H. Fredrickson, B. F. Chmelka and G. D. Stucky, Science, 1998, 279, 548. 참조].Conventional mesoporous silica materials, such as M41S or SBA-1, can be prepared using basic template solutions such as cetyltrimethylammonium bromide (CTMABr), cetyltrimethylammonium chloride (CTMACl), or basic aqueous solution conditions. It is reported to be prepared under acidic aqueous solution conditions [CT Kresge, ME Leonowicz, WJ Roth, JC Vartuli and JS Beck, Nature , 1992 , 359 , 710; JS Beck, JC Vartuli, WJ Roth, ME Leonowicz, CT Kresge, KD Schmitt, CT-W. Chu, DH Olson, EW Sheppard, SB McCullen, JB Higgns and JL Schlenker, J. Am. Chem. Soc ., 1992 , 114 , 10834; Q. Huo, DI Margolese, U. Ciesla, DG Demuth, P. Feng, TE Gier, P. Sieger, A. Firouzi, BF Chmelka, F. Schuth and GD Stucky, Chem. Mater ., 1994 , 6 , 1176; Q. Huo, R. Leon, PM Petroff and GD Stucky, Science , 1995 , 268 , 1324.]. Although many studies have been conducted after the method of preparing mesoporous materials using organic template, research on the preparation of mesoporous materials having a new structure in addition to the initially reported crystal structure is weak. Recently, a new mesoporous silica structure, a structure similar to the hexagonal MCM-41 structure with honeycomb pores, one of the M41S structures, is a P123 (EO 20 PO 70 EO 20 , M av = 5800) using a polymer template [D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, GH Fredrickson, BF Chmelka and GD Stucky, Science , 1998 , 279 , 548.].

최근, 본 발명에서 처럼 새로운 주형을 이용한 메조다공성 실리카 물질의 합성에 대한 기술이 보고된 바 있다. 메조다공성 SBA-15 실리카 주형에 탄수화물을 주입하여 탄소화 과정을 거친 후, 주형을 제거시킴으로서 규칙적이고 일정한 크기를 갖는 새로운 매크로 다공성 탄소 물질인 CMK-3을 제조하고, 제조된 CMK-3 탄소 주형에 실리카 전구체인 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethylorthosilicate: TEOS, 98%) 또는 나트륨 메타실리케이트(sodium metasilicate:Na2SiO3) 수용액을 주입한 후 실리카 전구체를 소결시키고 탄소 주형을 제거하여 메조 다공성 실리카 물질을 제조하였다[An-Hui Lu, Wolfgang Schmidt, Akira Taguchi, Bernd Spliethoff, Bernd Tesche and Ferdi Schueth, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41(18), 3489; Min Kang, Seung Hwan Yi, Hyung Ik Lee, Jae Eui Yie and Ji Man Kim, Chem. Commun., 2002, 1944. 참조]. 또한 균일한 크기의 메조다공성 외각을 가지며, 내부에 특정한 활성 및 기능성을 가진 금속 나노입자가 들어 있는 중공형인 이중 다공성 나노캡슐 탄소 구조체 주형에 실리카 전구체인 TEOS(98%)를 주입하고 다양한 방법으로 실리카 전구체를 처리한 후 주형으로 이용된 탄소를 제거하여 메조다공성 외각을 가지며, 내부에 금속 나노입자가 들어 있는 중공형인 이중 다공성 나노캡슐 실리카 구조체 제조 방법이 본 발명자들에 의해 보고 되었다[Jeong Yeon Kim, Suk Bon Yoon, and Jong-Sung Yu, Chem. Commun., 2003, 790; 대한민국 특허출원 제 10-2003-0056377호 참조].Recently, a technique for synthesizing mesoporous silica materials using a new template has been reported as in the present invention. After carbohydrate is injected into mesoporous SBA-15 silica mold and carbonized, the mold is removed to prepare CMK-3, a new macroporous carbon material having a regular and constant size, and the prepared CMK-3 carbon mold. After preparing a tetraethylorthosilicate (TEOS, 98%) or sodium metasilicate (Na 2 SiO 3 ) aqueous solution of silica precursor, the silica precursor was sintered and the carbon template was removed to prepare mesoporous silica material. An-Hui Lu, Wolfgang Schmidt, Akira Taguchi, Bernd Spliethoff, Bernd Tesche and Ferdi Schueth, Angew. Chem. Int. Ed., 2002 , 41 (18) , 3489; Min Kang, Seung Hwan Yi, Hyung Ik Lee, Jae Eui Yie and Ji Man Kim, Chem. Commun., 2002 , 1944.]. The silica precursor TEOS (98%) was injected into a hollow, double-porous nanocapsule carbon structure mold having a uniform sized mesoporous shell and containing metal nanoparticles with specific activities and functions. After the precursor is treated, the carbon used as a template is removed to have a mesoporous shell, and a hollow biporous nanocapsule silica structure manufacturing method containing metal nanoparticles therein has been reported by the inventors [Jeong Yeon Kim, Suk Bon Yoon, and Jong-Sung Yu, Chem. Commun ., 2003 , 790; See Korean Patent Application No. 10-2003-0056377].

그러나, 전술한 종래의 기술에서 CMK-3 주형을 이용한 메조다공성 실리카는 CMK-3의 제조에 사용된 초기 주형인 SBA-15 구조를 갖기 때문에 새로운 구조의 메조다공성 실리카 물질 및 세라믹 물질의 제조가 불가능하다. However, in the above-described conventional technique, the mesoporous silica using the CMK-3 template has the SBA-15 structure, which is the initial template used for the preparation of the CMK-3, and thus it is impossible to produce the mesoporous silica material and the ceramic material of the new structure. Do.

본 발명의 첫번째 목적은 새로운 결정 구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체를 제공하는 것이다.It is a first object of the present invention to provide a mesoporous ceramic structure having a new crystal structure.

본 발명의 두번째 목적은 상기 새로운 결정 구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다. A second object of the present invention is to provide a method for producing a mesoporous ceramic structure having the new crystal structure.

본 발명의 첫번째 목적에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체는 입방 구조의 메조다공성 구조체로써, 주기적으로 정렬된 나노 구조의 삼차원적으로 부분적으로 상호 연결되는 균일한 메조 세공 채널을 가지며, 상호 연결되지 않는 거울상 관계의 한쌍의 메조 세공 채널을 가지고 있는 메조다공성 실리카 주형으로부터 제조되며, 상기 실리카 주형과는 다른 결정 구조를 가짐을 특징으로 한다. 예를 들어, 약 2-3nm 정도의 직경을 가지며 상호 연결되지 않는 거울상 관계의 한쌍의 메조 세공 채널을 가지며, 2θ=2.35°에서 강한 XRD 피크를 나타내는 실리카 주형을 이용하여 이하에서 설명하는 제조 과정을 거쳐 제조되는 본 발명의 첫번째 목적에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체는 약 4-4.5nm 정도의 직경을 가지며 고도로 주기적으로 정렬된 나노 구조의 삼차원적으로 부분적으로 상호 연결되는 균일한 메조세공 채널 및 원래의 실리카 주형에서는 존재하지 않던 위치, 예를 들어, 2θ=1.64°에 하나의 강력한 XRD 피크와 원래의 실리카 주형에 존재하는 피크에 대응하는 위치, 예를 들어, 2θ=2.74°에 약한 XRD 피크를 나타내는 새로운 결정 구조 및 입자 구조를 가진다.The mesoporous ceramic structure having a novel crystal structure according to the first object of the present invention is a cubic mesoporous structure, having uniform mesoporous channels interconnected three-dimensionally in part of periodically aligned nanostructures, and interconnected. It is made from a mesoporous silica mold having a pair of mesoporous channels of non-mirror relationship, and has a crystal structure different from that of the silica template. For example, using a silica mold having a diameter of about 2-3 nm and having a pair of mesoporous channels of non-interconnected mirror image and exhibiting a strong XRD peak at 2θ = 2.35 °, The mesoporous ceramic structure having a new crystal structure according to the first object of the present invention, which is manufactured through the present invention, has a diameter of about 4-4.5 nm and is three-dimensionally partially interconnected uniformly mesoporous of highly periodically aligned nanostructures. Weak at one position that did not exist in the channel and in the original silica template, for example one strong XRD peak at 2θ = 1.64 ° and a peak present in the original silica template, for example 2θ = 2.74 ° It has a new crystal structure and particle structure showing XRD peaks.

본 발명의 두번째 목적에 따른 상기 새로운 결정 구조의 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 다음의 단계들을 포함한다:The method for producing the mesoporous ceramic structure of the new crystal structure according to the second object of the present invention includes the following steps, as shown in FIG.

a) 메조다공성 실리카 주형(M48T)을 제조하는 단계; a) preparing a mesoporous silica template (M48T);

b)실리카-탄소 주형 복합체(M48T-탄소 복합체)를 제조하는 단계; b) preparing a silica-carbon template composite (M48T-carbon composite);

c) 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)를 제조하는 단계; 및 c) preparing a mesoporous carbon structure (M48T-C); And

d) 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 제조하는 단계.d) preparing a mesoporous ceramic structure (HUM-1).

상기의 새로운 결정 구조의 메조다공성 세라믹 구조체의 제조방법은 추가로 e) 상기 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 주형으로 하여 상기 b) 내지 d) 단계를 반복하여 새로운 재질의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The method of manufacturing a mesoporous ceramic structure of the new crystal structure may further include e) repeating the steps b) to d) using the mesoporous ceramic structure (HUM-1) as a template to form a mesoporous ceramic structure of a new material. It may comprise the step of manufacturing.

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

유기 주형제로 사용되는 계면활성제의 분자 크기와 다양한 합성조건으로 제조되는, 상기 본 발명의 두가지 제조 방법에서 첫번째 단계에서 합성되는 메조다공성 실리카 주형은 세공의 크기를 1.5 ∼ 30 nm 범위에서 조절가능하며, 넓은 표면적를 갖기 때문에 다양한 응용성이 있다. 또한 메조세공을 갖는 실리카 제조과정에 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti)과 같은 금속이온을 첨가하면 실리카 구조체내에 규소(Si)외의 다른 금속이 담지된 메조다공성 금속실리카를 제조할 수 있으며, 담지된 금속에 의한 촉매작용과 전이금속을 이온교환시킬 수 있게 되어 다양한 촉매로서의 응용가능성이 있다. 또한, 메조다공성 실리카 구조체를 주형으로 이용할 경우, 세공의 크기와 벽 두께가 조절된 새로운 메조다공성 탄소를 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있으며, 제조된 탄소 물질 또한 다양한 크기의 메조세공과 넓은 표면적을 갖게 된다. 계면활성제를 주형으로 하여 다양한 결정구조의 메조다공성 실리카 물질을 합성 할 수 있으나, 다양한 메조다공성 금속 산화물 구조체를 제조하는데 어려움이 있다. 또한 메조다공성 실리카를 주형으로 금속 산화물을 제조할 때 실리카만 제거하는데 어려움이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 메조다공성 실리카 주형을 통해 제조된 메조다공성 탄소 구조체를 주형으로 사용하려는 연구가 보고되었다. 특히 입방 결정 구조를 갖는 메조다공성 MCM-48 실리카를 주형으로 하여 제조된 탄소 구조체는 실리카 주형을 제거하는 과정에서 구조의 상변화가 있어 새로운 결정구조를 갖는 탄소 구조체를 제조할 수 있다. The mesoporous silica template synthesized in the first step in the two manufacturing methods of the present invention, prepared by the molecular size of the surfactant used as the organic template and various synthetic conditions, the pore size is adjustable in the range of 1.5 to 30 nm Because of the large surface area, there are various applications. In addition, by adding metal ions such as aluminum (Al) and titanium (Ti) to the silica manufacturing process having mesopores, it is possible to produce mesoporous metal silica in which a metal other than silicon (Si) is supported in the silica structure. Catalysis by metals and ion exchange of transition metals have the potential for application as various catalysts. In addition, when the mesoporous silica structure is used as a mold, there is an advantage in that a new mesoporous carbon having a controlled pore size and a wall thickness can be easily manufactured, and the manufactured carbon material also has a wide surface area with various sizes of mesoporous. do. Although a mesoporous silica material having various crystal structures can be synthesized using a surfactant as a template, it is difficult to prepare various mesoporous metal oxide structures. In addition, when preparing a metal oxide with a mesoporous silica, it is difficult to remove only silica. In order to overcome this problem, a study has been reported to use a mesoporous carbon structure prepared through a mesoporous silica mold as a template. In particular, a carbon structure prepared by using mesoporous MCM-48 silica having a cubic crystal structure has a phase change in the process of removing the silica template, thereby producing a carbon structure having a new crystal structure.

본 발명은 메조다공성 MCM-48 실리카 구조체를 계면활성제를 이용하여 제조하고, 제조된 MCM-48 실리카를 소성처리하여 계면활성제를 제거하고, 비어 있는 메조세공에 다양한 고분자 전구체를 주입한 후, 고분자 전구체의 중합반응을 통해 성형시키면, 고분자 전구체가 고분자화하여 고분자-실리카 주형 복합물을 얻고, 형성된 고분자-실리카 복합체를 비활성 기체하에서 900℃ ∼ 1000℃의 온도에서 탄소화 과정을 통해 탄소-실리카 복합체를 얻는다. 탄소-실리카 복합체를 불화수소산(HF) 용액이나 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 용액으로 처리하여 주형으로 사용된 실리카를 제거하면 주형으로 사용한 메조다공성 MCM-48 실리카 구조와 다른 메조다공성 탄소 구조체를 제조 할 수 있다. 제조된 메조다공성 탄소 구조체의 메조 세공은 주형으로 사용한 메조다공성 MCM-48 실리카의 세공 벽 두께 보다 크며, 탄소 벽 두께는 주형으로 사용된 실리카 메조세공의 크기보다 작게 되는데 이러한 것은 고온으로 고분자를 탄화시키는 과정에서 실리카 주형의 결정이 수축되고, 실리카 주형을 제거하는 과정에 메조다공성 탄소 벽의 상변화에 의해 기인된다. 제조된 메조다공성 탄소 물질 또한 넓은 표면적과 균일한 크기의 메조세공을 갖는다. 도 2의 PXRD(powder X-ray diffraction) 패턴과 도 3의 투과전자현미경(TEM: transmission electron microscope) 사진, 도 4의 질소(N2) 흡착-탈착 분석에 의한 BET 표면적 결과에서 확인 할 수 있다.According to the present invention, a mesoporous MCM-48 silica structure is prepared using a surfactant, the prepared MCM-48 silica is calcined to remove a surfactant, and various polymer precursors are injected into empty mesopores, followed by a polymer precursor. When the polymer is molded through a polymerization reaction of the polymer precursor, the polymer is polymerized to obtain a polymer-silica template composite, and the formed polymer-silica composite is obtained by carbonizing the carbon-silica composite at a temperature of 900 ° C. to 1000 ° C. under an inert gas. . The carbon-silica complex is treated with hydrofluoric acid (HF) solution, sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) solution to remove the silica used as the template, and the mesoporous MCM-48 silica structure used as the template and other mesoporous carbon The structure can be manufactured. The mesopore of the prepared mesoporous carbon structure is larger than the pore wall thickness of the mesoporous MCM-48 silica used as a template, and the carbon wall thickness is smaller than the size of the silica mesoporous used as the template. In the process, the crystal of the silica template shrinks and the process of removing the silica template is caused by the phase change of the mesoporous carbon wall. The mesoporous carbon materials produced also have a large surface area and uniform sized mesopores. The PXRD (powder X-ray diffraction) pattern of FIG. 2, the transmission electron microscope (TEM) photograph of FIG. 3, and the BET surface area results by the nitrogen (N 2 ) adsorption-desorption analysis of FIG. 4 can be confirmed. .

본 발명은 소성처리된 메조다공성 MCM-48 실리카 주형을 이용하여 제조된 메조다공성 탄소 구조체를 제조하고, 제조된 탄소 구조체를 주형으로 하여 새로운 결정구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법을 제시하며, 이렇게 제조된 메조다공성 세라믹 구조체는 촉매, 흡착제, 분리 및 정제 공정, 촉매 지지체, 주형으로서의 용도로 응용될 수 있다.The present invention provides a method for producing a mesoporous carbon structure prepared using a calcined mesoporous MCM-48 silica template, and a mesoporous ceramic structure having a new crystal structure using the prepared carbon structure as a template. The mesoporous ceramic structure thus prepared may be applied as a catalyst, an adsorbent, a separation and purification process, a catalyst support, a template.

이하에서 본 발명에 따른 새로운 결정 구조의 메조다공성 세라믹 구조체 및 새로운 결정 구조의 메조다공성 탄소 구조체의 제조방법에 포함되는 단계들을 상세히 설명한다.Hereinafter, the steps included in the method of manufacturing the mesoporous ceramic structure of the new crystal structure and the mesoporous carbon structure of the new crystal structure according to the present invention will be described in detail.

제 1 단계: 메조다공성 실리카 주형(M48T)의 제조First step: preparation of mesoporous silica template (M48T)

본 발명에서 주형으로 사용하고자 하는 메조다공성 실리카 구조체는 공지된 기술에 기재된 방법을 토대로 제조한다. 예를 들어, Ryoo, R., Joo. S.H., Kim, J.H. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7435에 개시되어 있는 방법에 따라 메조다공성 실리카 구조체를 제조할 수 있지만, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 상기에서 제조된 메조다공성 실리카 구조체를 주형으로 사용하기 위해 메조다공성 실리카 구조체를 각각 달리 처리할 수 있다. 즉, 계면활성제를 포함하고 있는 MCM48T를 단지 100℃에서 건조한 상태인 AM48T; 계면활성제 일부를 0.1M HCl/EtOH 용액으로 세척, 여과 및 세척하고 100℃에서 건조한 상태인 WM48T; 그리고 540℃에서 소성처리한 CM48T의 세 가지 주형을 제조한다(이하에서는 세가지를 총괄적으로 M48T로 부른다).The mesoporous silica structure to be used as a template in the present invention is prepared based on the method described in the known art. For example, Ryoo, R., Joo. SH, Kim, JH J. Phys. Chem. Although the mesoporous silica structure can be prepared according to the method disclosed in B 1999, 103, 7435, in one preferred embodiment of the present invention, the mesoporous silica structure is prepared to use the mesoporous silica structure prepared as a template. Each can be handled differently. Namely, AM48T, which contains only a surfactant, is dried at 100 ° C .; A portion of the surfactant was washed, filtered and washed with 0.1M HCl / EtOH solution and WM48T dried at 100 ° C .; Then, three molds of CM48T calcined at 540 ° C. are prepared (hereinafter, three are collectively referred to as M48T).

상기에서 제조된 M48T 메조다공성 실리카 주형의 단위 구조를 도 6에 도식적으로 나타내었다. 도 6을 참조하면, M48T 주형 안에는 약 3 nm 내외의 일정한 직경를 가지는 두 거울상처럼 상호 연결되지 않은 메조 세공 A 및 B가 3차원적으로 실리카 구조 내에 분포하고 있다. 그리고, 이들 두개의 메조 세공은 실리카 벽 C에 의해 차단되어 있다. 이와 같은 복잡한 구조의 메조 세공을 도 1에서는 직선으로 표시하여 도식화 하여 나타내었다. 이하의 다음 단계에서 탄소 전구체, 예를 들어, 고분자의 모노머 및 중합 개시제 혼합물은 메조 세공 A 및 B 속으로 주입된다. 그리고, 실리카 벽을 화학적으로 에칭하여 제거하는 과정에서 두개의 메조세공은 서로 부분적으로 접합된다.The unit structure of the M48T mesoporous silica template prepared above is shown schematically in FIG. 6. Referring to FIG. 6, in the M48T template, mesopores A and B which are not interconnected like two mirror images having a constant diameter of about 3 nm are distributed in the silica structure in three dimensions. And these two mesopores are blocked by the silica wall C. The mesopores of such a complicated structure are represented by a straight line in FIG. In the next step below, a carbon precursor such as a polymer monomer and polymerization initiator mixture is introduced into mesopores A and B. In the process of chemically etching and removing the silica wall, two mesopores are partially bonded to each other.

제 2단계: 실리카-탄소 주형 복합체(M48T-탄소 복합체)의 제조Second Step: Preparation of Silica-Carbon Template Composite (M48T-Carbon Composite)

제 1단계에서 제조된 세 가지 주형인 메조다공성 실리카 구조체(AM48T, WM48T 및 CM48T)의 메조세공안에 고분자 전구체를 주입한 후, 고분자 전구체를 중합시켜 고분자-실리카 주형 복합물을 제조하고, 제조된 복합물을 비활성 기체하에서 탄소화 과정을 통해 탄소-실리카 주형 복합물을 제조한다. 상기에서 제시한 세 가지 주형에 따라 세 가지의 탄소-실리카 주형 복합물을 얻는다.After injecting a polymer precursor into the mesopores of the three templates prepared in the first step, the mesoporous silica structures (AM48T, WM48T and CM48T), the polymer precursor is polymerized to prepare a polymer-silica mold composite, and the prepared composite is Carbon-silica template composites are prepared via carbonization under inert gas. According to the three templates presented above, three carbon-silica template composites are obtained.

탄소 전구체는 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴, 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 우레아(urea), 멜라민 (melamin) 또는 CH2 =CRR'(여기에서 R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기를 나타낸다) 등의 단량체를 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), t-부틸퍼아세테이트(t-butyl peracetate), 벤조일퍼옥시드(BPO), 아세틸퍼옥시드(acetyl peroxide), 또는 라우릴퍼옥시드(lauryl peroxide) 개시제를 사용하여 부가중합반응시켜 제조되는 고분자, 페놀-포름알데히드, 페놀, 푸르푸릴 알콜(furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 알데히드, 수크로스, 글루코오스 또는 자일로오스 등의 단량체를 황산 또는 염산과 같은 산촉매를 사용하여 축합중합반응시켜 제조되는 고분자 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택하거나 또는 탄소화 반응에 의해 흑연성 탄소(graphitic carbon)를 형성하는 기타 탄소 전구체를 포함한다. 상기 부가중합 가능한 단량체는 단독으로 또는 2 이상의 단량체의 혼합물로 사용될 수 있다. 이 때, 상기 단량체와 개시제의 몰비는 15:1 내지 35:1이다. 또한 상기 축합중합가능한 단량체도 단독으로 또는 2 이상의 단량체의 혼합물로 사용될 수 있으며, 이 때, 상기 단량체와 산촉매의 몰비는 약 5:1 내지 15:1 이다.The carbon precursor is divinylbenzene, acrylonitrile, vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, urea, melamine or CH 2 = CRR ' Monomers such as azobisisobutyronitrile (AIBN), t-butyl peracetate, benzoyl peroxide (BPO), and acetyl peroxide (acetyl peroxide) or polymers prepared by addition polymerization using a lauryl peroxide initiator, phenol-formaldehyde, phenol, furfuryl alcohol, resorcinol-formaldehyde (RF) Selected from polymers or mesophase pitches prepared by condensation polymerization of monomers such as aldehydes, sucrose, glucose or xylose using an acid catalyst such as sulfuric acid or hydrochloric acid Or by the carbonization reaction it includes other carbon precursor to form a non-graphitizing carbon (graphitic carbon). The addition polymerizable monomers may be used alone or in a mixture of two or more monomers. At this time, the molar ratio of the monomer and the initiator is 15: 1 to 35: 1. The condensation polymerizable monomer may also be used alone or as a mixture of two or more monomers, wherein the molar ratio of the monomer and acid catalyst is about 5: 1 to 15: 1.

상기 단량체와 개시제 또는 단량체와 산촉매 혼합물은 준비된 메조 다공성 실리카 주형에 대하여 20 내지 30 부피%의 양으로 주입하며, 상기 혼합물의 주입은 액상 또는 기상으로 할 수 있다. 보다 구체적으로, 실리카 주형에 상기 혼합물을 액상으로 첨가하거나 진공중 고체 물질을 가열하여 기상으로 주형의 메조세공에 주입시킬 수 있다.The monomer and the initiator or monomer and acid catalyst mixture is injected in an amount of 20 to 30% by volume based on the prepared mesoporous silica template, and the injection of the mixture may be in a liquid phase or a gaseous phase. More specifically, the mixture may be added to the silica mold in the liquid phase, or the solid material in vacuo may be heated and injected into the mesopores of the mold in the gas phase.

부가중합 가능한 단량체 및 필요한 개시제의 혼합물이 주입된 메조 다공성 실리카 주형은 사용된 중합가능한 화합물에 따라 다른 공지된 최적의 조건으로 중합반응시키나, 바람직하게는 60 내지 90℃의 온도에서 3 내지 30시간 동안 중합반응시킨다. 축합중합 가능한 단량체와 산촉매 혼합물의 경우도 사용된 축합중합 가능한 화합물에 따라 다른 공지된 최적의 조건으로 중합반응시키나, 바람직하게는 80 내지 140℃의 온도에서 3 내지 30시간 동안 중합반응시킨다. 두 경우 모두 중합 완료시, 고분자-실리카 주형 복합체가 수득된다. 상기의 축합중합시 촉매인 산은 실리카 표면에 산점자리를 형성시켜 주형이 자체적으로 산촉매 특성을 나타내게 하거나, 외부에서 산촉매(염산, 황산 등)를 가해 고분자 단량체의 축합반응시 촉매로 작용하게 할 수도 있다.The mesoporous silica template infused with a mixture of the addition-polymerizable monomer and the required initiator is polymerized under different known optimum conditions depending on the polymerizable compound used, but preferably for 3 to 30 hours at a temperature of 60 to 90 ° C. Polymerize. In the case of the condensation polymerizable monomer and the acid catalyst mixture, the polymerization may be carried out under other known optimum conditions depending on the condensation polymerizable compound used. In both cases, upon completion of the polymerization, a polymer-silica template complex is obtained. The acid, which is a catalyst during the condensation polymerization, may form an acid site on the surface of silica so that the mold exhibits its own acid catalyst characteristics, or an acid catalyst (hydrochloric acid, sulfuric acid, etc.) may be added from the outside to act as a catalyst during the condensation reaction of the polymer monomer. .

상기 고분자-실리카 복합체를 불활성 기체하에서 800 내지 1500℃의 온도에서 5 내지 15시간동안 고온 열처리하여 상기 고분자를 탄소화시킴으로써 실리카-탄소 복합체(M48T-carbon composite)를 수득한다. 이 때, 승온 속도를 1℃/분 내지 100℃/분의 범위내로 한다.The polymer-silica composite is subjected to high temperature heat treatment at a temperature of 800 to 1500 ° C. under an inert gas for 5 to 15 hours to carbonize the polymer to obtain a silica-carbon composite (M48T-carbon composite). At this time, the temperature increase rate is in the range of 1 ° C / min to 100 ° C / min.

이 단계에 대하여는 본 발명자가 특허 출원한 대한민국 특허출원 제10-2002-0008376호에 상세히 기재되어 있으며, 그 기재 내용은 전체로서 본 발명의 명세서에 참조로써 인용된다.This step is described in detail in Korean Patent Application No. 10-2002-0008376 to which the inventor has applied for a patent, the contents of which are incorporated by reference in the present specification as a whole.

제 3단계: 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C structure)의 제조Third Step: Fabrication of Mesoporous Carbon Structure (M48T-C Structure)

제 2단계에서 제조한 세 가지의 탄소-실리카 주형 복합체를 불화수소산(HF) 용액이나 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 용액으로 처리하여 주형으로 사용된 실리카를 제거하고, 여과 및 세척한 후 70∼100℃의 건조 오븐(drying oven)에서 건조시킨다. 이 단계에 대하여는 본 발명자가 특허 출원한 대한민국 특허출원 제10-2002-0008376호에 상세히 기재되어 있으며, 그 기재 내용은 전체로서 본 발명의 명세서에 참조로써 인용된다.The three carbon-silica template complexes prepared in the second step were treated with hydrofluoric acid (HF) solution, sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) solution to remove silica used as a template, filtered and washed. After drying in a drying oven (70 ~ 100 ℃). This step is described in detail in Korean Patent Application No. 10-2002-0008376 to which the inventor has applied for a patent, the contents of which are incorporated by reference in the present specification as a whole.

이렇게 제조한 메조다공성 탄소 구조체는 주형으로 이용된 주형(AM48T, WM48T, CM48T) 구조체와는 다른 새로운 입방(cubic phase)체의 구조로 상전이가 일어난 복제물(inverse replica)인 AM48T-C, WM48T-C 및 CM48T-C가 된다. 이렇게 얻어진 세가지 탄소 복제물은 실리카 주형에 무관하게 동일한 구조를 보이고 있기 때문에 특별히 구별하지 않고 공히 CM48T-C 로 표시한다.The mesoporous carbon structure thus prepared is a new cubic phase structure different from the mold (AM48T, WM48T, CM48T) structure used as a template, which is an inverse replica of AM48T-C and WM48T-C. And CM48T-C. The three carbon replicas thus obtained show the same structure irrespective of the silica template and are thus designated CM48T-C without particular distinction.

제 4단계: 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)의 제조Fourth Step: Fabrication of Mesoporous Ceramic Structure (HUM-1)

제 3단계에서 제조한 세 가지 메조다공성 탄소 구조체 각각을 주형으로 하여 주형의 메조세공에 세라믹 전구체를 주입한 후 세라믹 전구체를 세라믹으로 전환시켜 세라믹-M@탄소 복합체를 합성한다. 제조 가능한 세라믹의 종류로는 TiO2, SnO2, ZnO2, ZrO2 및 Al2O3 등을 언급할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Ceramic-M @ carbon composites are synthesized by injecting a ceramic precursor into the mesopores of the mold using each of the three mesoporous carbon structures prepared in the third step, and converting the ceramic precursor into a ceramic. Types of ceramics that can be manufactured may include TiO 2 , SnO 2 , ZnO 2 , ZrO 2, and Al 2 O 3 , but are not limited thereto.

상기 단계에 사용될 수 있는 세라믹 전구체로는, 세라믹이 실리카인 경우, 예를 들어, TEOS(tetraethoxysilane), TBOS(tetrabutyl orthosilicate), TMOS(teramethoxysilane), SiCl4(tetrchlorosilane) 등이 있고, 세라믹이 TiO2 인 경우는 티타늄(IV) 부톡사이드(titanium(IV) butoxide), 티타늄(IV) 이소프로폭사이드(titanium(IV) isopropoxide, 티타늄(IV) 클로라이드(titanium(IV) chloride) 등이 있으며, 세라믹이 SnO2 인 경우는 염화주석(IV)(tin(IV) chloride), 주석(IV) tert-부톡사이드(tin(IV) tert-butoxide) 등이 있고, 세라믹이 ZnO2 인 경우는 아세트산 아연(zinc acetate), 염화아연(zinc chloride) 등이 있으며, ZrO2 인 경우는 지르코늄(IV) tert-부톡사이드(zirconium(IV) tert-butoxide), 지르코늄(IV) 클로라이드(zirconium(IV) chloride), 지르코늄(IV) 에톡사이드(zirconium(IV) ethoxide), 지르코늄(IV) 프로폭사이드(zirconium(IV) propoxide 등이 있다.A ceramic precursor which can be used in the step, in the case of ceramic, silica, for example, there are such as TEOS (tetraethoxysilane), TBOS (tetrabutyl orthosilicate), TMOS (teramethoxysilane), SiCl 4 (tetrchlorosilane), the ceramic is TiO 2 Titanium (IV) butoxide, titanium (IV) isopropoxide, titanium (IV) chloride, and the like If the SnO 2 may include tin chloride (IV) (tin (IV) chloride), tin (IV) tert- butoxide (tin (IV) tert -butoxide) , when the ceramic is ZnO 2 is acetic acid zinc (zinc acetate), (and the like, zinc chloride), if ZrO 2 is zirconium (IV) tert- butoxide (zirconium (IV) chloride, zinc tert -butoxide), zirconium (IV) chloride (zirconium (IV) chloride), zirconium (IV) ethoxide (zirconium (IV) ethoxide), zirconium (IV) propoxide (zirconium (IV) propoxide).

세라믹 전구체, 예를 들어, 실리카 전구체인 TEOS(테트라에틸오르소실리케이트, 98%)을 사용하는 경우 TEOS를 주입한 메조다공성 탄소 구조체 주형을 HCl/H2O 증기 또는 NH4OH/H2O 증기로 50 - 100℃에서 반응시키는 방법 또는 실온에서 공기 중에 시료를 노출시켜 공기중 수분과의 반응을 통해 가수분해 반응에 의해 TEOS가 실리카로 전환된다. 세라믹 전구체로서 티타늄(IV) 알콕사이드, 주석(IV) 알콕사이드 또는 지르코늄(IV) 알콕사이드 등의 전구체는 상기 조건으로 세라믹으로 전환시킨다. SiCl4과 TiCl4를 세라믹 전구체로 사용되는 경우 세라믹 전구체를 증기상으로 증착시킨 후 공기중 수분과 반응시켜 세라믹으로 전환시킨다. 아세트산 아연 또는 염화아연 등의 전구체는 용매에 녹여 메조다공성 탄소 구조체 주형의 메조세공에 주입시키고 관로(tube furnace) 내에서 비활성기체 (질소) 분위기 하에서 5 ℃/분씩 온도를 올려 550℃까지 온도를 올리고, 상기 조건에서 3-4 시간동안 유지시켜 세라믹으로 전환시킨다.When using a ceramic precursor, for example, TEOS (tetraethyl orthosilicate, 98%), which is a silica precursor, the mesoporous carbon structure template into which TEOS is injected is either HCl / H 2 O vapor or NH 4 OH / H 2 O vapor. The TEOS is converted to silica by hydrolysis through the reaction with 50 to 100 ° C. or by exposing the sample to air at room temperature. As the ceramic precursor, precursors such as titanium (IV) alkoxide, tin (IV) alkoxide or zirconium (IV) alkoxide are converted to ceramic under the above conditions. When SiCl 4 and TiCl 4 are used as ceramic precursors, the ceramic precursors are deposited in a vapor phase and then reacted with moisture in the air to be converted into ceramics. Precursors, such as zinc acetate or zinc chloride, are dissolved in a solvent and injected into the mesoporous of the mesoporous carbon structure mold, and the temperature is raised to 5,500 / min in an inert gas (nitrogen) atmosphere in a tube furnace, and the temperature is increased to 550, In this condition, it is maintained for 3-4 hours to convert to ceramic.

세라믹 전구체를 메조다공성 탄소 구조체 주형의 메조 세공에 주입하는 과정에서는 메조다공성 탄소 구조체 주형과 세라믹 전구체 혼합물을 진공반응용기에 넣고 2∼3 시간 동안 진공 상태로 유지시켜 탄소 주형의 메조세공에 존재하는 공기를 제거함과 동시에 세라믹 전구체 용액이 주형의 세공으로 주입되도록 하고, 공기중의 수분에 의한 세라믹 전구체의 세라믹으로의 전환을 방지하기 위하여 진공반응용기에 건조된 비활성기체(N2 또는 Ar)를 주입하고 탄소 주형과 세라믹 전구체 혼합물을 원심분리하여 과량의 실리카 전구체를 제거시킨다.In the process of injecting the ceramic precursor into the mesopores of the mesoporous carbon structure mold, the mixture of the mesoporous carbon structure mold and the ceramic precursor mixture is placed in a vacuum reaction vessel and maintained in a vacuum state for 2 to 3 hours to maintain the air in the mesopores of the carbon mold. At the same time, the ceramic precursor solution is injected into the pores of the mold, and dried inert gas (N 2 or Ar) is injected into the vacuum reactor to prevent the conversion of the ceramic precursor into the ceramic by the moisture in the air. The carbon template and the ceramic precursor mixture are centrifuged to remove excess silica precursor.

예를 들어, 세라믹이 실리카인 경우, 탄소 주형-실리카 복합체를 공기 분위기하에서 관로(tube furnace)에서 1℃/분씩 550℃까지 온도를 올리고, 550℃에서 6시간동안 가열하여 탄소 주형을 제거하여 메조다공성 실리카(HUM-1: Hannam University Mesostructrue-1)를 제조한다. 이 때 탄소 주형이 제거될 때 탄소의 산화에 의한 국지적 과열에 의한 퓸드 실리카(fumed silica)의 생성을 막기 위해 균일한 가열이 가능하도록 소량의 복합체를 열처리하여야 한다. 즉, 열처리하는 복합체의 두께를 가능하면 얇게 하여야 하나, 관로가 회전 가능하다면 보다 많은 양을 열처리하더라도 보다 균일한 가열이 가능할 수 있다.For example, when the ceramic is silica, the carbon template-silica composite is heated to 550 ° C. in 1 ° C./min in a tube furnace under an air atmosphere, and heated at 550 ° C. for 6 hours to remove the carbon molds and thus the meso Porous silica (HUM-1: Hannam University Mesostructrue-1) is prepared. At this time, when the carbon template is removed, a small amount of the composite should be heat-treated to enable uniform heating to prevent the formation of fumed silica due to local overheating by the oxidation of carbon. That is, the thickness of the composite to be heat-treated should be as thin as possible, but if the pipe is rotatable, even more heat treatment may be possible to more uniform heating.

제 5단계: 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 주형으로 한 새로운 메조다공성 탄소 구조체의 제조Step 5: Fabrication of a new mesoporous carbon structure based on a mesoporous ceramic structure (HUM-1)

상기에서 설명한 바와 같이 다양한 세라믹 전구체를 사용하여 다양한 세라믹으로 구성된 메조다공성 세라믹 구조체를 제조할 수도 있으나, 세라믹이 실리카인 HUM-1을 상기 제 2 및 3 단계의 주형으로 사용하고, 다른 세라믹 전구체를 제3단계에서 사용하여 제2 내지 제4단계를 반복함으로써 다른 세라믹 재질로 이루어진 동일한 구조의 HUM-1을 얻을 수도 있다.As described above, a mesoporous ceramic structure composed of various ceramics may be manufactured using various ceramic precursors, but HUM-1, which is ceramic, is used as the mold of the second and third steps, and another ceramic precursor is used. It is also possible to obtain HUM-1 having the same structure made of different ceramic materials by repeating the second to fourth steps using in the third step.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to specific examples, but these examples are only intended to more clearly understand the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예 1 : 새로운 결정 구조를 갖는 메조 다공성 탄소 구조체의 제조Example 1 Preparation of Mesoporous Carbon Structure with New Crystal Structure

1) 메조 다공성 실리카 주형의 제조1) Preparation of mesoporous silica template

메조다공성 탄소 주형의 제조에 필요한 메조다공성 실리카 주형(M48T)은 제조는 공지된 제조 방법인 Ryoo, R., Joo. S.H., Kim, J.H. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7435에 개시된 방법을 이용하였다. 주형제로서 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(C16H33N(CH3)3Br; CTMABr)과 BrijTM(C12 H25(OCH2CH2)nOH, n≒4)을 사용하였고, 실리카 공급원으로서 콜로이달 실리카인 루독스(Ludox) HS40을 사용하였다. 수산화 나트륨(NaOH)을 사용하여 합성용액을 염기성으로 만들었다. 주형제, 실리카 공급원, 수산화 나트륨과 물의 몰 비를 5.0 SiO2 : 0.85 CTMABr : 0.15 BrijTM : 2.5 NaOH : 400 H2O로 하여 실온에서 30분간 교반시킨 후 100℃에 48시간 동안 반응시키고, 실온으로 냉각 시켰다. 냉각 시킨 반응물의 pH를 30wt% 아세트산 수용액을 이용하여 pH 10으로 보정시킨 후 실온에서 20분간 더 교반시킨 후 100℃에서 48시간 동안 반응시켰다. 반응 종결 후 실온으로 냉각 시켜 침전물을 여과하고, 증류수로 세척한 후 100℃에서 12시간 동안 건조 시켜 메조다공성 MCM-48 실리카를 얻었다. 계면활성제를 포함하고 있는 MCM-48을 단지 100℃에서 건조한 상태인 AM48T, 다음 건조된 MCM-48 실리카 1g 당 100 ml 의 0.1M HCl/EtOH 용액을 가하여 실온에서 6시간 동안 교반시킨 후 여과하고, EtOH(95%) 용액으로 세척한 후 100℃에서 12시간 동안 건조한 상태인 WM48T를 얻었다. 그리고 건조된 MCM-48 실리카를 540℃에서 6시간 소성처리하여 메조다공성 CM48T 주형을 얻었다. 이러한 방법으로 총 모두 세 가지의 다르게 전처리된 메조다공성 실리카 주형을 제조하였다.The mesoporous silica mold (M48T) required for the preparation of the mesoporous carbon mold is manufactured by Ryoo, R., Joo. SH, Kim, JH J. Phys. Chem. The method disclosed in B 1999, 103, 7435 was used. Cetyltrimethylammonium bromide (C 16 H 33 N (CH 3 ) 3 Br; CTMABr) and Brij (C 12 H 25 (OCH 2 CH 2 ) n OH, n ≒ 4) were used as template and as silica source Ludox HS40, a colloidal silica, was used. The synthetic solution was made basic using sodium hydroxide (NaOH). The molar ratio of the template, silica source, sodium hydroxide and water was 5.0 SiO 2 : 0.85 CTMABr: 0.15 Brij TM : 2.5 NaOH: 400 H 2 O, stirred at room temperature for 30 minutes, and reacted at 100 ° C. for 48 hours. Cooled down. The pH of the cooled reactant was adjusted to pH 10 using an aqueous 30 wt% acetic acid solution, followed by further stirring at room temperature for 20 minutes and then reacting at 100 ° C. for 48 hours. After completion of the reaction, the precipitate was cooled to room temperature, the precipitate was filtered, washed with distilled water, and dried at 100 ° C. for 12 hours to obtain mesoporous MCM-48 silica. The MCM-48 containing the surfactant was dried at only 100 ° C., AM48T, and then 100 ml of 0.1 M HCl / EtOH solution per 1 g of dried MCM-48 silica was stirred at room temperature for 6 hours, followed by filtration, After washing with EtOH (95%) solution, WM48T was dried at 100 ° C. for 12 hours. The dried MCM-48 silica was calcined at 540 ° C. for 6 hours to obtain a mesoporous CM48T template. In this way, all three different pretreated mesoporous silica templates were prepared.

도 2의 곡선 a는 상기 실시예 1-1)에서 제조된 세 가지 메조다공성 실리카 주형(M48T) 중에서 CM48T의 PXRD pattern(powder X-ray diffraction pattern)을 보여주고 있으며, 보고된 제조방법에서 보여준 결과와 일치하고 있다.Curve a of FIG. 2 shows PXRD pattern (powder X-ray diffraction pattern) of CM48T among the three mesoporous silica templates (M48T) prepared in Example 1-1), and the results shown in the reported manufacturing method Is consistent with

2) 디비닐벤젠을 전구체로 사용한 메조다공성 탄소 구조체의 제조 2) Preparation of Mesoporous Carbon Structure Using Divinylbenzene as Precursor

탄소 전구체로 디비닐벤젠을 사용하는 경우 실시예 1-1)에서 제조된 메조다공성 실리카 주형(M48T) 메조세공에 디비닐벤젠과 라디칼 개시제인 아조비스이소부티로니트릴(2,2'-azobisisobutyronitrile; AIBN, 98%) 혼합물(몰비; 25 디비닐벤젠 : 1 AIBN)을 주입시키는 방법은 다음과 같다. 디비닐벤젠 용액(80%)에 라디칼 개시제인 AIBN 고체를 용해시켜 투명한 액체를 제조하고, 그 용액에 고체상의 메조다공성 실리카를 투입하였다. 이 혼합물을 진공 용기에 넣은 후 0.2mmHg로 감압시키고 감압하의 진공 용기에 질소 가스를 충진한 후 1500rpm의 원심분리기에서 30분간 원심분리하여 과량의 디비닐벤젠 및 AIBN을 제거한 후 겔 상태인 메조다공성 실리카 주형, 디비닐벤젠 및 AIBN 혼합물을 0.2mmHg로 감압시켰다. 감압 상태에서 70℃에서 12 시간동안 중합시켜 디비닐벤젠 고분자-M48T 복합체를 제조하였다. 제조된 복합체를 관로(tube furnace) 내에서 질소 분위기 하에서 5℃/분씩 온도를 올려 900 ∼ 1000℃의 온도 범위에서 7 시간 동안 가열하여 디비닐벤젠 고분자를 탄소화 시켜 탄소-M48T 복합체를 얻었다. 제조된 탄소-M48T 복합체 1 g을 증류수 40 ml에 분산시킨 후 50 wt%의 HF 용액 10 ml를 가하고, 25℃에서 12 시간동안 교반하여 실리카 주형 부분을 제거하고, 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)을 여과, 세척, 건조하여 얻었다.When divinylbenzene is used as the carbon precursor, azobisisobutyronitrile (2,2'-azobisisobutyronitrile), which is a divinylbenzene and a radical initiator, is used in the mesoporous silica template (M48T) mesoporous prepared in Example 1-1; AIBN, 98%) The mixture (molar ratio; 25 divinylbenzene: 1 AIBN) is injected as follows. AIBN solid as a radical initiator was dissolved in divinylbenzene solution (80%) to prepare a clear liquid, and solid mesoporous silica was added to the solution. The mixture was placed in a vacuum vessel, depressurized to 0.2 mmHg, filled with nitrogen gas into a vacuum vessel under reduced pressure, and centrifuged for 30 minutes in a 1500 rpm centrifuge to remove excess divinylbenzene and AIBN, followed by gel mesoporous silica. The mold, divinylbenzene and AIBN mixtures were reduced to 0.2 mm Hg. The divinylbenzene polymer-M48T composite was prepared by polymerization at 70 ° C. for 12 hours under reduced pressure. The prepared composite was heated in a tube furnace at a temperature of 5 ° C./min in a nitrogen atmosphere for 7 hours in a temperature range of 900˜1000 ° C. to carbonize the divinylbenzene polymer to obtain a carbon-M48T composite. 1 g of the prepared carbon-M48T composite was dispersed in 40 ml of distilled water, and then 10 ml of 50 wt% HF solution was added thereto, and stirred at 25 ° C. for 12 hours to remove the silica mold portion, and the mesoporous carbon structure (M48T-C ) Was obtained by filtration, washing and drying.

도 2의 곡선 b는 상기 실시예 1-2)에서 디비닐벤젠 고분자를 탄소 전구체로 사용하여 제조된 메조다공성 탄소 주형(M48T-C)의 PXRD 패턴을 보여주고 있으며, 보고된 제조방법에서 보여준 결과와 일치하고 있다. Curve b of Figure 2 shows the PXRD pattern of the mesoporous carbon template (M48T-C) prepared by using the divinylbenzene polymer as a carbon precursor in Example 1-2), the results shown in the reported manufacturing method Is consistent with

도 3a는 상기에서 제조된 메조다공성 탄소 주형(M48T-C)의 투과 전자현미경(TEM: transmission electron microscope) 사진이다. 3A is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the mesoporous carbon template (M48T-C) prepared above.

메조다공성 실리카 주형(M48T)을 이용하여 제조된 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)는 주형으로 이용된 메조다공성 실리카 주형(MCM-48)과 다른 구조를 가지며, 이러한 결과는 보고된 결과와 일치 한다.[Suk Bon Yoon, Jeong Yeon Kim and Jong-Sung Yu, Chem. commun., 2002, 1536. 참조]The mesoporous carbon structure (M48T-C) prepared using mesoporous silica template (M48T) has a different structure from the mesoporous silica template (MCM-48) used as a template, and the results are consistent with the reported results. Suk Bon Yoon, Jeong Yeon Kim and Jong-Sung Yu, Chem. commun. , 2002 , 1536.]

3) 페놀레진을 전구체로 사용한 메조다공성 탄소 구조체의 제조3) Preparation of mesoporous carbon structure using phenol resin as precursor

탄소 전구체로 페놀레진을 사용하는 경우는 단량체들의 중합반응을 위하여 산(acid) 촉매가 필요하다. 이를 위해 먼저 제조된 CM48T 주형을 150℃에서 12시간 동안 건조시킨 후, 건조된 CM48T 주형 1 g을 에탄올(95 %) 10 ml에 AlCl3 (0.34g)을 녹인 수용액에 첨가한 후, 30분 동안 교반하고, 여과한 후 150℃ 오븐에서 건조시켰다. 건조된 CM48T 실리카 주형을 500℃에서 4 시간동안 대기 중에서 소성처리를 하면, 알루미늄(Al) 이온이 실리카 표면에 접목되어(implanted) 실리카 표면에 첨가되고, 이 첨가된 알루미늄(Al)으로 인해 실리카 표면에 산점자리(acidic site)가 형성된다. 이렇게 형성된 CM48T 알루미노실리케이트의 표면에 산점자리를 만든 후 99 wt% 페놀을 가하고, 진공유리반응용기 속에 투입하여 0.3 mmHg으로 감압시킨 후 140℃에서 12 시간정도 가열한 다음 95 wt%의 포름알데하이드를 가하고, 120℃에서 6 시간정도 가열하였다. 상기에서 사용된 페놀과 포름알데하이드는 CM48T 주형 1 g 에 대해 각각 0.20 g, 0.16 g을 사용하였다. 상기 복합체를 관로(tube furnace) 내에서 질소 분위하에서 1℃/분씩 온도를 올려 160℃까지 온도를 올리고, 상기 온도에서 5 시간동안 유지하여 고분자 전구체를 고분자화시켜 페놀레진-CM48T 알로미노실리케이트 주형 복합체를 제조하고, 복합체를 관로(tube furnace) 내에서 비활성기체 (질소) 분위기 하에서 5℃/분씩 온도를 올려 900 ∼ 1000℃까지 온도를 올리고, 상기 조건에서 7 시간동안 유지시켜 탄소-CM48T 알로미노실리케이트 주형 복합체를 얻었다. 상기 탄소-CM48T 알로미노실리케이트 주형 복합체 1 g을 증류수 40 ml에 분산시킨 후 50 wt%의 HF 용액 10 ml를 가하고, 25 ℃에서 12 시간동안 교반하여 실리카 주형 부분을 제거하고, 메조다공성 탄소 주형을 여과, 세척, 건조하여 얻었다.When phenol resin is used as the carbon precursor, an acid catalyst is required for the polymerization of monomers. To this end, the prepared CM48T mold was first dried at 150 ° C. for 12 hours, and then dried. 1 g was added to an aqueous solution of AlCl 3 (0.34 g) dissolved in 10 ml of ethanol (95%), stirred for 30 minutes, filtered, and dried in an oven at 150 ° C. When the dried CM48T silica mold was calcined at 500 ° C. for 4 hours in the air, aluminum (Al) ions were implanted on the silica surface and added to the silica surface, and the added aluminum (Al) gave the silica surface. Acidic sites are formed in the. After forming the acid site on the surface of the CM48T aluminosilicate thus formed, 99 wt% phenol was added, and the mixture was put in a vacuum glass reaction vessel, reduced to 0.3 mmHg, heated at 140 ° C. for 12 hours, and 95 wt% of formaldehyde was added. It heated at 120 degreeC for about 6 hours. Phenol and formaldehyde used above were 0.20 g and 0.16 g for 1 g of CM48T template, respectively. Phenol resin-CM48T aluminosilicate template complex was polymerized by polymerizing a polymer precursor by raising the temperature to 160 ° C. by raising the temperature by 1 ° C./min in a nitrogen atmosphere in a tube furnace in a tube furnace. The composite was prepared in a tube furnace under an inert gas (nitrogen) atmosphere by raising the temperature by 5 ° C./min in order to raise the temperature to 900-1000 ° C., and maintaining the above conditions for 7 hours to obtain carbon-CM48T aluminosilicate. A template complex was obtained. After dissolving 1 g of the carbon-CM48T aluminosilicate template complex in 40 ml of distilled water, 10 ml of 50 wt% HF solution was added thereto, and stirred at 25 ° C. for 12 hours to remove the silica mold portion, and the mesoporous carbon template was removed. Obtained by filtration, washing and drying.

실시예 2 : 메조다공성 탄소 주형과 실리카 복합체 제조Example 2 Preparation of Mesoporous Carbon Template and Silica Composite

상기 실시예 1-2) 및 1-3)에서 제조된 메조다공성 탄소 주형의 메조 세공에 실리카 전구체를 주입시킨 후 소결시켜 복합체를 제조하였다. 상기 실시예에서 제조된 메조다공성 탄소 주형(M48T-C)을 100℃ 진공 오븐에서 12시간 건조시킨 후 실리카 전구체인 테트라에톡시실란(TEOS; 98%) 용액을 주입시켰다. 구체적으로는, 상기 M48T-C 1g과 TEOS 5 ml 혼합물을 진공반응용기에 넣고 2 시간 동안 0.2 mmHg의 감압 상태로 유지시켜 탄소 주형(M48T-C) 메조세공에 존재하는 공기를 제거함과 동시에 TEOS(98%)용액이 주형의 세공으로 주입되도록 한다. 진공반응용기에 건조된 비활성기체(N2)를 주입하고 탄소 주형(M48T-C)과 TEOS 혼합물을 원심분리하여 과량의 TEOS를 제거하였다. TEOS가 주입된 탄소 주형을 HCl/H2O 증기로 100℃에서 24시간 동안 반응시키는 방법을 이용하여 실리카 전구체를 가수분해시켜 메조다공성 탄소-실리카 복합체를 제조하였다.The composite was prepared by injecting a silica precursor into the mesopores of the mesoporous carbon template prepared in Examples 1-2) and 1-3) and sintering. The mesoporous carbon template (M48T-C) prepared in the above example was dried in a vacuum oven at 12 ° C. for 12 hours, and then injected with a silica precursor tetraethoxysilane (TEOS; 98%) solution. Specifically, the mixture of 1 g of M48T-C and 5 ml of TEOS is placed in a vacuum reactor and kept at a reduced pressure of 0.2 mmHg for 2 hours to remove air present in the carbon template (M48T-C) mesoporous and at the same time TEOS ( 98%) and the solution is injected into the pores of the mold. The dried inert gas (N 2 ) was injected into the vacuum reaction vessel, and the TEOS mixture was removed by centrifugation of the carbon template (M48T-C) and the TEOS mixture. The mesoporous carbon-silica composite was prepared by hydrolyzing the silica precursor using a method in which the TEOS-infused carbon template was reacted with HCl / H 2 O steam at 100 ° C. for 24 hours.

실시예 3 : 새로운 구조를 가지는 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1) 제조Example 3 Preparation of Mesoporous Silica Structure (HUM-1) with New Structure

상기 실시예 2에서 제조된 메조다공성 탄소-실리카 복합체 5 g을 공기 분위기하에서 관로(tube furnace)에서 1℃/분씩 550℃ 온도를 올리고, 550℃에서 6 시간동안 가열하여 탄소 주형을 제거하여 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)를 제조하였다. 이 때, 탄소 주형이 제거될 때 탄소의 산화에 의한 국지적 과열에 의한 퓸드 실리카(fumed silica)의 생성을 방지하기 위해 소량의 복합체를 열처리 하였다. 5 g of the mesoporous carbon-silica composite prepared in Example 2 was heated to 550 ° C. at 1 ° C./min in a tube furnace under an air atmosphere, and heated at 550 ° C. for 6 hours to remove the carbon template, thereby reducing mesoporousness. A silica structure (HUM-1) was prepared. At this time, when the carbon template was removed, a small amount of the composite was heat-treated to prevent the formation of fumed silica due to local overheating by oxidation of carbon.

도 2의 곡선 c는 상기에서 제조된 실리카 구조체(HUM-1)의 PXRD 패턴을 보여주고 있는데, 메조다공성 실리카 주형 구조체(M48T)와 다른 새로운 구조체임을 알 수 있고, 매우 규칙적인 메조세공이 있을 것으로 예측할 수 있다. Curve c of Figure 2 shows the PXRD pattern of the silica structure (HUM-1) prepared above, it can be seen that the new structure different from the mesoporous silica template structure (M48T), there will be a very regular mesopore It can be predicted.

도 3b는 상기에서 제조된 실리카 구조체(HUM-1)의 투과 전자현미경(TEM: transmission electron microscope) 사진이며, 메조세공이 규칙적으로 배열된 것을 확인할 수 있다. 3B is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the silica structure HUM-1 prepared above, and it can be seen that mesopores are regularly arranged.

도 4는 실시예 1-3에서 제조된 메조다공성 CM48T, CM48T-C 그리고 새로운 구조를 갖는 메조다공성 HUM-1 구조체의 질소 흡착 등온곡선(sorption isotherms)과 이에 대응하는 세공크기 분포 곡선(pore size distribution curves)을 나타낸 것이다. 실시예 3에서 제조된 실리카 구조체는 질소(N2) 흡착-탈착 곡선을 통해서 주형으로 사용된 CM48T, CM48T-C와 다른 구조를 갖는 물질임을 알 수 있다. 한편, 도 4의 M48T-C-실리카 복합체의 흡착 등온선은 질소의 압력이 높아지더라도 더 이상 질소의 흡착이 일어나지 않고 평탄하여, M48T-C의 메조 세공속에 실리카가 빈틈없이 충진되었음을 확인할 수 있다.FIG. 4 shows nitrogen adsorption isotherms and corresponding pore size distribution curves of mesoporous CM48T, CM48T-C and mesoporous HUM-1 structures having a novel structure prepared in Examples 1-3. FIG. curves). Silica structure prepared in Example 3 can be seen that the material having a structure different from the CM48T, CM48T-C used as a template through the nitrogen (N 2 ) adsorption-desorption curve. On the other hand, the adsorption isotherm of the M48T-C-silica composite of Figure 4 is flat even without the adsorption of nitrogen even if the pressure of nitrogen increases, it can be confirmed that the silica filled in the mesopores of M48T-C.

실시예 4 : 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)를 주형으로 한 메조다공성 탄소 구조체의 제조Example 4 Preparation of Mesoporous Carbon Structures Based on Mesoporous Silica Structures (HUM-1)

실시예 3에서 제조된 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)를 주형으로 사용하여 실시예 1-2) 및 1-3)과 동일한 방식으로 제 2세대 메조 다공성 탄소를 제조하였다.A second generation mesoporous carbon was prepared in the same manner as in Examples 1-2) and 1-3) using the mesoporous silica structure (HUM-1) prepared in Example 3 as a template.

도 5는 상기에서 제조한 메조다공성 탄소 구조체의 투과 전자현미경(TEM: transmission electron microscope) 사진이며, 메조세공이 규칙적으로 배열된 것을 확인할 수 있다.5 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the mesoporous carbon structure prepared above, and it can be seen that mesopores are regularly arranged.

상기 실시예 4와 같이 새로운 구조를 가지는 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)의 응용성은 주형으로의 사용뿐만 아니라, 그 자체로서의 흡착제, 구조체에 Al, Ti 등과 같은 금속을 도입시킬 수 있고, 구조체 내에 금속이 도입된 구조체는 다양한 전이 금속을 이용교환 시킬 수 있어 새로운 촉매로서 활용할 수 있다.Applicability of the mesoporous silica structure (HUM-1) having a new structure as in Example 4, as well as use as a template, it is possible to introduce a metal such as Al, Ti, etc. into the adsorbent, the structure itself, and the structure The structure in which the metal is introduced can be utilized as a new catalyst because it can be exchanged with various transition metals.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 먼저 도1을 참조하면. 유기 주형제(계면활성제)와 실리카를 이용하여 메조다공성 실리카 주형(M48T)를 제조하고, 이를 주형으로 하여 인-시튜(in-situ) 방식으로 탄소 전구체의 고분자화 및 탄소화를 통해 M48T-탄소 복합체를 제조하고 이것을 에칭을 통해 실리카 부분을 제거하여 메조다공성 M48T-탄소 구조체를 제조한 후 이것을 주형으로 하여 그 메조 세공 내에 세라믹 전구체를 주입하고 세라믹으로 전환시킨 후 탄소를 제거하여 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 제조한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Referring first to FIG. A mesoporous silica mold (M48T) is prepared by using an organic template (surfactant) and silica, and the M48T-carbon is obtained by polymerizing and carbonizing a carbon precursor in an in-situ manner. A composite was prepared, and the silica portion was removed by etching to prepare a mesoporous M48T-carbon structure, which was then used as a template to inject a ceramic precursor into the mesopores, converted to ceramic, and then removed carbon to remove the mesoporous ceramic structure ( HUM-1) is prepared.

도 2는 위와 같은 과정을 통해 제조한 메조다공성 실리카 주형(a), 메조다공성 M48T-탄소 구조체(b) 및 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)(c)의 PXRD 패턴을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 먼저, 메조다공성 실리카 주형(M48T)은 2θ=2.35°에서 강한 피크(211)를 나타내지만(곡선 a 참조), 메조다공성 M48T-탄소 구조체는 2θ=1.62° 및 2θ=2.35°에서 각각 두개의 거의 같은 세기의 강한 피크(110 및 211)를 나타내고(곡선 b 참조), 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)은 2θ=1.64°에 하나의 강력한 피크(110)와 2θ=2.74°에 하나의 약한 피크(211)를 나타낸다(곡선 c 참조). 이것은 메조다공성 실리카 주형(M48T)로부터 메조다공성 실리카 구조체(HUM-1)를 제조하는 과정에서 구조체의 상 전이가 일어났음을 알 수 있게 해 준다. 구체적으로, Ia3d 스페이스 그룹을 가진 입방 구조의 M48T 주형의 결정 구조가 I41/a 스페이스 그룹을 가진 새로운 입방 구조의 메조다공성 실리카 구조체로 전이되었음을 말해준다. 이러한 상 전이는 두개의 거울상 관계의 상호 연결되지 않은 메조세공 채널(channel)의 상대적 위치가 변화된 것에 기인하는 것으로 판단된다. 이 변화는 실리카 골격을 제거하는 과정에서 에너지를 최소화하기 위한 것으로 생각된다. 또한, 도 2의 곡선 c로부터 HUM-1은 주기적으로 잘 정렬된 메조세공을 가진 정렬 구조임을 알 수 있다. 피크의 세기는 2θ=1.2°에서 2θ=7.0°까지의 곡선하 면적(AUC:area under the curve)를 적분하여 구하였는 데, HUM-1의 AUC는 M48T의 AUC의 90% 이상으로써, 이것은 순차적인 복제 과정에도 불구하고 주형의 집적도(integrity)가 유지되고 있음을 나타내 준다.Figure 2 shows the PXRD pattern of the mesoporous silica template (a), mesoporous M48T-carbon structure (b) and mesoporous silica structure (HUM-1) (c) prepared through the above process. Referring to FIG. 2, first, the mesoporous silica template (M48T) shows a strong peak 211 at 2θ = 2.35 ° (see curve a), while the mesoporous M48T-carbon structure has 2θ = 1.62 ° and 2θ = 2.35. The two strong peaks 110 and 211 of approximately the same intensity are shown at degrees (see curve b), and the mesoporous silica structure (HUM-1) shows one strong peak 110 at 2θ = 1.64 ° and 2θ = 2.74. One weak peak 211 is shown at ° (see curve c). This makes it possible to know that the phase transition of the structure occurred during the preparation of the mesoporous silica structure (HUM-1) from the mesoporous silica template (M48T). Specifically, the crystal structure of the cubic M48T template with Ia3d space group was transferred to the new cubic mesoporous silica structure with I41 / a space group. This phase transition is believed to be due to a change in the relative position of the non-interconnected mesoporous channels of the two mirror image relationships. This change is believed to minimize energy in the process of removing the silica backbone. In addition, it can be seen from the curve c of FIG. 2 that the HUM-1 is an alignment structure having mesopores periodically well aligned. The intensity of the peak was obtained by integrating the area under the curve (AUC) from 2θ = 1.2 ° to 2θ = 7.0 °, where the AUC of HUM-1 is over 90% of the AUC of M48T, which is sequential. Despite the copying process, the integrity of the template is maintained.

도 3a 및 도3b는 각각 M48T-탄소 구조체 및 HUM-1의 TEM 사진을 보여주는 것인데, 도3b는 HUM-1이 M48T-타소 구조체와 유사하게 세공 및 벽이 균일하게 분포된, 주기적으로 매우 잘 정렬된 구조를 가지고 있음을 보여준다. 또한, 이것은 도 2의 XRD 패턴을 통한 해석과도 일치한다. 3A and 3B show TEM images of the M48T-carbon structure and HUM-1, respectively, and FIG. 3B shows very well aligned periodically, with uniform pore and wall distribution, similar to HUM-1 with M48T-Taso structure. Shows that it has a structure. This is also consistent with the interpretation via the XRD pattern of FIG. 2.

도 4는 M48T 실리카 주형(■), 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)(●), 및 이에 대응하는 탄소-실리카 복합체(▲) 및 HUM-1(◆)의 질소 가스 흡착 등온곡선 및 대응하는 탄소(M48T)-실리카 주형(■), 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)(●) 및 HUM-1(◆)의 기공 크기 분포 곡선이다. 흡착등온곡선에서 검게 채워진 선은 흡착선을, 채워지지 않은 선은 탈착선을 나타낸다. 흡착시험은 각 시료를 423K에서 20μTorr의 압력하에서 4 내지 6시간동안 탈기시킨 후 77K에서 마이크로메트리틱스 (Micrometritics) ASAP 2000 가스 흡착 분석기를 사용하여 측정하였다. 대응하는 기공 크기 분포는 BJH 법(Barret-Joyner-Halenda method)으로 흡착 등온곡선으로부터 계산한 것이다. 4 shows nitrogen gas adsorption isotherms of M48T silica templates (■), mesoporous carbon structures (M48T-C) (●), and corresponding carbon-silica composites (▲) and HUM-1 (◆) and corresponding Pore size distribution curves of carbon (M48T) -silica template (■), mesoporous carbon structure (M48T-C) (●), and HUM-1 (◆). The black filled line represents the adsorption line and the unfilled line represents the desorption line. Adsorption tests were measured using a Micrometritics ASAP 2000 gas adsorption analyzer at 77 K after each sample was degassed at 4 μL for 6-6 hours at 20 μTorr at 423 K. The corresponding pore size distribution is calculated from the adsorption isotherm using the Barrett-Joyner-Halenda method.

탄소-실리카 복합체를 제외하고, 측정된 등온 곡선은 IUPAC 명명법에 따르면, type-IV로 분류될 수 있고, 이것은 메조다공성 고체의 특성을 나타낸다. 탄소-실리카 복합체는 거의 평탄한 흡착등온 곡선을 보여주는 데, 이것은 기공 부피 및 표면적이 상대적으로 매우 낮음을 보여준다. 또한 상기 복합체는 TG 분석 결과 58-63wt%의 실리카 및 37-42wt%의 탄소로 이루어져 있음이 밝혀졌다. 이것은 메조다공성 탄소 구조체의 기공 부피 및 2.2g/cm3 의 비정질 실리카 밀도를 근거로 계산한 실리카의 양과 비교했을 때, 탄소 구조체 중의 약 75 내지 83%의 메조 세공이 실리카로 채워졌음을 나타낸다. 이것은 CM48T-탄소에서 관찰된 약 20%와 일치한다. 한편, HUM-1의 흡착 등온 곡선은 다른 구조체의 그것과는 확연히 다름을 알 수 있다.Except for the carbon-silica complex, the measured isothermal curves can be classified as type-IV, according to the IUPAC nomenclature, which characterizes mesoporous solids. The carbon-silica composite shows a nearly flat adsorption isotherm curve, which shows that the pore volume and surface area are relatively very low. The composite was also found to consist of 58-63 wt% silica and 37-42 wt% carbon. This indicates that about 75 to 83% of the mesopores in the carbon structure is filled with silica as compared to the amount of silica calculated based on the pore volume of the mesoporous carbon structure and the amorphous silica density of 2.2 g / cm 3 . This is consistent with about 20% observed in CM48T-carbon. On the other hand, it can be seen that the adsorption isotherm curve of HUM-1 is significantly different from that of other structures.

HUM-1의 BET 표면적은 472m2/g으로써 다른 구조체의 약 절반인 것으로 확인되었다. HUM-1의 기공 부피는 1.25mL/g으로써 M48T의 그것과 거의 동일한 것으로 확인되었다. 한편, HUM-1의 평균 기공 크기는 4.2nm로써 이것은 다른 구조체의 2.8nm 및 1.9nm보다 훨씬 큰 값이다.The BET surface area of HUM-1 was 472m 2 / g, which was found to be about half of the other structures. The pore volume of HUM-1 was 1.25 mL / g, which was confirmed to be almost the same as that of M48T. On the other hand, the average pore size of HUM-1 is 4.2 nm, which is much larger than the 2.8 nm and 1.9 nm of other structures.

이상의 결과들을 아래의 표에 요약하여 나타내었다.The above results are summarized in the table below.

샘플Sample d-스페이싱(nm)d-spaced (nm) 단위 셀 파라미터(a0)(nm)Unit cell parameter (a 0 ) (nm) BET 표면적(m2/g)BET surface area (m 2 / g) 총 기공 부피 (mL/g)Total Pore Volume (mL / g) 기공 크기(nm)Pore size (nm) M48TM48T 3.763.76 9.219.21 10821082 1.211.21 2.782.78 M48T-CM48T-C 5.465.46 7.727.72 11001100 0.940.94 1.881.88 HUM-1HUM-1 5.385.38 7.617.61 472472 1.251.25 4.214.21

두개의 거울상 이성체와 같이 서로에 연결되지 않고 3차원적으로 발달된 메조세공의 구조적 특성을 보이는 입방 결정구조의 MCM-48 구조체를 다양하게 전처리한 후, 주형으로 하여 새로운 구조를 갖는 메조다공성 탄소 구조체를 제조하고, 합성된 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)를 다시 주형으로 이용하여 주형 메조세공에 세라믹 전구체를 주입시킨 후 전구체를 세라믹으로 전환시킨 후 주형을 제거하여 새로운 결정 구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 제조하였다. 본 발명에서 제조된 새로운 결정 구조를 가지는 메조다공성 세라믹 구조체는 주형으로의 응용성뿐만 아니라, 촉매, 분리제, 탈착제, 정수제, 흡착제, 막 물질, 센서, 저장제 등 다양한 용도로 응용될 수 있다.After pretreatment of various cubic crystalline MCM-48 structures that show the structural characteristics of mesopores that are three-dimensionally developed without being connected to each other like two enantiomers, a mesoporous carbon structure having a new structure as a template Was prepared, using a synthesized mesoporous carbon structure (M48T-C) as a mold again, injecting a ceramic precursor into the mold mesoporous, converting the precursor into a ceramic, and then removing the mold, a mesoporous ceramic having a new crystal structure. The construct (HUM-1) was prepared. The mesoporous ceramic structure having the new crystal structure prepared in the present invention can be applied to various applications such as a catalyst, a separator, a desorbent, a water purifier, an adsorbent, a membrane material, a sensor, a storage agent, as well as an application to a mold. have.

도 1은 메조다공성 실리카 주형(M48T)으로부터 얻은 메조다공성 실리카 주형(M48T-탄소 복합체)을 이용하여 탄소 주형(M48T-C, 메조다공성 탄소 구조체)을 제조하고, 이 탄소 주형을 이용하여 본 발명에 따른 새로운 결정 구조의 메조다공성 세라믹(실리카) 구조체(HUM-1)의 제조 과정을 모식적으로 나타낸 것이다.1 is a carbon template (M48T-C, mesoporous carbon structure) was prepared using a mesoporous silica template (M48T-carbon composite) obtained from a mesoporous silica template (M48T), and this carbon template was used in the present invention. According to the new crystal structure of the mesoporous ceramic (silica) structure (HUM-1) is shown schematically.

도 2는 본 발명에서 주형으로 이용하기 위해 합성된 메조다공성 물질(M48T) 중에서 (a) CM48T 실리카 주형, (b) CM48T-C 탄소 주형 및 상기 탄소 주형을 이용하여 제조된 새로운 구조의 (c) HUM-1 메조다공성 실리카 구조체의 PXRD 패턴(powder X-ray diffraction patterns)을 나타낸 것이다.Figure 2 is a (c) a CM48T silica template, (b) a CM48T-C carbon template and a new structure prepared using the carbon template among the mesoporous material (M48T) synthesized for use as a template in the present invention (c) PXRD patterns (powder X-ray diffraction patterns) of the HUM-1 mesoporous silica structure.

도 3은 본 발명에서 주형으로 사용한 (a) 메조다공성 탄소 구조체 및 (b) 새로운 결정 구조의 HUM-1 메조다공성 실리카 구조체의 투과 전자현미경(TEM: transmission electron microscope) 사진이다.3 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of (a) mesoporous carbon structure and (b) HUM-1 mesoporous silica structure of novel crystal structure used as a template in the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 합성된 메조다공성 실리카 주형(M48T), 메조다공성 탄소-실리카 복합체, 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C) 및 새로운 구조를 갖는 메조다공성 HUM-1 구조체의 질소(N2) 흡착 등온선(sorption isotherms)과 이에 대응하는 기공 크기 분포 곡선(pore size distribution curves)을 나타낸 것이다.4 is nitrogen (N 2 ) of mesoporous silica template (M48T), mesoporous carbon-silica composite, mesoporous carbon structure (M48T-C) and mesoporous HUM-1 structure having a novel structure synthesized according to the present invention. Adsorption isotherms and corresponding pore size distribution curves are shown.

도 5는 본 발명에 따라 합성된 새로운 구조의 메조다공성 HUM-1 실리카를 주형으로 하여 제조된 제 2 세대 메조다공성 탄소 구조체의 투과 전자현미경(TEM: transmission electron microscope) 사진이다.FIG. 5 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a second generation mesoporous carbon structure prepared using a mesoporous HUM-1 silica having a new structure synthesized according to the present invention.

도 6은 본 발명의 실시에 이용되는 메조다공성 실리카 주형의 단위 구조를 도식적으로 나타낸 도면이다.6 is a diagram schematically showing a unit structure of a mesoporous silica template used in the practice of the present invention.

Claims (8)

주기적으로 정렬된 나노 구조의 삼차원적으로 부분적으로 상호 연결되는 균일한 메조 세공 채널을 가지며, 상호 연결되지 않는 거울상 관계의 한쌍의 메조 세공 채널을 가지고 있는 메조다공성 실리카 주형으로부터 제조되며, 상기 실리카 주형과는 다른 결정 구조를 가짐을 특징으로 하는 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체.It is made from mesoporous silica molds that have uniformly mesoporous channels of three-dimensionally partially interconnected nanostructures that are periodically aligned, and have a pair of mesoporous channels in an uninterconnected mirror image relationship. The mesoporous ceramic structure of the cubic structure having a new crystal structure, characterized by having a different crystal structure. 제1항에 있어서, 상기 실리카 주형은 약 2-3nm 정도의 직경을 가지며 상호 연결되지 않는 거울상 관계의 한쌍의 메조 세공 채널을 가지며, 2θ=2.35°에서 강한 XRD 피크를 나타내며, 상기 새로운 결정 구조를 갖는 메조다공성 세라믹 구조체는 약 4-4.5nm 정도의 직경을 가지며 고도로 주기적으로 정렬된 나노 구조의 삼차원적으로 부분적으로 상호 연결되는 균일한 메조세공 채널 및 원래의 실리카 주형에서는 존재하지 않던 2θ=1.64°에 하나의 강력한 XRD 피크와 원래의 실리카 주형에 존재하는 피크에 대응하는 위치인 2θ=2.74°에 약한 XRD 피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체.The method of claim 1, wherein the silica template has a diameter of about 2-3 nm and has a pair of mesoporous channels of non-interconnected mirror images, exhibiting a strong XRD peak at 2θ = 2.35 °, and forming the new crystal structure. The mesoporous ceramic structure having a diameter of about 4-4.5 nm has a highly periodically aligned three-dimensional, partially interconnected, uniform mesoporous channel of nanostructures and 2θ = 1.64 °, which was not present in the original silica template. A mesoporous ceramic structure with a cubic structure having a new crystal structure, characterized in that it exhibits a weak XRD peak at 2θ = 2.74 °, which is a position corresponding to one strong XRD peak and a peak present in the original silica template. a) 메조다공성 실리카 주형(M48T)을 제조하는 단계; a) preparing a mesoporous silica template (M48T); b)실리카-탄소 주형 복합체(M48T-탄소 복합체)를 제조하는 단계; b) preparing a silica-carbon template composite (M48T-carbon composite); c) 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)를 제조하는 단계; 및 c) preparing a mesoporous carbon structure (M48T-C); And d) 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하여 제1항 또는 제2항에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법.d) A method for producing a cubic mesoporous ceramic structure having a new crystal structure according to claim 1, comprising the step of producing a mesoporous ceramic structure (HUM-1). 제3항에 있어서, The method of claim 3, a) 유기 계면활성제 및 실리카 공급원으로부터 메조다공성 실리카 주형(M48T)을 제조하는 단계;a) preparing a mesoporous silica template (M48T) from an organic surfactant and a silica source; b) 탄소 전구체를 단계 a)의 메조다공성 실리카 주형의 메조 세공에 주입하고 탄소화 과정을 거쳐 실리카-탄소 주형 복합체(M48T-탄소 복합체)를 제조하는 단계;b) injecting a carbon precursor into the mesopores of the mesoporous silica template of step a) and carbonizing to produce a silica-carbon template composite (M48T-carbon composite); c) 상기 실리카-탄소 주형 복합체를 에칭하여 실리카를 제거함으로써 메조다공성 탄소 구조체(M48T-C)를 제조하는 단계; 및 c) preparing a mesoporous carbon structure (M48T-C) by etching the silica-carbon template composite to remove silica; And d) 상기 메조다공성 탄소 구조체의 메조세공에 세라믹 전구체를 주입한 후 세라믹 전구체를 세라믹으로 전환시키고 탄소를 소성처리하여 제거함으로써 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 제조하는 단계를 포함함을 특징으로 하여 제1항 또는 제2항에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법.d) preparing a mesoporous ceramic structure (HUM-1) by injecting a ceramic precursor into mesopores of the mesoporous carbon structure, converting the ceramic precursor into a ceramic, and calcining and removing carbon. To produce a cubic mesoporous ceramic structure having a new crystal structure according to claim 1. 제4항에 있어서, 탄소 전구체는 디비닐벤젠, 아크릴로니트릴, 염화비닐, 비닐아세테이트, 스티렌, 메타크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 우레아(urea), 멜라민 (melamin) 또는 CH2 =CRR'(여기에서 R 및 R'은 알킬기 또는 아릴기를 나타낸다) 등의 단량체를 아조비스이소부티로니트릴(AIBN), t-부틸퍼아세테이트(t-butyl peracetate), 벤조일퍼옥시드(BPO), 아세틸퍼옥시드 (acetyl peroxide), 또는 라우릴퍼옥시드(lauryl peroxide) 개시제를 사용하여 부가중합반응시켜 제조되는 고분자, 페놀-포름알데히드, 페놀, 푸르푸릴 알콜 (furfuryl alcohol), 레조르시놀-포름알데히드(RF), 알데히드, 수크로스, 글루코오스 또는 자일로오스 등의 단량체를 황산 또는 염산과 같은 산촉매를 사용하여 축합중합반응시켜 제조되는 고분자 또는 메조페이스 피치(mesophase pitch)중에서 선택되고,The method of claim 4, wherein the carbon precursor is divinylbenzene, acrylonitrile, vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, methacrylate, methyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, urea, melamine Or a monomer such as CH 2 = CRR ′ (where R and R ′ represent an alkyl group or an aryl group) to azobisisobutyronitrile (AIBN), t-butyl peracetate, benzoyl peroxide ( BPO), acetyl peroxide, or polymers prepared by addition polymerization using lauryl peroxide initiators, phenol-formaldehyde, phenol, furfuryl alcohol, resorcinol Polymer or mesophase pitch prepared by condensation polymerization of monomers such as formaldehyde (RF), aldehyde, sucrose, glucose or xylose with an acid catalyst such as sulfuric acid or hydrochloric acid pitch), and 세라믹 전구체는 TEOS(tetraethoxysilane), TBOS(tetrabutyl orthosilicate), TMOS(teramethoxysilane) 또는 SiCl4(tetrchlorosilane)인 실리카 전구체, 티타늄(IV) 부톡사이드(titanium(IV) butoxide), 티타늄(IV) 이소프로폭사이드(titanium(IV) isopropoxide) 및 티타늄(IV) 클로라이드(titanium(IV) chloride)인 TiO2 전구체, 염화주석(IV)(tin(IV) chloride) 및 주석(IV) tert-부톡사이드(tin(IV) tert-butoxide)인 SnO2 전구체, 아세트산 아연(zinc acetate) 및 염화아연(zinc chloride)인 ZnO2 전구체, 지르코늄(IV) t-부톡사이드(zirconium(IV) t-butoxide), 지르코늄(IV) 클로라이드(zirconium(IV) chloride), 지르코늄(IV) 에톡사이드(zirconium(IV) ethoxide) 및 지르코늄(IV) 프로폭사이드(zirconium(IV) propoxide)인 ZrO2 전구체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하여 제1항 또는 제2항에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법.Ceramic precursors include tetraethoxysilane (TEOS), tetrabutyl orthosilicate (TBOS), silica precursors of teramethoxysilane (TMOS) or tetrachlorosilane (SiCl 4 ), titanium (IV) butoxide, titanium (IV) isopropoxide (Titanium (IV) isopropoxide) and TiO 2 precursors, titanium (IV) chloride, tin (IV) chloride and tin (IV) tert-butoxide (tin (IV) ) tert -butoxide) of SnO 2 precursor, zinc acetate (zinc acetate) and zinc chloride (zinc chloride) of ZnO 2 precursor, zirconium (IV) t- butoxide (zirconium (IV) t -butoxide), zirconium (IV) ZrO 2 precursors, which are selected from zirconium (IV) chloride, zirconium (IV) ethoxide and zirconium (IV) propoxide, A cubic mesoporous ceramic structure having a new crystal structure according to claim 2 or 2 is prepared. How to. 제5항에 있어서, 탄소 전구체는 디비닐벤젠을 아조비스이소부티로니트릴 (AIBN) 개시제로 부가중합한 고분자 또는 페놀과 포름알데하이드를 AlCl3 를 산촉매로 하여 축합중합한 고분자이고, 세라믹 전구체는 실리카 전구체인 TEOS임을 특징으로 하여 제1항 또는 제2항에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법.The carbon precursor is a polymer obtained by addition polymerization of divinylbenzene with an azobisisobutyronitrile (AIBN) initiator or a polymer obtained by condensation polymerization of phenol and formaldehyde with AlCl 3 as an acid catalyst, and the ceramic precursor is silica. Method for producing a cubic mesoporous ceramic structure having a new crystal structure according to claim 1, characterized in that the precursor is TEOS. 제6항에 있어서, 상기 단계 b)의 실리카-탄소 주형 복합체를 불화수소산(HF) 용액, 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH) 용액으로 에칭하여 주형으로 사용된 실리카를 제거하고, 상기 TEOS는 HCl/H2O 증기로 100℃에서 24시간 동안 반응시켜 실리카 전구체를 가수분해하여 실리카로 전화시킴을 특징으로 하여 제1항 또는 제2항에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법.The silica-carbon template complex of step b) is etched with hydrofluoric acid (HF) solution, sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) solution to remove silica used as a template, and the TEOS Is a cubic structure mesoporous ceramic having a new crystal structure according to claim 1 or 2, characterized in that the silica precursor is hydrolyzed and converted to silica by reacting with HCl / H 2 O steam for 24 hours. A method of making a structure. 제3항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, e) 상기 메조다공성 세라믹 구조체(HUM-1)를 주형으로 하고 제3항 내지 제7항중 어느 한 항에서 사용한 세라믹 전구체와 다른 세라믹 전구체를 사용하여 상기 b) 내지 d) 단계를 반복하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하여 제1항 또는 제2항에 따른 새로운 결정 구조를 갖는 입방 구조의 메조다공성 세라믹 구조체를 제조하는 방법.The method according to any one of claims 3 to 7, wherein e) the mesoporous ceramic structure (HUM-1) is used as a mold and a ceramic precursor different from the ceramic precursor used in any one of claims 3 to 7 is used. The method of manufacturing a cubic mesoporous ceramic structure having a new crystal structure according to claim 1, further comprising repeating steps b) to d).
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