ADOR (조립 - 분해 - 조직 - 재 조립) 경로를 사용하여 제올라이트의 합성

이 영상의 전반적인 목적은 미리 조립된 제올라이트를 구성 성분으로 분해한 후, 이를 다양한 방식으로 조직하고 재조립하여 새로운 제올라이트 재료를 제조하는 조립-분해-조직-재조립(assembly-disassembly-organization-reassembly, ADOR) 방법을 시연하는 것입니다. 제올라이트는 정유 촉매부터 의료 기기의 항균 코팅에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 사용되는 매우 중요한 고체 물질입니다. 제올라이트 제조를 위한 ADOR 방법은 전통적인 제올라이트 합성 방법과는 매우 다릅니다.

그 결과로 우리가 준비할 수 있는 재료의 종류 또한 달라집니다. 이는 새로운 응용 분야를 위한 많은 기회를 제공합니다. 이 영상에서는 서로 다른 기공 크기를 가진 두 가지 새로운 제올라이트인, 기공 크기가 가장 작은 IPC-4와 더 큰 IPC-2를 제조하는 방법을 보여드리겠습니다.

모체 germanium-UTL 제올라이트를 합성하려면, 먼저 1.08 g의 이산화게르마늄을 구조 유도제 용액 15 mL에 녹입니다. 여기에 흄드 실리카 1.246 g을 조금씩 나누어 첨가하고, 균일한 용액이 형성될 때까지 30분 동안 더 교반합니다. 생성된 겔을 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 내벽 오토클레이브로 옮깁니다.

그런 다음 오븐에 넣고 175 °C에서 10일 동안 가열합니다. 10일 후, 오븐에서 오토클레이브를 꺼내 실온에서 자연 냉각시킵니다. 여과를 통해 흰색 제올라이트 생성물을 회수합니다.

제올라이트를 70°C에서 하룻밤 동안 건조시키기 전에 충분한 양의 물로 세척하십시오. 분당 1°C의 속도로 제올라이트를 550°C까지 가열하여 제올라이트 기공에서 구조 유도제를 제거한 후, 550°C에서 6시간 동안 온도를 유지하고 분당 2°C의 속도로 실온까지 냉각하십시오. 제조사의 프로토콜에 따라 분말 X선 회절 패턴을 얻어 구조를 확인하십시오.

재료의 가수분해를 방지하기 위해 소성된 제올라이트를 건조하고 불활성인 분위기에 보관하십시오. 모체 제올라이트를 분해하려면, 소성된 제올라이트 1g을 0.1M 염산 용액 160mL에 첨가하여 게르마노실리케이트 UTL을 가수분해함으로써 IPC-1P를 형성합니다. 이 혼합물을 95°C에서 18시간 동안 가열한 후, 실온으로 냉각하고 여과지를 이용한 여과를 통해 고체물을 회수하십시오.

고체물을 다량의 물로 세척하고 70°C에서 하룻밤 동안 건조합니다. 마지막 단계는 IPC-1P를 새로운 제올라이트로 구성하고 재조립하는 것입니다. IPC-4 제올라이트를 준비하려면, 0.5g의 IPC-1P를 세라믹 도가니에 넣으십시오.

샘플을 분당 1 °C의 가열 속도로 575 °C까지 가열합니다. 그 후, 575 °C에서 6시간 동안 온도를 유지한 다음, 분당 2 °C의 속도로 실온까지 냉각합니다. 제조사의 프로토콜을 사용하여 분말 X선 회절 스펙트럼을 획득하여 구조를 확인합니다.

IPC-2 제올라이트를 제조하려면, IPC-1P 0.5 g을 1.0 M 질산 용액 10 mL에 첨가합니다. 그다음, 용액에 Diethoxymethylsilane 0.1 g을 첨가합니다. 해당 용액을 Polytetrafluoroethylene 라이닝 오토클레이브로 옮깁니다.

그 후 오븐에서 175 °C로 18시간 동안 가열합니다. 오븐에서 오토클레이브를 꺼내 실온에서 자연 냉각시킵니다. 여과를 통해 흰색 생성물을 회수하고, 다량의 물로 세척한 뒤 70 °C에서 하룻밤 동안 건조합니다.

제품을 세라믹 도가니에 넣고 가열-냉각 프로토콜에 따라 가열하십시오. 마지막으로, 제조사의 프로토콜을 사용하여 분말 X선 회절 스펙트럼을 얻어 구조를 확인합니다. IPC-4의 준비는 사전 조립된 게르마늄 UTL에서 시작됩니다.

0.1 M 산성 용액에 노출되면 분해되어 IPC-1P가 형성됩니다. 이후 IPC-1P 층이 유리한 방향으로 배열됩니다. 이 시점에서 층들이 응축을 통해 제올라이트로 재조립되어 IPC-4를 형성합니다.

여기에 IPC-2 제조를 위한 전체 과정이 제시되어 있습니다. 이전과 마찬가지로 0.1 molar 산성 용액에 노출시키면 IPC-1P가 형성됩니다. 그 다음, 생성된 IPC-1P의 층 사이에 추가적인 규소 종을 도입하여 시스템을 정렬합니다.

그 후, 층들을 응축을 통해 제올라이트로 재조립하여 IPC-2를 형성합니다. 최종 IPC-2와 IPC-4 물질의 차이점은 기공 크기이며, 이는 층 사이에 추가적인 실리콘이 도입됨으로써 발생합니다. 두 구조의 차이는 X선 회절 패턴에서 확인할 수 있습니다.

IPC-2의 가장 강한 피크는 IPC-4보다 낮은 2-theta 각도에서 나타나며, 이는 IPC-2가 더 큰 단위 격자를 가지고 있음을 보여줍니다. 질소 흡착 실험과 같은 다른 기술을 사용하여 재료 간의 기공 크기 차이를 시각화할 수도 있습니다. IPC-4는 IPC-2보다 질소 흡착 용량이 낮으며, 모체인 UTL 제올라이트가 가장 높은 질소 흡착 용량을 가집니다.

이 과정을 숙달하면 제올라이트를 제조하는 신뢰할 수 있고 일반적인 방법이 됩니다. 문헌에서 찾을 수 있는 절차상의 변형을 통해 IPC-6, IPC-7, IPC-9 및 IPC-10과 같은 다른 제올라이트를 합성할 수 있습니다. 이 기술의 개발 이후, 제올라이트 분야의 연구자들은 이전에는 불가능하다고 생각되었던 물질의 합성을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.

이러한 연구는 새로운 구조 유형의 제올라이트를 제조할 수 있는 큰 가능성을 열어주며, 이는 추후 새로운 응용 분야로 이어질 것으로 기대됩니다. 이 영상을 시청한 후에는 ADOR 공정을 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것이며, 약간의 연습을 통해 출판된 문헌에 나열된 수정 사항들을 적용하여 다른 모든 가능한 제올라이트 또한 제조할 수 있을 것입니다. 이 기술의 주요 장점은 최종 물질을 진정으로 예측할 수 있다는 점과, 기존의 제올라이트 합성 방식으로는 불가능했던 방식으로 최종 고체의 기공률을 조절할 수 있다는 점입니다.

일반적으로 이 방법을 처음 접하는 사람들은 일반적인 생각과 상충하는 방식이기 때문에 어려움을 겪을 수 있습니다. 재료를 바닥부터 쌓아 올리는 것이 아니라, 먼저 재료를 가져와 분해한 다음 이를 다시 조립하여 새로운 구조를 가진 재료로 재구축하기 때문입니다.