SBA-15 has obvious advantages such as good hydrothermal stability induced from thicker wall than that of MCM-41, and high surface area generated from mesoporous structures. Furthermore, when mesopores and macropores coexist in a same material, the material has additive advantages like ease access to active sites derived from macroporous structures. In this regard, meso/macroporous SBA-15 should be very attractive for their application in the area of adsorption, catalysis and separation. The meso/macroporous silicates were prepared by a new and simple dualtemplating method, which is the combination of replicating the closed packed array of colloidal crystal and liquid crystal mesophase of surfactant. Monodispersed polystyrene (PS) beads were directly added without any pre-arrangement to a gel solution prepared for the synthesis of mesoporous SBA-15.
The macrostructure of biporous MCM-41 and SBA-15 were obtained through impregnation of the latex spheres followed by calcination. Each of the macrophases showed different morphologies due to different textural morphology of pure MCM-41 and SBA-15. Furthermore, the morphology of macrostructure of biporous SBA-15 was affected by the PS bead size and the Si:PS ratio. With the PS bead size or PS:Si ratio, not only was the volume of macroporous space increasing, but also the ordering of macropores was also better.
Meso/macroporous silicates should be attractive as adsorbents for adsorption and desorption of VOCs due to high surface area induced from mesopores and also due to the accessibility derived from macropores. The adsorption breakthrough curves with macrostructured MCM-41 and SBA-15 showed that the adsorption dynamics were improved (i.e., the slope was stepper). The temperature programmed desorption of VOCs (toluene and p-xylene) showed that the maximum desorption peaks were shifted to a lower temperature. When bulky materials like p-xylene were used as adsorbate, the differences of adsorption/desorption behavior between meso/macroporous silicates and mesoporous silicates were found more significant.
일정한 크기의 기공들이 일정하게 배열되어 있는 다공성 물질(porous material)은 그 고유의 넓은 비표면적, 기공부피, 선택적 흡착 및 분리 능력 등으로 인해 촉매, 흡착, 분리, 그리고 마이크로 광학 등의 다양한 분야에 널리 응용되어 왔다. 특히 다공성 물질에서 기공의 크기와 모양의 분포는 특정 응용분야에서 원하는 기능을 수행하는 능력에 직접적으로 영향을 미친다.
마이크로/매크로 기공 또는 메조/매크로 기공을 갖는 이중다공성 물질의 경우는 각 기공 크기에서 오는 장점을 복합적으로 갖기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 예를 들어 메조/매크로 기공을 갖는 물질은 매조 구조에서 오는 넓은 표면적과, 매크로 구조에서 오는 활성점으로의 쉬운 접근성 같은 장점을 갖는다. 본 연구에서는 메조/매크로 SBA-15을 합성하고자 하였는데, 이는 SBA-15가 MCM-41보다 벽 두께가 더 두꺼워 수열안정성이 뛰어나기 때문에, 더 다양한 분야에 응용 가능성을 갖기 때문이다.
본 연구에서는 메조포러스 물질을 합성하는 액정 주형법(Liquid crystal templating)과 매크로포러스 물질을 합성하는 콜로이드 크리스탈 주형법 (Colloidal crystal templating)을 조합하여 이중기공 구조를 지니는 무기재료를 합성하였다. 우선 매크로포어를 위한 주형으로 사용되는 균일한 크기의 폴리스틸렌 입자를 유화제를 사용하지 않는 유화중합법을 통하여 합성하였고, 반응조건(단량체와 물의 비율, NASS의 양)에 따라 다양한 입자크기(약 250~750 nm)의 폴리스틸렌 입자를 합성하였다. 폴리스틸렌 콜로이드 라텍스(latex)는 냉각 결정법(Ice-crystallization method)에 의해 결정체로 만들어지고 이를 실리카 전구에 용액에 도입하여 이중기공구조를 지닌 실리케이트를 합성하였다. 이때 폴리스틸렌 입자의 크기와 Si:PS의 질량비에 따라 메조/매크로 SBA-15의 매크로기공 구조가 관찰되었다. 폴리스타이렌 입자의 크기가 커질수록, 폴리스타이렌 입자의 양이 많아질수록 SBA-15의 실타래 같은 기본 구조에 매크로 기공의 양이 많아질 뿐만 아니라 그 기공의 규칙성 또한 좋아진 것을 관찰 할 수 있었다.
본 연구에서는 메조/매크로 실리카의 유기화학물(VOCs)의 흡착, 탈착을 위한 흡착제로서 가능성을 확인할 수 있었다. 흡착 곡선의 기울기가 더 급해지는 것과 온도에 따른 탈착곡선의 최대 지점이 더 낮은 온도 영역으로 이동한 것을 통하여 매크로 크기의 기공이 도입됨에 따라 분자의 물질 전달이 더 잘됨을 확인할 수 있었다. 이러한 경향성은 더 큰 분자인 자일렌을 흡, 탈착 시킬 때 더 뚜렷하게 나타났다.
