Depending on the type of the pore structure, porous materials manufactured through various methods of synthesis are generally used in gas storage, gas adsorption-desorption, chemical separation process and removal of pollutants from the water purification process. However, despite being one of the oldest research topics, porous structures still have infinite possibilities and shortcomings. Therefore, this thesis focuses on the improvement and development of the widely known porous particles. For the study, MOF (Metal Organic Framework) and MC (Mesoporous Carbon structure) were selected as research target materials which are obtained by the fusion complex of organic and inorganic materials. Because those structures were synthesized by new route, unlike traditional porous nanomaterials. The first chapter of the thesis introduces the characteristics and classifications of organic-inorganic hybrid and porous materials. Since porous materials have been studied for a long time and numerous models exists, the types of porous materials and their applications depending on their pore size were evaluated.In the second chapter, a surface modification process is introduced. Using 4-tertbutyl calix[n]arene monomer coated on the UIO-66 (a well known MOF structure), the hydrophilic surface of MOF could be converted to hydrophobic. Since most of MOF structures demonstrate hydrophilic surface property, it is difficult to expect good applications with non-polar type of polymer such as in MMM (Mixed Metric Membrane) fabrication. Additionally, the surface modifications are usually attempted by coating with linear surfactants. In this case, porous particle structures are filled by them and this causes decreasing surface area and uneven blocking of the pores. To solve this problem, ring type surfactant is considered which has similar diameter with the pore size of the target materials. As a good candidate, 4-tertbutyl calix[6]arene monomer was chosen. This monomer not only has an amphiphilic property, but also showed a similar pore structure with UIO-66. Calix[6]arene coated UIO-66 particles demonstrated hydrophobic property in toluene with good dispersity, and mixed with polystyrene solution (non-polar type polymer) for polymer film fabrication.In the third chapter, a new preparation of mesoporous carbon structures is introduced by using microwaves and metal oxide nanoparticles. In general, mesoporous carbon structures are synthesized by using inorganic templates such as SiO2 and TiO2 to form the uniform pores. In this methods, carbon sources are filled in the inorganic templates and the templates are removed through post-treatments such as chemical dissolution. However, conventional synthetic methods have weaknesses like requiring long reaction time to get the mesoporous structure. In this research, we obtained highly ordered mesoporous carbon structure from COP (Covalent Organic Polymer) precursor and iron oxide (Fe3O4) nanoparticles mixture by heating under microwave irradiation. Because microwave heating increases the temperature of the solution evenly and efficiently to form the Fe3O4 particles embedded in the polymer structures.In the fourth chapter, a new approach to synthesize mixed metal nanoparticles from natural sea salt is introduced. Basically, synthesize the ordered mixed metal structure is very difficult in nanoscale. In this research, mixed rare metal precursors are extracted from the natural sea salt, and injected in an organic solvent and heated with surfactant to form uniform particles. After then, checked the particle properties using TEM and DLS.Consequently, this thesis focused on the synergy effects and results of organic-inorganic nanocomposites. However, I expect that our science could be more developed by challenging conventional ideas and trying to find new approaches to various fields.
다양한 합성 방법을 통해 제작된 다공성 물질은 기공구조의 형태와 크기에 따라 기체의 저장 및 흡탈착, 화학물질의 분리공정 및 여과막 제작, 수처리 공정에서의 오염물질 제거 등의 분야에서 많이 사용된다. 다만, 오랜 연구기간에도 불구하고 다공성 구조체는 여전히 무한한 가능성을 가지고 있고 또한 개선되어야 할 점이 많기 때문에 본 논문에서는 널리 알려진 다공성 입자의 특성 및 단점 개선에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 연구대상으로, 유기물질과 무기물질의 적절한 융합이 만들어 낸 뛰어난 연구 결과인 금속-유기 다공성 구조체 (MOF, Metal Organic Framework)와 메조기공 탄소 구조체 (MC, Mesoporous carbon structure)를 선정하였으며, 유기물질과 무기물질 만으로 다공성 물질을 제조하던 전통적인 방법에서 벗어나 새로운 장을 열었다는 점을 높이 평가했기 때문이다.논문의 첫 장에서는 다공성 물질의 특성과 분류를 소개하고 MOF 구조체와 MC 구조체에 대한 요약을 다루었다. 각각의 두 구조체는 오랜기간동안 연구 된 만큼 수많은 모델이 존재하고 있기 때문에, 다공성 물질이 갖는 기공의 종류와 그 크기에 따른 응용분야 및 장점에 대해 기술하였다. 두번째 장에서는 MOF 구조체 중 하나인 UIO-66 구조체에 고리형 구조를 갖는 4-tert-butyl calix[n]arene 단량체를 코팅하여 친수성 혹은 극성의 표면 성질을 소수성 및 친유성으로 전환을 시도하였다. 대부분의 MOF 구조체는 극성을 갖고 있기 때문에 무극성 용매나 무극성 특성을 가진 폴리머와의 시너지 효과를 기대하기 어렵다. 이런 경우 계면 활성제를 코팅하여 표면 개질을 시도하는데 선형 단량체를 사용할 경우 다공성 구조를 가진 입자는 표면의 기공 안부터 채워지게 되어 표면적의 큰 감소와 기공이 균일하지 않게 분포한다는 단점이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 다공성구조체의 기공과 크기가 비슷한 고리형 단량체를 후보로 찾게 되었으며, 친수성과 친유성 기능기를 동시에 가지고 있는 4-tert-butyl calix[n]arene 물질을 이용하여 표면을 친유성 혹은 소수성으로 코팅하였다. 최종적으로 무극성 성질을 가진 폴리스타이렌 폴리머에 UIO-66 입자가 잘 분산된 필름 구조를 얻어낼 수 있었다. 세번째 장에서는 마이크로웨이브 오븐을 이용한 메조포러스 탄소 구조체에 대한 연구를 기술하였다. 일반적으로 메조포러스 탄소 구조체는 이산화규소 (SiO2)나 이산화티타늄 (TiO2) 등의 물질을 사용하여 틀을 만들고 내부에 탄소 물질을 채워 넣은 뒤 틀을 제거하는 방식으로 많이 제조되고 있다. 균일한 기공을 만들 수 있어서 다양한 분야에 적용되고 있지만 시작 재료를 얻어내기까지 시간이 오래 걸린다는 점과, 추가적으로 전통적인 합성 방법에서 벗어나 새로운 방법을 제시하고자 하였다. 본 연구에서는 크기가 균일하고 저렴하며 대량생산이 쉬운 산화철 (Fe3O4) 나노입자와 다공성 네트워크를 형성하는 유기 고분자 물질을 (Covalent Organic Polymer) 마이크로오븐 하에서 함께 가열하여 벌집 (Honey comb)과 유사한 초기 구조체를 얻은 뒤 나노 입자를 제거하는 방식으로 메조포러스 탄소 구조체를 제조할 수 있었다. 네 번째 장에서는 흔하게 제조되는 천일염을 이용하여 다양한 금속이온을 함유하고 있는 다금속 나노 구조체의 합성을 시도하였다. 기본적으로 나노입자는 여러가지 물질을 섞어서 균일하게 만들기가 대단히 어려운데, 천일염 속에 포함되어있는 다양한 희소 금속 물질을 침전 시킨 뒤 유기용매 하에서 가열하여 균일 한 입자의 생성이 가능한 지를 평가하였다. 결론적으로, 본 학위논문에서는 유기물질과 무기물질을 동시에 이용하는 주제에 대한 연구를 제시하고 있으며 서로 매우 다른 두 물질이 보여주는 새로운 관계와 시너지 효과에 대해서 탐구하고자 하였다. 유기와 무기 재료를 구별하는 전통적인 사고에서 벗어나 본 연구에서 진행한 다양한 분야 사이에서 새로운 접점을 찾는 시도가 다음 단계로 진보하기위한 길이 될 것으로 예상한다.
