Mesoporous silicas are of great interests in various applications, ranging from adsorption, catalysis, energy-storage, sensing and separation. Recently the synthesis methods using surfactant micelles as a mesoporogen have attracted extensive attention due to the tunability of porous structure. Although the tailoring of pore structure is important for various applications, the use of surfactant is too costly for many applications. In the present work, SiO2 colloids having controlled diameters (3.0 - 29 nm) were prepared as primary building blocks by using St"ober synthesis, and colloid suspensions were subsequently assembled by an aerosol-assisted drying process. The interparticular voids between the packed SiO2 colloids become mesopores, while the initial diameter of the SiO2 colloids determines the framework thickness of the resultant SiO2 structure. The decoupling of the synthesis of primary SiO2 building blocks and the aerosol-assisted assembly into a secondary porous structure allowed rational tuning of the mesopores and framework structures. The structure of the silica materials could be controlled depending on the initial diameter of the SiO2 colloids and the aerosol-assembly temperature, which determines the packing density of the SiO2 colloids in the resultant materials. The present method could produce mesoporous silica spheres with remarkable pore-structural tunability (291 < BET surface area ($m^{2}g^{-1}$) < 807, 0.42 < pore volume ($cm^{3}g^{-1}$) < 0.92, 3.1 < pore size (nm) < 26). This synthesis method is fast, economical and also environmentally friendly, because organic surfactants and highly corrosive acid/base media are not used for the synthesis.
메조다공성 실리카는 흡착제, 촉매, 에너지 저장체, 센서 및 분리체 등으로써 여러 분야에서 다양하게 사용되고 있다. 근래에는 계면활성제 마이셀을 이용한 합성법이 주목 받아왔는데, 그 이유로는 이 방법을 이용해 기공 구조를 조절할 수 있기 때문이다. 비록 다양한 응용분야에서 기공 구조를 조절할 수 있는 것이 중요하지만, 계면활성제를 사용한 합성법은 합성 비용을 굉장히 상승 시킨다. 이번 연구에서는 크기가 조절 가능한 실리카 콜로이드(3.0 - 29 nm)를 스토버 합성법을 통해 초기 빌딩 블록으로 준비한 후, 콜로이드에 에어로졸 공법을 적용하여 이차 조립된 메조다공성 실리카 구체를 합성하였다. 실리카 콜로이드 사이의 빈 공간은 메조 기공으로 형성되었고, 사용된 실리카 콜로이드의 크기는 최종 실리카 구조의 골격 두께를 결정하였다. 합성된 실리카 물질은 사용되는 초기 실리카 콜로이드의 크기와 에어로졸 반응기의 온도에 따라 구조가 조절되었다. 초기 실리카 빌딩블록 합성 단계와 에어로졸 공법을 이용한 다공성 구조로의 이차 조립 단계를 분리하여 합성을 진행하였기 때문에 메조기공의 크기와 기공 골격 구조를 조절이 가능하게 되었다. 이번 방법은 메조다공성 실리카 구체의 기공 구조 및 표면적 넓이, 메조기공 크기를 원하는 대로 조절이 가능하다(291 < BET 표면적 ($m^{2}g^{-1}$) < 807, 0.42 < 기공 부피 ($cm^{3}g^{-1}$) < 0.92, 3.1 < 메조기공 크기 (nm) < 26). 이 합성법은 빠르고, 경제적이며 또한 유기 계면활성제나 강한 산성 혹은 염기성의 용액이 사용되지 않기 때문에 환경친화적이므로, 여러 산업에서 사용될 수 있을 거라 생각된다.
