산성조건 하에서 계면활성제와 규산염의 복합체의 형성에 관한 연구

Abstract

계면활성제와 규산염 사이의 mesostructure 형성 메카니즘을 이해하는 것은 메조포어 분자체를 합성하는데 필수 불가결한 일이다. 본 연구에서는 산성 수용액 중에서 계면활성제 마이셀 주위에 규산염이 축합 될 때 계면활성제의 구조와 산의 종류 및 반응 온도 등 여러 가지 반응 조건이 미치는 영향에 관하여 체계적인 연구를 수행하였으며 그 결과 다음과 같은 사실을 발견하였다. 첫째, 실온의 염산 수용액에서 머리부분의 특성이 다른 계면활성제를 이용하여 합성한 결과, $C_{16}$TMABr 및 $C_{16-6-16}$, $C_{16}$HEDMABr은 규산염과 함께 hexagonal mesostructure를 형성하였으며 $C_{16}$TEABr은 입방체 Pm3n mesosturcture를 형성하였다. 둘째, 산의 음이온 종류가 다른 브롬산과 질산 수용액을 사용하였을 경우, 실온에서 $C_{16}$TMABr-규산염의 hexagonal 중합체를 형성하였고, 염산과 황산 수용액에서는 Pm3n 입방체 구조가 형성되었다. 이로부터 산의 음이온의 특성은 계면활성제-규산염의 self-assembly에 의한 mesostructure 형성에 결정적인 영향력을 가짐을 알 수 있었다. 셋째, 염산 수용액에서 초기 반응 온도를 실온에서 353 K으로 증가시키면 $C_{16}$TMAB규산염 복합체는 입방체 Pm3n 구조로부터 hexagonal로 구조로 변화하였으나 초기 반응온도에서 형성된 구조는 이후에 온도를 높여도 구조는 민감하게 변하지 않았다. 이 결과로부터 산성용액하에서 계면활성제-규산염 복합체의 형성은 속도론적으로 조절되어짐을 알 수 있었다. 이 물질들 중에서 Pm3n 구조를 가지는 mesostructure인 SBA-1을 소성처리 함으로써 구조적 규칙성이 뛰어난 메조포어 분자체를 얻을수 있었다. 그러나 실온에서 합성하였을 경우 계면활성제를 제거하기 위하여 물이나 다른 유기 용매로 세척하게 되면 구조가 붕괴되었으며 이 현상은 골격을 형성하는 실리카의 축합도가 낮음이 그 원인임을 $^{29}Si$ MAS NMR를 측정함으로써 확인하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 실온에서 2시간 동안 반응한 이후에 373 K으로 반응온도를 높였으며 합성된 물질을 433 K의 오븐에서 건조하여 축합 정도를 향상시킴으로써 세척과 소성처리에 의해 구조적 규칙성을 가지는 메조포어 분자체를 형성할 수 있었다. Al이 포함된 메조포어 분자체는 소성처리 이전에 알코올 용액중에서 $AlCl_3$를 grafting함으로써 얻었으며 Al자리에 $Pt(NH_3)_4^{2+}$를 이온교환 함으로써 SBA-1의 체널 내부에 백금 클러스터를 형성시킬 수 있었다. 형성된 백금 클러스터는 수소흡착과 $^{129}Xe$ NMR을 통하여 특성분석을 하였으며 나노미터 크기의 작은 클러스터가 형성되었음을 확인하였다.