이중 합성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8092(2023) 이 기사 인용

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여기에서 우리는 열수 방법을 통해 이중 껍질 주기 메조다공성 유기실리카 나노스피어/MIL-88A-Fe(DSS/MIL-88A-Fe) 복합체의 합성을 보고합니다. 합성된 복합체의 구조적 및 구성적 특징을 조사하기 위해 FT-IR, XRD, BET, TEM, FE-SEM, EDX 및 EDX 매핑을 포함한 다양한 분광 및 현미경 기술이 사용되었습니다. 이 합성 절차에서 주목할만한 점은 더 높은 비표면적 및 더 많은 활성 사이트와 같은 흡착제 성능을 높이기 위해 MOF와 PMO를 통합한다는 것입니다. 이 조합은 각각 DSS와 MOF에 기인한 평균 크기 280nm와 1.1μm 길이의 구조, 미세 다공성 구조 및 상대적으로 큰 비표면적(312.87m2/g)을 달성합니다. 준비된 복합체는 물에서 Pb2+를 제거하기 위한 높은 흡착 용량(250 mg/g)과 빠른 흡착 시간(30분)을 갖는 효과적인 흡착제로 사용될 수 있습니다. 중요한 것은 DSS/MIL-88A-Fe 복합재가 수용 가능한 재활용 및 안정성을 보여주었다는 점입니다. 왜냐하면 물에서 Pb2+ 제거 성능이 4회 연속 사이클 후에도 70% 이상을 유지했기 때문입니다.

인간의 모든 활동에 있어서 안전한 물은 필수적인 물질이지만 오염물질의 존재는 깨끗한 물을 얻기 위한 인간의 가장 중요한 과제 중 하나입니다. 급속한 산업화 발전으로 인해 환경 중 중금속 오염이 증가하고 있습니다1,2,3. 중금속의 자연 배출로 인한 수질 오염을 줄이기 위해 환경 보호국(EPA)은 이러한 목적에 대해 지정된 허용 한도를 설정했습니다. WHO와 EPA의 지침에 따라 산업 배출수와 식수 내 Pb2+의 최대 허용 농도는 각각 0.01 및 0.015 mg/L에 근접한 것으로 결정되었습니다4,5. 폐수 내 Pb(II) 값은 EPA 지침6,7에 따르면 0.05mg/L입니다. 또한 산업 폐수의 납 이온 농도는 약 200~500mg/L입니다. 이 값은 표준 수질보다 현저히 높으므로 폐수를 수로나 하수 시스템으로 배출하기 전에 납 이온 농도를 0.05~0.10 mg/L 수준으로 낮추어야 합니다6,8, 9. 납을 포함한 중금속 이온은 인간의 건강과 환경에 해를 끼칩니다. 이러한 중금속은 신체에 많은 질병과 합병증을 유발할 수 있습니다10,11. 따라서 상하수에서 Pb2+를 포함한 중금속을 제거하는 것은 수자원 보호는 물론 인류의 영속적 생존을 위해서도 매우 중요합니다. 이 본질적인 문제에 따라 과학자들은 환경 공급물에서 중금속을 제거할 수 있는 새로운 기술에 집중해 왔습니다12,13,14,15. 일반적으로 중금속 및 방사성 이온을 포획하여 수질을 정화하는 처리방법으로는 흡착-16, 막-17, 화학-18, 전기-18, 광촉매-19,20 기반 처리가 중심으로 이루어져 왔다. 그 중 흡착 공정은 단순한 성능, 다양한 흡착제 공급원, 저렴한 비용, 간단한 조작, 고효율 및 흡착제의 재생 능력으로 인해 중금속 이온을 처리하는 가장 효율적인 방법 중 하나입니다. 최근에는 금속산화물22,23,24,25,26,27, 활성탄28,29,30,31,32,33,34 및 탄소나노튜브35,36,37,38,39,40를 포함한 기존 흡착재가 개발되었습니다. 엄청난 주목을 받아왔습니다. 의심할 바 없이 이러한 물질은 뛰어난 흡착 작용을 나타냅니다. 그럼에도 불구하고, 이들 중 일부는 여전히 작은 크기 및 기공 부피, 다운 흡착 동역학, 정교한 준비, 어려운 재생 및 낮은 흡착 효율 등의 몇 가지 단점을 겪고 있습니다. 따라서 새로운 흡착물질의 개발이 시급한 상황이다.

최근에는 MOF(금속-유기 골격)41,42,43,44,45,46 및 중공 주기 메조다공성 유기실리카(PMO)47,48,49,50,51,52,53,54,55와 같은 다공성 재료가 ,56은 흡착 분야의 포괄적인 응용 전망에 매력을 느끼고 있습니다. 금속-유기 재료(MOM)57,58,59 분야에서 새로운 종류의 하이브리드 및 결정질 재료로도 알려진 금속-유기 프레임워크(MOF)는 강한 배위 결합을 통해 연결되는 금속 중심 또는 클러스터로 구성됩니다. 유기 링커60,61,62,63,64 포함. MOF NP를 얻기 위한 합성 절차는 열수 및 용매열 기술을 포함하여 두 가지 주요 범주로 분류됩니다. 두 절차 모두에서 안정적인 산화 상태의 금속 이온, 즉 알칼리, 알칼리 토류, 전이 금속 및 희토류 원소68를 포함하는 두 가지 용액을 폴리카르복실산 분자 및 폴리아자헤테로사이클69과 같은 유기 링커와 혼합하여 넓은 범위를 달성했습니다. 다양한 결정질 및 안정적인 MOF 구조. 최근 몇 년 동안 이러한 재료는 높은 표면적, 잘 정의된 기공 구조 및 조정 가능한 구조적 특징과 같은 매력적인 특징으로 인해 빠르고 광범위한 관심의 성장을 경험했습니다. 그들의 독특한 특성으로 인해 가스 저장73, 정화74, 분자 감지75, 약물 전달76, 유기 촉매 및 수질 정화77을 포함한 많은 응용 분야에 대한 훌륭한 후보가 됩니다. 수처리 응용 분야의 경우 작은 크기의 분말이 포함된 MOF를 사용하면 물에 대한 이러한 화합물의 높은 친화력으로 인해 몇 가지 위험이 수반되어 응집 가능성이 높아져 회수가 어려워집니다45. 이 문제로 인해 MOF 나노입자는 식수에 직접 유입될 수 있으며78 장기적인 환경 나노 독성, 중금속 오염 문제를 일으키고 인간 건강에 영향을 미칠 수 있습니다79. 반면, MOF 구조 중 일부는 습기와 물에 민감하여 MOF(금속-유기 골격)의 구조적 붕괴를 초래하며 이는 적용 용도에 심각한 단점이 됩니다80. 이 현상의 주요 원인은 MOF의 구조(링커와 금속 클러스터의 특성)와 수분 흡착에서 발생하는 가교 효과를 유발하는 활성화 과정으로 설명할 수 있습니다46. 예를 들어, 축방향 물 리간드와 BTC 링커로 캡핑된 구리 이온으로 구성된 HKUST-1 MOF(=(Cu3(BTC)2)(BTC = 벤젠-1,3,5-트리카르복실레이트))의 활성화 과정에서, 축 방향 물 리간드가 제거되어 상대적으로 안정적인 정사각형 평면 배위를 향한 구리 중심의 기하학적 배열이 새로워졌습니다. 그러나 보고된 논문46,81에 따르면 HKUST-1은 수분 흡착 친화력이 높아 물과 직접 접촉할 때 장기적인 안정성을 나타내지 못했습니다. 이 그룹에 비해 MIL-101(Fe)과 같은 일부 MOF 재료는 우수한 물 안정성을 나타냅니다. 이는 중금속 제거와 같은 수분 흡착 응용 분야를 위한 유망한 재료에 대한 훌륭한 후보로 소개될 수 있습니다82,83,84,85. MOF 화합물의 장점을 높이기 위해 PMO와 같은 우수한 흡착제를 이러한 재료와 결합하면 향상된 기계적 특성을 갖는 복합재를 형성할 수 있습니다.