10
물리학과 첨단기술 July/August 2004 2 지구상에 존재하는 수많은 산화물들 공기의 주 구성원은 질소(75%)와 산소(25%)분자들이다. 때 산소가 질소보다 상대적으로 작은 이유는 산소가 질소보다 반응성이 훨씬 높기 때문이다. 이러한 이유로 말미암아 산소 는 지구상에 존재하는 여러 원소들과 반응하여 다양한 산화물 을 형성하여 왔다. 이를테면 지구 표면의 70% 가량을 덮고있 는 물(H2O)과 나머지 30% 가량을 덮고 있는 지각의 주 구성 원인 이산화실리콘(SiO2)은 다같이 산화물이다. 이처럼 지구 표면을 이루는 주된 물질은 산화물들이다. 사실 바다도 지각 의 일부가 되며 바다 밑에는 해저지각층이 존재한다. 1상당히 흥미로운 사실을 보여준다. , 이 표는 바다를 포함한 지각을 이루는 구성원소 중 산소의 비율이 가장 높음을 보여 준다. 그 다음은 실리콘이며 세번째의 경우 무게비로 보면 알 루미늄이, 원자비로 보면 수소가 세번째로 흔한 원소가 된다. 이러한 사실로부터 우리는 지각을 이루는 주요 물질이 실리 , 수소 그리고 알루미늄의 산화물이라는 사실을 알 수 있다. 위 세가지 원소 모두가 공통적으로 산화물 상태로 존재하므로 산소의 비율이 가장 높을 수 밖에 없음은 자명하다. 한편 철 (Fe)도 무게비 면에서 볼 때 지각을 이루는 원소 중에 네번째 로 흔한 원소라는 사실도 흥미롭다. 그 밖에도 지구 표면에는 다양한 산화물들이 존재한다. 러한 다양한 산화물들 중에 제올라이트라 불리우는 지각을 이루는 가장 흔한(most abundant) 물질인 실리콘 및 알루미늄 의 산화물에서 파생된 한 물질의 군(, a class of material) 이 있다. 이러한 면에서 제올라이트는 생명의 모태가 되는 지각에서 가장 흔히 존재하는 물질의 한 특수한 물질 군에 속한다. 중합형 음이온성 산화물들 (Oxyanions, Oxoanions) 산소는 전기음성도가 센 원소이므로 다수의 산소를 포함하 는 산화물들은 하나 또는 다수의 잉여 전자를 수용하여 비교 적 안정한 음이온을 형성할 수 있다. 2에는 몇가지 원소들 에 대한 다양한 음이온성 산화물들을 나타내었다. 이 표에서 윤경병 교수는 University of Houston에서 박사(1989) 학위를 취득한 후 서강대학교 화학과, 조교수, 부교수를 거쳐 현재 정교수로 재직 중으 로 제올라이트 초결정 연구단 단장(과기부 창의과제)을 맡고 있다. 외에 대한화학회 이사(2000-2001), 대한화학회 부회장(2001) 등을 지냈 , 현재 2005년도 아시아화학회 사무총장을 맡고 있다. ([email protected]) 특집 Nanoporous Materials 제올라이트 1. 지각을 이루는 몇가지 흔한 원소들. 원소 무게비(weight%) 원자비(atom%) O 49.4 55.1 Si 25.8 16.3 Al 7.5 5.0 Fe 4.7 1.5 Ca 3.4 1.5 Na 2.6 2.0 K 2.4 1.1 Mg 1.9 1.4 H 0.9 15.4 Ti 0.6 0.2 2. 몇가지 음이온성 산화물 및 양성자화 된 음이온성 산화물들. 원소 음이온성 산화물 또는 양성자화 된 형태 C CO3 2- , HCO3 - , C2O4 2- , C3O3 2- , C4O4 2- , C5O5 2- , C6O6 2- Si SiO4 4- , SiO7 2- , [SiO3 2- ]n, [Si3O9 6- ]n, [Si4O12 8- ]n, [Si6O18 12- ]n N NO2 - , NO3 - P PO4 3- , HPO4 2- , H2PO4 - , P2O7 4- , P3O10 5- , P3O9 3- , [PnO3n+1] (n+2)- , [PnO3n] n- S SO3 2- , HSO3 - , SO4 2- , HSO4 - , S2O4 2- , S2O8 2- Se SeO4 2- Cl ClO3 - , ClO4 - Br BrO3 - , BrO4 - I IO3 - , IO4 -

제올라이트webzine.kps.or.kr/.../data/webzine/webzine/14762097481.pdf · 2018-06-19 · 된 광물들이 알려져 왔는데 이러한 광물들을 제올라이트 (zeolite) 라

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July/August 2004 2

(75%) (25%).

.

. 70% (H2O) 30% (SiO2) . . . 1 . ,

. , .

, .

. (Fe) .

.

(most abundant) (, a class of material) .

.

(Oxyanions, Oxoanions)

. 2 .

University of Houston (1989) , , ( ) . (2000-2001), (2001) , 2005 .([email protected])

Nanoporous Materials

1. .

(weight%) (atom%)

O 49.4 55.1

Si 25.8 16.3

Al 7.5 5.0

Fe 4.7 1.5

Ca 3.4 1.5

Na 2.6 2.0

K 2.4 1.1

Mg 1.9 1.4

H 0.9 15.4

Ti 0.6 0.2

2. .

C CO32-, HCO3-, C2O42-, C3O32-, C4O42-, C5O52-, C6O62-

Si SiO44-, SiO72-, [SiO32-]n, [Si3O96-]n, [Si4O128-]n, [Si6O1812-]nN NO2-, NO3-

P PO43-, HPO42-, H2PO4-, P2O74-, P3O105-, P3O93-,

[PnO3n+1](n+2)-, [PnO3n]n-

S SO32-, HSO3-, SO42-, HSO4-, S2O42-, S2O82-

Se SeO42-

Cl ClO3-, ClO4-

Br BrO3-, BrO4-

I IO3-, IO4-

July/August 2004 3

P Si . (polyphosphates) (polysilicates) . ( 1) (, hard water) Ca2+, Mg2+ (, soft water) . 30~40% (surfactant) Ca2+, Mg2+

. (detergent builder)

(eutrophication)

. .

.

.

. (1)

. (1) .

(1)

, . 3 1 (chain) 2 (sheets) 3 (cage) . 1 (single strand) (double strand) 1 (asbestos) . 3 ( 2 ). .

asbestosis .

(chrysotile), (kaolinite, china clay), (talc) .

. (mica)

KMg3(OH)2Si3AlO10 . (formal charge) +4 +3 (2)

K+ .

(2)

3. .

(1)

(2)(3)

(single strand) : [SiO32-]n(double strand) : (mica), (talc)

1. Na5P3O10 .

July/August 2004 4

(self assembly) (substrate) .

. (vermiculite) Mg2+ [Mg(H2O)6]2+ .

.

.

. 3 . 3

. 3

65% . 3

65% (fieldspars). (quarts), (mica), (fieldspar) . 2 3 .

3-10 (nanopore) (zeolite) . 1756 Cronsted ( 3) 35 .

. Cronsted , , (steam) zeo() lite(, ) (zeolite) , . () .

4 A, ZSM-5, Zeolite-X Y, -L . A

2. (poly silicate anion) : (A), (B), 2 (C).

520pm

Na2SiO3

730 pm

1740 pm

[Si6O18]12-

Ca3Si3O9 (Fe9Ca)7Si7O21

[Si2O5]2- [Si4O11]6- [Si6O17]10-

6-Membered sheet 4:8 Sheet

A

B

C

3. Cronsted .

July/August 2004 5

3-5 11 supercage, -cage . (Si/Al) X (Si/Al = 1~1.5) Y (Si/Al

= 1.6~3) 7.4 13 supercage . . ZSM-5 -L . ZSM-5 5.5 5.1 5.3 5.6 -L 7.1 .

. .

.

.

.

.

3 (ultramarine) .

. 5 (sodalite) 3 (sodalite unit) S3- S3- S2- . S3- , S3-

S2- .

6 .

4. .

Zeolite-A Zeolite X or Y ZSM-5 Zeolite L

5. () ().

July/August 2004 6

[SiO4]4- [AlO4]5- . [SiO4]4- Si +4 [AlO4]5- Al +3 Al .

. (mobility)

. .

(zeolitic water) .

. (lattice energy) .

.

. , .

(molecular sieve) .

= . .

100 30

130 .

. 3 20 Si P AlPO4 Si Al . 7 Ga P 13.2 30 .

. (zeotype) .

, .

.

(vugs) ( 8) , (cuff link), . ,

. 1930 R. M. Barrer

. Barrer , ,

6. 2 Na+ 1 Ca2+ .

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- -Ca2+

7. 4 (A) (cloverite) (gallophosphate) (B-D). D cloverite 1,3,5-triisopropyl benzene .

July/August 2004 7

. (~300C) (autogeneous pressure) (salt) . R. M. Milton 1949 Barrer (~100C)

. Milton 1960

.

, , . 9

(shape-selective) .

. (Bolsena)

(Caldera) . 60% 10% .

.

9. .

+

10. (Bolsena) .

8. : Bikitaite - USA(A), Analcime(B), Stilbite(C), Heulandite(D), Chabazite(E), Scolecite(F).

A

C

E

B

D

F

July/August 2004 8

. (quarry) 10 .

.

. 11 .

12 (micropore), (mesopore), (macropore) . , (microporous) .

. 2-10 (mesoporous)

. . . 13 , (supramolecular array) .

tetramethyl orthosilicate(TEOS) (precursor) ( 14). . 2-10 .

Mobil J.S. Beck alkylbenezene sulfonate MCM- University California at Santa Babara G. Stucky poly (ethylene glycol)-block-poly (propylene glycol)-block-poly (ethylene glycol), (EOn-POm-EOn) SBA . MCM SBA

11. .

Zeolites

Catalysts,Catalyst Supports

Adsorbents,Dessicants IonExchangers

ConstructionMaterials

SoilCondition

AdvancedMaterials

Animal Food

Additives

MolecularSieves

Nanochannels, Nanopores Hosts for Q-Dots, Q-Wires, Molecular Organizers,

Memory Devices, Photonic Band Gap Materials, Nonlinear Optical Materials,

Microlaser Cavities, Display Devices, Solar Cells

ers

13. . Spherical micelle(A), cylindrical micelle(B), lamellar phase(C), reversed micelle(D), bicontinuous structure(E), vesicle(F).

A

B

C

D

E

F

12. .

July/August 2004 9

.

KAIST SBA

HF ( 15) (Nature 412, 169 (2001)). O. Terasaki

- ( 16) - (Nature 416, 304 (2002)).

, .

,

. (quantum dot), (quantum wire)

.

.

.

14. CTAC(cetyltrimethylammonium chloride) .

15. SBA TEM (a) (b) (Nature 412, 169 (2001)).

16. - (Nature 416, 304 (2002)).

July/August 2004 10

. .

TS-1, TS-2 wide bandgap TiO2 ( 17A, B) SiO2 TiO2 ETS-10 ( 17C) wide bandgap .

.

,

(nonlinear optical) ( 18) 2 - (J. Am. Chem. Soc. 126, 673 (2004)).

1 m 1 m 1 m A 109 1 nm 2 m 1 m 0.5 m 0.54 nm 500 nm 2106 ( 19). 1 1 m 1 m 1 m A (substrate) 1 nm 10 2 m 1 m 0.5 m 0.54 nm 500 nm 2 .

17. () TiO2 () : TS-1(A), TS-2(B), and ETS-10(C).

BA

TS-1 TS-2

C

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18. hemicyanine .

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19. (5.3 5.6 ).

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.

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July/August 2004 11

A 10 2

.

. 20

( )

. 21

.

( 22A), ( 22B). 3 () ( 22C, D). photonic bandgap .

( 23, Science 301, 818 (2003)).

3 .

21. 20 -A .

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22. 3 (A), (B), 3 (C & D) SEM .

A

B

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C

D

23. a, b, c .

a b c