부산대학교 도서관

Metal-organic frameworks (MOFs) are a porous material composed of coordination bonds between metal clusters and organic ligands, and are characterized by a high specific surface area and controllable pores. MOFs are used for gas adsorption/separation, sensing, and catalysts, and show excellent performance. In this study, an amine functionalized metal-organic framework was synthesized and applied to CO2 capture. Furthermore, an amine-functionalized metal-organic framework unstable to moisture was imparted with hydrophobicity through a simple reaction with a hydrophobic material, and a metal-organic framework-based CO2 adsorbent stable even in humid environments was developed.In Chapter 2, polyamines were functionalized on metal-organic frameworks and their properties were analyzed. Polyamine appended metal-organic framework showed a unique phenomenon in that the adsorption capacity of CO2 increased as the adsorption temperature increased. In addition, it was confirmed that polyamine appended metal-organic framework maintained its crystallinity even after being exposed to a humid environment.In Chapter 3, I tried to convert the shape of the diamine appended metal-organic framework for practical application. Therefore, microbeads based on the metal-organic framework were fabricated using the spray drying method. Furthermore, hydrophobic silane was introduced to improve the stability of diamine-functionalized metal-organic framework beads against water vapor. The silane-coated beads exhibited hydrophobicity and high stability even in a humid environment.In Chapter 4, hydrophobic epoxides were reacted with diamine-functionalized metal-organic framework beads for utilization in flue gas containing 5% water vapor. Through ring-opening reaction, some of the diamines present on the surface of the metal-organic framework were changed into hydrophobic amines. After the epoxide reaction, it was confirmed that the hydrophobicity was higher than that of the pristine. The epoxide-modified metal-organic framework beads showed stable performance during CO2 adsorption and desorption cycles under flue gas conditions containing 5% water vapor.In Chapter 5, various hydrophobic carbonate compounds were additionally reacted with the metal-organic framework functionalized with diamine to maximize stability against moisture. It was confirmed that the diamine present on the surface was transformed into a high-density hydrophobic amine through the carbamate formation reaction. In particular, when reacting with tert-butyl dicarbonate (Boc), it was confirmed that the hydrophobic properties were improved compared to pristine one. Furthermore, the Boc-reacted adsorbent maintained its CO2 adsorption capacity and structural stability during adsorption and desorption cycles even in a flue gas containing 10% high concentration of water vapor.This study includes information on the synthesis of metal-organic frameworks for CO2 removal, as well as information on shape transformation of adsorbents for application to CO2 capture processes and enhancement of stability against moisture.
금속-유기 골격체(Metal-organic framework)는 금속 클러스터와 유기 리간드 간의 배위결합으로 이루어진 다공성 소재로 높은 비표면적과 조절가능한 기공을 가지는 특징을 보인다. 금속-유기 골격체는 기체 흡착/분리, 센싱, 촉매 등에 활용되고 있으며 우수한 성능을 보이는 물질이다. 본 연구에서는 아민 기능화 된 금속-유기 골격체를 합성하여 이산화탄소 제거 연구에 응용하였다. 더 나아가 수분에 불안정한 아민 기능화 된 금속-유기 골격체를 소수성 물질과의 간단한 반응을 통해 소수성을 부여하였으며 실제 수분이 포함된 환경에서도 안정한 금속-유기 골격체 기반의 이산화탄소 흡착제를 개발하였다. 2장에서는 폴리아민을 금속-유기 골격체에 기능화하여 이의 대한 특성을 분석하였다. 폴리아민이 기능화 된 금속-유기 골격체는 온도가 증가함에 따라 이산화탄소 흡착성능이 증가되는 독특한 현상을 확인하였다. 더 나아가 해당 소재는 수분이 포함된 환경에서 노출 후에도 구조적 안정성을 유지한다는 것을 확인하였다.3 장에서는 다이아민이 기능화 된 금속-유기 골격체의 실질적인 활용을 위하여 형태변환을 시도하였고 분무건조법을 이용하여 금속-유기 골격체 기반 비드를 제조하였다. 더 나아가 다이아민이 기능화 된 금속-유기 골격체 기반 비드의 수분에 대한 안정성을 향상시키기 위해 소수성 실레인을 도입하였다. 도입 후 얻어진 소재는 소수성이 발현되는 것을 확인하였으며 수분이 존재하는 환경에서도 높은 안정성을 보였다.4 장에서는 다이아민 기능화 된 금속-유기 골격체 비드를 5% 수분이 포함된 연소가스 환경에서 응용하기 위하여 소수성 에폭사이드를 반응하였다. 해당 고리-열림 반응을 통해 금속-유기 골격체 표면에 존재하는 다이아민의 일부를 소수성 아민으로 변형할 수 있었으며 이를 통해 기존보다 높은 소수성을 나타내는 것을 확인하였다. 소수성 에폭사이드로 변형된 다이아민 금속-유기 골격체 기반 비드는 5% 수분이 포함된 연소가스 환경에서의 이산화탄소 흡착∙탈착 반복 측정간 안정된 성능을 보였다.5 장에서는 수분에 대한 안정성을 극대화하기 위하여 다이아민이 기능화 된 금속-유기 골격체에 다양한 소수성 카보네이트 화합물들을 추가적으로 반응하였다. 카바메이트 형성반응을 통하여 표면에 존재하는 다이아민은 고밀도의 소수성 아민으로 변형됨을 확인하였다. 특히, tert-butyl dicarbonate (Boc)를 반응 시 기존보다 향상된 소수성 성질을 보이는 것을 확인하였다. 더 나아가 Boc 반응한 흡착제는 10%의 고농도 수분이 포함된 연소가스 에서도 흡착∙탈착 반복 측정 시 흡착성능과 구조적 안정성을 유지하였다. 본 연구는 이산화탄소 제거용 금속-유기 골격체의 합성에 대한 내용을 포함하며 실제 이산화탄소 포집 공정에 적용가능하기 위한 흡착제의 형태변환과 수분에 대한 안정성 강화에 대한 내용을 담고 있다.