The gas separation through membrane is considered as a promising solution for the stabilization of greenhouse gas level of atmosphere attributed from CO2. The separation process of membrane allows low energy requirement, low cost, and ease of operation. However, conventional polymeric membranes generally suffer from the trade-off between permeability and selectivity, which remains as one of the most important challenges for commercialization. Mixed matrix membranes (MMMs), consisting of a polymer matrix and porous nano-filler, are considered to be a promising solution to overcome the trade-offs in polymeric membranes. Herein the porous nano-structures were fabricated to enhance the permselectity of CO2 separation membranes. The MMM which were fabricated with prepared porous nano-filler showed permeability improvement without significant selectivity loss.

Membranes, which consist crosslinked polymer electrolyte, modified structures by using poly(styrene-b-butadiene-b-styrene) (SBS) triblock copolymer and a sulfonated monomer, 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA). With thermal-initiator, 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid), the SEMA membranes were crosslinked. Owing to increase of SO3-groups, the water uptake and ion exchange capacity of membranes was enhanced. By using the series of the equipment, like wide angle X-ray scattering, small angle X-ray scattering, and transmission electron microscopy, microphase-separated morphology and amorphous structures of crosslinked SBS/SEMA membranes was identified. Universal testing machine and thermo gravimetric analysis were performed to investigate mechanical properties and thermo behavior of synthesized polymer membrane.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 polystyrene-b-poly(oxyethylene methacrylate) (PS-b-POEM) 블록 공중합체를 합성하고, FT-IR을 통해 중합이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 또한 자기 조립된 블록 공중합체 막을 제조한 후, 전구체 AgCF3SO3 도입과 UV 조사를 통해 고체상에서 은 나노입자를 성장시켰다. TEM 전자현미경과 UV-visible 분광학 분석을 통해 블록 공중합체 막의 내부에 은 나노입자가 형성된 것을 확인하였고, 또한 친수성 POEM 영역의 함량을 조절함으로써 나노입자의 크기를 조절할 수 있었다. 금속 나노입자를 제조하는 데 있어서 POEM 함량이 적은 블록 공중합체가 더 효과적임을 확인하였다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 poly(styrene sulfonic acid) 47 wt%를 가진 poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene)-g-poly(styrene sulfonic acid) (P(VDF-co-CTFE)-g-PSSA) 가지형 공중합체를 합성하였다. 티타늄 아이소프로폭사이드(TTIP)와 가지형 공중합체를 졸-겔 공정을 통하여 TiO2/가지형 공중합체 복합막을 제조하였다. TTIP는 가지형 공중합체의 친수성을 가진 PSSA 영역에만 선택적으로 결합하였으며 그곳에 TiO2 나노 입자가 형성되어 성장하였다. 이와 같은 결과를 적외선과 자외선 분광학으로 확인할 수 있다. 함수량과 이온 교환 능력 (IEC)는 TTIP의 함량에 따라 감소하였고 이것은 막이 가진 술폰산의 수가 감소하기 때문이었다. TTIP가 5 중량%일 때, 막의 기계적 강도는 증가하고 수소이온 전도도도 유지되었다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 polystyrene-b-poly (hydroxyethyl methacrylate) (PS-b-PHEMA) 블록 공중합체를 합성한 뒤, 블록 공중합체의 -OH 그룹과 이미다졸 디카르복실릭산 (IDA)의 -COOH 그룹과의 에스테르 반응에 의하여 가교된 전해질막을 제조하였다. 인산(H3PO4)을 도핑하여 이미다졸-인산 착체를 형성한 결과, 인산 함량이 증가함에 따라 공중합체 전해질막의 수소 이온 전도도가 계속 증가하였다. 또한 인장강도와 인장률 모두 인산 함량에 따라 증가하였다. 특히 [HEMA]: [IDA]:[H3PO4] = 3:4:4의 조성을 갖는 PS-b-PHEMA/IDA/H3PO4 블록 공중합체 전해질막은 100°C의 비가습 조건에서 최대 0.01 S/cm의 수소이온 전도도를 나타내었다. 열분석(TGA) 실험을 통하여 전해질막은 350°C의 고온까지 열적으로 안정함을 확인하였다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 poly(hydroxyl ethyl acrylate)-b-polystyrene-b-poIy(hydroxyl ethyl acrylate) (PHEA-b-PS-b-PHEA) 트리블록 공중합체를 합성하였다. 이렇게 합성된 PHEA-b-PS-b-PHEA블록 공중합체의 -OH 그룹과 이미다졸 디카르복실릭산(IDA)의 -COOH 그룹과의 에스테르 반응에 의하여 가교된 전해질막을 제조하였다. 인산(H3PO4)을 도핑하여 이미다졸-인산 착체를 형성한 결과, 인산 함량이 증가함에 따라 고분자 전해질막의 수소 이온 전도도가 증가하였다. 특히 [HEA]:[IDA]:[H3PO4]=3:4:4의 조성을 갖는 PHEA-b-PS-b-PHEA/IDA/H3PO4 고분자 전해질막은 100℃의 비가습 조건에서 최대 0.01 S/cm의 수소이온 전도도를 나타내었다. 열분석 결과(TGA) 전해질막은 350℃의 고온까지 열적으로 안정함을 확인하여 연료전지에 적용이 가능함을 보여주었다.

폴리스티렌-폴리히드록시에틸 아크릴레이트(PS-b-PHEA) 디블록 공중합체와 폴리비닐알콜(PVA)을 1 : 1 무게비로 블렌딩하여 수소 이온 전도성 가교형 고분자 전해질막을 개발하였다. 특히 술포석시닉산(SA)를 사용하여 디블록 공중합체의 PHEA 블록과 PVA와 가교반응을 시켰고, 이를 FT-IR 분광법을 이용하여 분석하였다. 이온교환능(IEC)은 SA 함량이 증가함에 따라 계속하여 증가하여 0.95 meq/g까지 도달하였고, 이는 전해질막에 이온 그룹수가 증가하기 때문이다. 하지만, 함수율은 SA 함량이 20 wt%까지는 증가하다 그 이상에서는 감소하였다. 또한 수소 이온 전도도도 SA 함량에 따라 증가하여 20 wt% SA농도에서 0.024 S/cm의 최대값을 나타내었다. 함수율과 수소이온전도도의 이러한 경향은 SA 함량이 증가함에 따라 이온 그룹의 수가 증가하는 효과와 가교가 증가하는 효과가 서로 경쟁적으로 일어나기 때문으로 생각된다.

폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 지지체 위에 빗살모양의 술폰화된 공중합체를 코팅하여 나노 분리막을 제조하였다. 빗살모양의 공중합체는 원자전달 라디칼 중합법(ATRP)에 의해 제조하였으며, 폴리비닐클로라이드의 주사슬과 폴리스티렌 술폰산(PSSA)의 곁사슬로 구성되어 있다. 핵자기 공명법(1 H-NMR), FT-IR분광학 그리고 WAXS 분석법에 의해 공중합체가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다 PVC-g-PSSA로 구성된 복합 나노 분리막은 PSSA의 함량이 증가함에 따라 플럭스와 배제율 모두 증가하였다. 이러한 성능 향상은 분리막의 술폰산의 함량의 증가로써 설명할 수 있다. PSSA가 71wt%첨가된 나노 복합막의 배제율은 Na2SO4 88%, NaCl 33%을 나타내었고, 플럭스는 Na2SO4 26, NaCl 34 L/m 2 h을 각각 나타내었다.

Poly(vinyl alcohol-co-ethylene) (PVA-co-PE)와 poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-co-PMA)을 고분자 블렌딩 방법으로 50 : 50의 무게비율로써 수소이온 전도성 가교형 전해질막을 제조하였다. PSSA와 PMA이 3 : 1과 1 : 1의 몰 구성비로 되이 있는 두 가지 종류의 PSSA-co-PMA 고분자를 수소이온 전도성 고분자로 사용하였으며, PVA-co-PE 고분자는 에틸렌의 함량이 0, 27 그리고 44 mol%인 고분자를 사용하였다. 전해질 막은 PVA의 히드록실 그룹과 PMA의 카르복시릭 그룹 사이의 에스테르화 반응을 통한 열가교를 통해 제조하였고, FT-IR을 통하여 이를 확인하였다. PSSA-co-PMA의 몰비율이 3 : 1로 구성되어 제조된 전해질막은 몰비율 1 : 1로 구성되어 제조된 막보다 더 낮은 이온교환용량과 더 높은 함수율, 수소이온 전도도를 나타내었다. 또한, 전해질막에서 PE의 함량이 증가할수록 이온교환용량, 함수율, 수소이온 전도도가 계속해서 감소하는 경향성을 보였다. 전해질막의 이러한 물성들은 술폰산기의 함량과 친수성, 막의 가교구조 사이의 경쟁적인 효과로써 설명하였다.