MOFs, 물질 흡착과 분해 쉬워 환경·에너지 문제 해결할 신소재
공기청정기술, 에너지 저장, 센서 등 다양한 분야 응용기대
국내 연구진이 금속 유기 구조체의 새로운 이중 개량 기술을 개발했다. 이 기술은 유사한 구조를 가진 물질로 합성되어진 금속 유기 구조체에 모두 적용할 수 있으며 공기청정기술, 에너지 저장, 센서 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대되고 있다.
대구경북과학기술원(DGIST)은 신물질과학전공 박진희 교수팀이 금속 유기 구조체에 다양한 작용기를 도입하고 동시에 구조체의 성질을 개선하는 새로운 이중 개량 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 4월 27일(월) 게재됐다.
탄소화합물에서 독특한 성질을 갖는 원자단인 작용기의 도입과 새로운 기공 구조 생성이 동시에 가능해 향후 다양한 산업분야에 응용할 수 있을 것이라고 설명했다.
벌집처럼 다공성 기공구조를 갖는 금속 유기 구조체(MOFs; Metal-Organic Frameworks)는 단 1g이 최대 축구장 크기의 넓은 표면적을 가지며, 물질의 흡착과 분해가 쉬워 환경 및 에너지 문제를 해결할 신소재로 각광받고 있다.
DGIST에 따르면 현재까지 8만여 개가 넘는 다양한 구조의 금속 유기 구조체가 발견됐지만, 활용 관련 연구가 제한적이거나, 기능화 시킨 구조체의 구조적 분석 연구가 미비했다.
이런 이유는 기존의 개량기술의 절차가 매우 복작해 연구에 어려움이 많았기 때문이며 원하는 작용기를 도입시키기 위해서는 구조체 내부에 미리 도입된 작용기와 추가적으로 작용기를 도입시켜 서로 반응시켜야만 했다.
구조의 안전성이 높고, 그 분석이 매우 수월
그러나 박 교수팀이 개발한 개량기술은 금속 유기 구조체 내부에 의도한 작용기를 간편하게 도입시켜 구조체의 구조 변경과 동시에 성질 변화도 가능하게끔 한 기술이라고 한다.
이 기술은 구조체 내부에 있던 수소-탄소 결합을 탄소-탄소 결합으로 치환하는 과정에 원하는 작용기를 바로 도입시켜 기존의 기술보다도 생성된 구조의 안전성이 높고, 그 분석이 매우 수월하다는 장점을 갖는다.
활용성 높은 기공구조 제작 가능
또한 이 개량기술을 이용하면 활용성이 높은 기공구조 제작도 함께 가능하다. 연구팀이 작용기를 도입하고 관찰한 결과, 금속 유기 구조체 내부에 메조 기공이 생성된 것을 발견했다. 2~50nm(나노미터) 크기의 기공을 의미하는 메조기공이 생성되면 기존의 구조보다 요오드 흡착 속도가 3~6배 빠르고 이산화탄소와 수소를 흡착하는 능력이 더 뛰어나다.
이는 향수 공기청정 같은 환경 관련 분야, 에너지 저장분야 등 다양한 분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.
박진희 교수는 "기존 개량 기술의 작용기 도입 과정이 복잡하고 분석이 까다로웠다. 이번에 개발한 기술은 그러한 문제점을 극복했고, 더 나아가 소재의 성질과 구조를 쉽게 변경할 수 있어, 향후 금속 유기 고주체의 실용화에 기여하고자 한다"고 말했다.
연구팀이 꼭 이루고 싶은 목표로 "MOFs의 실용화는 이제 막 시작된 단계로써, 기능적인 부분이나 안정성에 있어 여러 문제점을 해결하기 위해 더욱 많은 연구와 개선 방법이 필요하다. 이를 위해, MOFs 개량 방법이 더욱 다양화된다면 이는 MOFs의 실용화를 가속화 할 것이며, 이를 통해, 다양한 분야의 유망한 핵심 소재로서 역할을 수행할 수 있도록 하겠다"라고 설명했다.
케미컬뉴스 김수철 기자
