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Research

금속 유기 구조체의 새로운 개량 기술 개발

  • 조회. 453
  • 등록일. 2020.05.27
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 박진희 교수팀, 금속 유기 구조체에 작용기와 메조 기공을 동시에 도입하는 새로운 이중 개량 기술 개발
손쉬운 특성 변경과 기공 크기 조절 등 다양한 분야에서의 활용 기대돼

 

관련사진1.DGIST 신물질과학전공 박진희 교수(우), 이병찬 석박통합과정생(좌)[500KB]
[DGIST 신물질과학전공 박진희 교수(오른쪽), 이병찬 석박통합과정생(왼쪽)]
 

 DGIST 신물질과학전공 박진희 교수팀은 금속 유기 구조체에 다양한 작용기를 도입하고 동시에 구조체의 성질을 개선하는 새로운 이중 개량 기술을 개발했다. 탄소 화합물에서 독특한 성질을 갖는 원자단인 작용기의 도입과 새로운 기공 구조 생성이 동시에 가능해 향후 다양한 산업분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

 벌집 같은 다공성(多孔性) 기공구조를 갖는 금속 유기 구조체(MOFs; Metal-Organic Frameworks)는 단 1g이 최대 축구장 크기의 넓은 표면적을 가지며, 물질의 흡착·분해가 용이해 환경 및 에너지 문제를 해결할 신소재로 각광받고 있다. 현재까지 8만여 개가 넘는 다양한 구조의 금속 유기 구조체가 발견됐지만, 활용 관련 연구가 제한적이거나, 기능화 시킨 구조체의 구조적 분석 연구가 미비했다.

 이처럼 연구가 활발하지 않았던 이유는 기존의 개량기술의 절차가 매우 복잡해 연구에 어려움이 많았기 때문이다. 원하는 작용기를 도입시키기 위해서는 구조체 내부에 미리 도입된 작용기와, 추가적으로 작용기를 도입시켜 서로 반응시켜야만했다. 이처럼 여러 작용기 도입으로 인해 최종적으로 생성되는 구조체의 구조가 매우 복잡해지는 문제점이 발생했으며 이는 구조 분석을 어렵게 했다.

 하지만 박 교수팀이 개발한 개량기술은 금속 유기 구조체 내부에 의도한 작용기를 간편하게 도입시켜 구조체의 구조 변경과 동시에 성질 변화도 가능하게끔 한 기술이다. 이 기술은 구조체 내부에 있던 수소-탄소 결합을 탄소-탄소 결합으로 치환하는 과정에 원하는 작용기를 바로 도입시켜 기존의 기술보다도 생성된 구조의 안정성이 높고, 그 분석이 매우 수월하다는 장점을 갖는다.

 그 외에도 이번 개량기술을 이용하면 활용성이 높은 기공구조 제작도 함께 가능하다. 박 교수팀은 작용기를 도입하고 이를 관찰한 결과, 금속 유기 구조체 내부에 메조 기공이 생성된 것을 발견했다. 2nm~50nm(나노미터) 크기의 기공을 의미하는 메조기공이 생성되면, 기존의 구조보다 요오드 흡착 속도가 3~6배 빠르고 이산화탄소와 수소를 흡착하는 능력이 더 뛰어나다. 이는 향후 공기청정 같은 환경 관련 분야, 에너지 저장 분야 등 다양한 분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

 DGIST 신물질과학전공 박진희 교수는 “기존 개량 기술은 작용기 도입 과정이 복잡하고, 분석도 까다로웠다”며 “이번에 개발한 기술은 그러한 문제점을 극복했고 더 나아가 소재의 성질과 구조를 쉽게 변경할 수 있어, 향후 추가 연구를 진행해 금속 유기 구조체의 실용화에 기여하고자 한다”고 말했다

 한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 4월 27일(월) 게재됐다. 본 연구에는 DGIST 신물질과학전공 이병찬 석·박통합과정생이 제1저자로, 박진희 교수가 교신저자로 참여했다.

 

    연구결과개요 

Microscopic and Mesoscopic Dual-Post-Synthetic Modifications of Metal-Organic Frameworks
yeongchan Lee, Dohyun Moon, and Jinhee Park
(Angewandte Chemie International Edition, on-line published on 27th April 2020) 

 

 금속 유기 구조체(MOFs)의 합성후 개량 방법은 MOFs의 구조를 유지하면서 원하는 작용기를 도입할 수 있는 유용한 방법이다. 본 연구팀은 C-H 결합을 C-C 결합으로 대체하며 작용기를 도입하는 동시에 계층적 기공 구조를 도입하는 새로운 이중 개량 기술을 보고한다. 알킬할라이드와 포름알데히드를 이용하여 친전자성 방향족 치환 반응을 진행하였으며, 이는 단결정간 구조변환 (single-crystal-to-single-crystal transformation)으로써 정밀한 구조분석이 가능하였으며, 치환 반응의 메커니즘을 규명할 수 있었다. 여기서, 도입되어지는 작용기의 입체 장해로 인해 결합의 안정성이 감소하고, 치환으로 생성되어지는 하이드로늄과 할라이드로 인한 에칭은 계층적 기공 구조의 형성을 가능하게 하였다. 도입된 작용기는 주 흡착 사이트와 가깝게 위치하기 때문에, 흡착 성질에 큰 영향을 끼치게 된다. 결과적으로, 알킬 그룹은 수분 흡착을 상당히 감소시킨 반면에, 하이드록실 그룹이 도입된 경우에는 낮은 압력구간에서의 수분 흡착 능력이 굉장히 향상되었다. 또한, 여러 MOFs를 이용한 요오드 흡착 실험을 통해, 작용기와 메조 기공의 도입으로 인한 흡착 속도의 변화를 상세히 분석하였다. DOI : 10.1002/anie.202000278

 

 

    연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

일반적으로 MOFs 기공내 미리 도입되어 있는 반응성이 높은 작용기를 통해 진행되는 기존의 개량 방법과는 다르게, 본 연구에서는 탄소-수소 결합을 안정한 탄소-탄소 결합으로 치환하는 반응을 이용하였으며, 단결정 X-선 회절 분석 실험을 통해 반응 원리를 규명하였다. 또한 다양한 작용기뿐만 아니라 메조 기공까지 도입함으로써, 화학적 특성과 기공 크기를 동시에 조절할 수 있는 이중 개량 방법을 제시하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

이번 연구에 사용된 반응은 유사한 구조를 가진 물질로 합성되어진 MOFs에 모두 적용할 수 있을 것이며, 필요한 특성이 도입된 MOFs는 공기 청정기술, 에너지 저장, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용될 것으로 생각된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 연구에 이용한 유사한 성질의 유무기 소재에 대한 추가적인 연구가 진행되고, 이후 실제 응용 분야에 적용 후 추가적인 분석을 통해 실용화에 기여할 수 있을 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

이전 연구에서 진행되어진 요오드 흡착 실험을 통해 치환 반응에 대한 단서를 얻었으며, 치환 반응을 통한 화학적 흡착 원리를 세밀히 분석함으로써 MOFs의 이중개량에 응용하는 연구를 시작하게 되었다. 이 원리를 이용하여 손쉽게 MOFs에 원하는 특성을 도입할 수 있을 것이라고 생각했으며, 이는 MOFs의 다양한 분야로의 응용에 있어서 필수적인 요소라고 생각하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

기존의 개량법과는 다르게 작용기의 도입뿐만 아니라 기공 크기를 동시에 조절하는 새로운 방법으로써, 두 방면의 개량 과정을 한 번에 적용시키는 효율적인 방법이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

여러 장점들에도 불구하고, MOFs의 실용화는 이제 막 시작된 단계로써, 기능적인 부분이나 안정성에 있어 여러 문제점이 존재하며, 이를 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 하고자 한다.

 

 

    그림 설명 

[그림 1] 이중 개량 기술을 이용한 작용기와 기공의 도입 과정 및 주사 전자 현미경 사진과 기공 크기에 따른 요오드 흡착 실험

 

관련사진2.이중 개량 기술을 이용한 작용기와 기공의 도입 과정 및 주사 전자 현미경 사진과 기공 크기에 따른 요오드 흡착 실험

(그림설명)
 작은 기공만을 가진 기존 MOFs에 작용기와 메조 기공의 도입 과정을 나타내는 그림이다. 치환 과정 이후 세척을 거쳐 이중 개량된 MOFs를 얻을 수 있으며, 주사 전자 현미경 사진에 나타난 것과 같이 표면의 균열과 새로 형성된 나노입자를 확인할 수 있다. 이와 같은 변화는 아래 그림과 같이 MOFs의 요오드 흡착 속도와 흡착량을 향상시키는 결과를 나타내었다.

 

 

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