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Research

초미세먼지를 더 강력하게 걸러낼 물질의 새로운 생성법 개발

  • 조회. 539
  • 등록일. 2019.06.12
  • 작성자. 홍보팀

초미세먼지를 더 강력하게 걸러낼 물질의 새로운 생성법 개발
- DGIST 정낙천 교수팀, 금속유기 분자체의 수분 안정성 향상법 개발
- 공기청정 및 기체 분리 등에 대한 활용과 성능 향상 기대돼

 

△DGIST 신물질과학전공 정낙천 교수(뒷줄 오른쪽)와 연구진

 

일상생활 속 초미세먼지를 효과적으로 걸러줄 금속유기 분자체를 생성하는 새로운 방법을 DGIST에서 개발했다. 향후 공기청정 분야에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

DGIST(총장 국양)는 신물질과학전공 정낙천 교수 연구팀이 금속유기 분자체의 수분 안정성을 향상시키는 “배위화학적1) 환원법2)(Coordinative Reduction)”을 개발했다고 12일(수) 밝혔다. 이번 연구는 환원과정과 수분 안정성 향상에 관한 메커니즘도 함께 제시하며 완성도 높은 연구결과를 도출했다는 평을 받았으며, 향후 공기청정 필터소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

‘금속유기 분자체’(Metal-Organic Framework, MOF)는 분자 내부에 빈 공간을 갖는 다공성 물질이다. 특히 그 빈 공간을 이용, 기체 흡착과 분리 등 공기청정과 관련된 응용이 가능해 현대 사회의 공기오염 문제를 해결할 수 있는 물질로 기대 받고 있다. 하지만 금속유기 분자체 결합구조상 수분에 취약해 관련 기술개발에 어려움을 겪어왔다.

정낙천 교수팀은 금속유기 분자체의 수분 안정성을 위해 ‘하이드로퀴논(Hydroquinone)’을 이용했다. 피부표백제 성분으로 활용되기도 하는 하이드로퀴논을 이용해 환원시킨 금속유기 분자체는 물속에서 몇 주간 머물러도 분자 구조가 붕괴되지 않을 정도로 높은 수분 안정성을 지녔다. 

높은 수분 안정성의 원인은 바로 하이드로퀴논이 금속이온을 수분에 강한 특정 금속유기 분자체로의 선택적 환원을 가능케 했기 때문이다. 일반적인 환원법으로는 불가능했지만, 하이드로퀴논이 개입한 배위화학적 환원 과정은 수분에 강한 특정 금속유기 분자체로의 선택적 환원을 실현시켰다.

이 때 정낙천 교수팀이 개발한 배위화학적 환원법을 통해 환원된 금속유기 분자체는 1~2나노미터 크기의 작은 구멍을 가진다. 이는 수십에서 수백나노미터 크기의 초미세먼지보다도 작고, 공기 중 수분의 영향에도 안정적이어서 향후 공기청정 분야를 포함 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

DGIST 신물질과학전공 정낙천 교수는 “상상하던 환원법을 실험으로 진행해본 것이 이번 연구의 시작이었다”며 “금속유기 분자체의 수분 안정성은 연구 도중 발견한 아주 값진 성과로 향후 실질적인 활용을 위해 추가적인 연구를 진행하고자 한다”며 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 정낙천 교수와 송다해 석사과정생, 배진희 박사과정생, 지훈 석사과정생이 주도했다. 또한, 포항가속기연구소와 연세대학교 등의 연구팀과의 공동연구로 진행됐으며, 저명한 화학분야 저널인 ‘저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(JACS, Journal of the American Chemical Society)’ 5월호의 후면표지(Supplementary cover)로 게재됐다.

1) 배위화학(Coordination Chemistry): 금속 이온과 다른 분자나 이온의 결합에 의해 생기는 배위 화합물에 관한 화학
2) 환원(Reduction): 산소와 결합해 생성된 산화물에서 산소를 제거하고 원소로 되돌리는 과정


 연구결과개요 


Coordinative Reduction of Metal Nodes Enhances the Hydrolytic Stability of a Paddlewheel Metal−Organic Framework
Dahae Song, Jinhee Bae, Hoon Ji, Min-Bum Kim, Youn-Sang Bae, Kyo Sung Park, Dohyun Moon,* and Nak Cheon Jeong*
(JACS, offline-published on May 2019)
(JACS, online-published on April 5th, 2019)
 다공성 물질인 금속유기 분자체(Metal-Organic Framework, MOF)는 전기-전자재료를 비롯하여 촉매, 기체흡착물질, 기체분리물질 및 특히 공기청정물질로서 높은 응용성을 보이며, 현대 환경-에너지 문제를 해결할 수 있는 물질로서 기대 받고 있는 물질이다.  그러나 이 같은 응용과정에 있어서 수분을 배제하기란 쉽지 않은 일이며, 동시에 금속유기 분자체를 이루는 배위화학결합은 수분에 취약한 문제를 본질적으로 지니고 있어, 금속유기 분자체는 이들 응용기술에 높은 가능성이 내재하고 있음에도 태생적 한계를 지니고 있다. 본 연구에서는 금속유기 분자체 내의 격자내에 존재하는 2가 금속이온을 선택적으로 1가 이온으로 환원시키는 새로운 “배위화학적 환원법”(Coordinative Reduction)을 개발했으며, 이에 대한 화학적 메커니즘을 설명했다. 나아가, 배위환원된 금속유기 분자체가 높은 수분 안정성을 가짐을 증명했다. 연구팀이 개발한 높은 과학적 가치의 배위화학적 환원법으로 인해, 향후 금속유기 분자체의 다양한 응용성이 더욱 확대될 수 있을 것으로 기대되며, 나아가 사회적 이슈 중 하나인 공기질 향상에 금속유기 분자체가 크게 활약할 수 있을 것으로 기대된다.


 연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
다공성 물질인 금속유기 분자체는 기체흡착물질, 기체분리물질 및 특히 공기청정물질로서 높은 응용성을 보이는 물질이다. 그러나 금속유기 분자체는 수분에 취약한 문제를 본질적으로 지니고 있어 다양한 응용기술에 높은 가능성이 내재하고 있음에도 불구하고 태생적 한계를 지녀 왔다.
본 연구는 금속유기 분자체의 수분안정성을 극적으로 향상시키는 방법을 제시한 연구로서 금속유기 분자체의 응용적 한계를 극복시킬 수 있는 단초를 제공한 연구결과이다. 이에 본 연구의 차별성이 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
금속유기 분자체는 먼지를 거르고 크기가 작은 산소와 질소 등의 공기분자들을 통과시키는 특성을 가졌으나, 공기에 포함된 수분(습도)로 인해 그 성능을 제대로 발휘하지 못해 왔다는 평이다. 수분 안정성이 향상된 금속유기 분자체는 에어필터로서 공기질 향상에 활용 가능성이 기대된다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
공기 청정 혹은 대기 청정 용도의 실용화를 위해서는 금속유기 분자체를 분리막 또는 필름, 고분자와의 혼합체 등으로 쉽고 저렴하게 성형할 수 기술 개발이 선제적으로 이루어져야 한다. 이러한 추가 기술 개발들이 이루어지고 나면 상용화에 대한 기대가 높아질 것으로 예상한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
단지 배위화학적 환원에 대한 상상만 가지고 연구를 시작했다. 산화수가 선택적으로 조절하며 금속이온을 환원시키면 어떤 화학적 변화들이 일어날지가 궁금했다. 이러한 연구에 있어서 가장 접근하기 용이한 물질이 금속유기 분자체였을 뿐이다. 금속유기 분자체의 수분 안정성이 향상된 것은 우리에게는 보너스였다. 다만 이러한 현상들이 일어나는 메커니즘을 설명하기 위한 분석과정은 쉽지 않았다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
두 가지 측면에서 큰 의미가 있다. 하나는 “배위화학적 환원”이라는 새로운 환원 개념을 화학분야에 설파했다. 두 번째는 금속유기 분자체의 다양한 응용성에 내재된 제한을 풀고 해결할 수 있는 실마리를 제공했다는 점에 그 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번에 발견한 배위화학적 환원이 금속유기 분자체 분야뿐 아니라 무기화학분야를 포함한 화학 전 분야에서 활용될 것으로 기대한다. 또한 금속유기 분자체의 산업분야 활용에 있어 이번 연구가 수분 안정성의 한계를 돌파하는 단초가 됐으면 한다. 마지막으로 본 연구처럼 기초과학 연구에 가까운 여러 연구를 통해 우리나라의 기초과학분야 성장뿐만 아니라, 기초과학에 소홀한 정부의 인식과 사회적 인식을 바꾸고, 더 나아가 기초과학에 대한 정부 투자가 확대되었으면 하는 바람이다.


그림 설명

[그림 1] 수분 안정성이 향상된 유기 분자체에 대한 모식도

 

[그림 2] 배위화학적으로 환원된 금속유기 분자체의 단결정 구조

 


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