입자 안에 여러 금속-유기물 골격체 소재 원하는 형태로 섞는 합성 기술 개발

입자 안에 여러 금속-유기물 골격체 소재 원하는 형태로 섞는 합성 기술 개발: 이재철 기자 / 기사승인 : 2022-03-04 11:09:20

UNIST 화학과 나명수·민승규 교수 연구팀, 기본 단위구조 공간 분포 조절 기술 개발

입자 내에 각기 다른 종류의 MOF를 분포시킨 모습. (a)코어 쉘 구조, (b)골고루 섞인 형태를 현미경으로 관찰한 사진/UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST) 화학과 나명수·민승규 교수 연구팀이 입자 안에 여러 MOF(금속-유기물 골격체) 소재를 원하는 형태로 섞는 합성 기술을 개발했다.
입자의 겉과 속이 다른 물질로 이뤄진 ‘코어 셸 구조’나 서로 다른 물질끼리 골고루 섞인 구조 등의 합성이 가능할 것으로 보인다.
다공성 고체인 MOF는 기공 안에 기체를 가두거나 특정 기체만 잡아낼 수 있어 기체 저장장치, 센서, 촉매 재료로 주목받는 차세대 소재다.
기본 단위구조 여러 개가 이어진 형태로, 이 단위구조를 이루는 금속과 유기물의 조합이 바뀌면 단위구조의 모양이 바뀌거나 화학적 성질이 달라져 새로운 종류의 MOF가 된다.
연구팀은 온도를 변화시켜 기본 단위구조의 공간 분포를 조절할 수 있는 기술을 개발했다.
온도가 높으면 A조합 단위구조는 입자 바깥에서, B조합 단위구조 합성은 입자 안쪽에서만 일어나 코어 셸 구조가 된다.
반면 온도를 낮추면 A, B 단위구조가 골고루 섞인 형태가 된다.
코어 셸 구조 여러 개로 구성된 멀티 코어 셸 구조도 가능하다.
연구팀은 기본 단위구조의 공간 분포를 조절하는 조건도 밝혀냈다.
코어 셸 형태를 비롯해 MOF 입자 내 소재 분포를 조절하는 합성법은 이미 개발됐으나 소재 분포를 변화시키는 중요 요소는 알려지지 않고 있다.
이번 연구는 교환체 교환 속도와 확산 속도 간의 온도 민감도 차이가 중요한 요인임을 확인시켜 주었다.
교환체는 MOF 단위구조의 기존 금속과 유기물을 대체하는 물질이다.
이미 합성된 MOF 입자의 유기물이나 금속을 교환체로 바꿔 새로운 MOF를 합성하는 방식을 ‘합성 후 교환방식’이다.
MOF 단위구조의 모양은 유지하면서 구성 조합만 바꿀 수 있다.
모든 원료를 한꺼번에 넣어 MOF를 합성하는 방식보다 원하는 MOF 합성이 쉽다.
이번 연구는 단위 구조체의 공간 분포를 잘 조절해 원하는 목적에 맞는 MOF 소재를 만들 수 있으며 다양한 MOF 기반 센서, 촉매, 기체 저장 장치 개발 시 큰 역할을 할 수 있을 것으로 전망되고 있다.
연구 결과는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(nature communications)’ 2월 25일자 온라인판에 공개됐다.