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NEW 황종국 교수팀, 금속유기구조체(MOF) 형상제어 총설 논문 발표
- 2020-04-20
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우리 학교 화학공학과 황종국 교수가 참여한 국제 공동 연구팀이 저가의 금속 산화물을 고부가가치의 금속유기구조체 및 탄소 소재로 전환하는 기술을 개발했다.
황종국 교수(사진)와 폴란드 포즈난대학 조안나 고시안스카(Joanna Goscianska) 교수, 영국 글래스고대학 베른하드 슈미트(Bernhard Schmidt) 교수, 스페인 바스크과학재단 스테판 부트케(Stefan Wuttke) 교수는 관련 연구 성과를 영국왕립회학회가 발간하는 저명 학술지 <캐미컬 소사이어티 리뷰(Chemical Society Reviews), impact factor 40.443> 4월6일자 온라인판에 게재했다.
논문의 제목은 ‘금속유기구조체와 탄소 소재의 형상제어: 형상제어 유도체로서 금속산화물(Controlling the morphology of metal-organic frameworks and porous carbon materials: metal oxides as primary architecture-directing agents)’이다.
연구팀은 논문에서 저가의 금속 산화물을 고부가가치를 갖는 금속 유기구조체 및 탄소 소재로 전환하는 기술을 소개하고 ▲제조방법 ▲전환 메커니즘 ▲적용 방향 등을 제시했다.
금속유기구조체(metal-organic frameworks, MOF)는 최근 주목받고 있는 다공성 소재로, 금속이온과 유기 리간드의 배위결합을 통해 연결되어 골격구조를 형성하는 결정성 물질이다. 뛰어난 물리화학적 특성(금속유기구조체 1g은 100m*70m 규격 축구장 만큼의 비표면적을 가짐)으로 인해 금속유기구조체는 가스의 저장과 분리, 비균질 촉매, 에너지 저장 및 전환 장치 등에 폭넓게 사용된다.
기존에는 분자 수준에서 금속유기구조체의 망구조(topology)를 예측하고 실험적으로 구현하는 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그 결과 지금까지 약 6000개의 금속유기구조체가 보고되었다. 하지만 분자 수준에서 빠르고 복잡하게 결정화되는 특성 때문에, 금속유기구조체가 최종적으로 어떤 거시적 모양과 형상을 가질지 예측하거나 조절하는 것은 매우 어렵고 도전적인 과제로 남아있다.
<금속 산화물을 전구체로 사용하여 고부가가치를 갖는 MOF와 다공성 탄소 소재로 전환하는 모식도>
황종국 교수는 “금속유기구조체의 고유 특성을 실험실 안에서만이 아니라 실제 산업계에서 구현하기 위해서는 금속유기구조체를 다양한 이종소재와 복합화하고, 그 형상을 원하는 형태로 조절하는 기술이 확보되어야 한다”며 “하지만 고가의 별도 장비가 필요하고, 최종적으로 얻을 수 있는 형상이 단순하고 간단한 것에 국한된다는 기술적 한계를 가지고 있다”고 설명했다.
이에 공동 연구팀은 복잡하고 정교한 형상을 갖는 금속유기구조체를 제조할 수 있는 방법으로, 금속 산화물을 유기 리간드와 반응시켜 금속유기구조체로 직접 전환하는 방법을 제시했다. 금속 산화물은 기존의 기술을 통해 원하는 크기와 형상으로 쉽게 성형할 수 있을 뿐만 아니라 직물, 전도성 기판 등의 이종 소재와 복합화될 수 있다. 따라서 원하는 형태와 패턴으로 성형된 금속 산화물을 이용하면, 기존의 방식으로 구현할 수 없는 높은 수준의 복잡성·정교함과 기능성을 갖는 금속유기구조체 및 금속유기구조체 유래 탄소 소재의 합성이 가능하다.
황종국 교수는 “이번 총설 논문을 통해 복잡하고 정교한 형상을 갖는 금속유기구조체의 제조법과 제조 메커니즘을 정리했다”며 “형상제어된 금속유기구조체는 향후 에너지, 환경, 의학을 포함한 다양한 분야에 응용이 가능할 것”이라고 말했다.
그는 이어 “이 연구 분야는 아직 초기 단계로 장기적으로는 산업 부산물·폐기물과 같이 저렴하고 풍부한 금속원료를 고부가가치의 금속유기구조체와 탄소 소재로 전환할 수 있는 상용화 기술을 개발하는 것이 목표”라고 덧붙였다.
황종국 교수는 지난 10여 년간 나노다공성 소재의 구조와 형상을 제어하는 연구를 수행해온 나노 에너지 소재 전문가다. 최근에는 개발한 소재합성 기술을 바탕으로 ▲ 차세대 이차전지 전극재의 맞춤형 설계 ▲고순도 수소 생산을 위한 촉매 개발 연구에 집중해 왔다.