“서로 다른 소재 원하는대로 합성” 센서·촉매 성능 높인다

입력 2022-03-02 12:31:38

- UNIST, 다공성 소재 합성 기술 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 입자 안에 여러 금속-유기물 골격체(MOF) 소재를 원하는 형태로 섞는 합성 기술이 개발됐다. 입자의 겉과 속이 다른 물질로 이뤄진 ‘코어 셸 구조’나 서로 다른 물질끼리 골고루 섞인 구조 등을 모두 합성할 수 있다. 이를 통해 차세대 촉매나 센서 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 나명수·민승규 교수 공동연구팀이 다공성 소재 합성기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

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.

연구팀의 기술은 온도를 변화시켜 기본 단위구조의 공간 분포를 조절할 수 있는 기술이다. 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 이번 연구로 기본 단위구조의 공간 분포를 조절하는 조건도 밝혀냈다. 코어 셸 형태를 비롯해 MOF 입자 내 소재 분포를 조절하는 합성법은 여럿 개발됐었지만, 소재 분포를 변화시키는 중요 요소는 제대로 알려지지 않았었다.

입자 내에 각기 다른 MOF를 분포시킨 모습. a 코어 쉘 구조, b 골고루 섞인 형태를 현미경(왼쪽)으로 관찰한 사진과 라만 맵핑한 이미지(오른쪽).[UNIST 제공]

이번 연구를 통해 교환체 교환 속도와 확산 속도 간의 온도 민감도 차이가 중요한 것으로 드러났다. 교환체는 MOF 단위구조의 기존 금속과 유기물을 대체하는 물질이다. 이 처럼 이미 합성된 MOF 입자의 유기물이나 금속을 교환체로 바꿔 새로운 MOF를 합성하는 방식을 ‘합성 후 교환방식’이라 한다. MOF 단위구조의 모양은 유지하면서 구성 조합만 바꿀 수 있어, 모든 원료를 한꺼번에 넣어 MOF를 합성하는 방식보다 원하는 MOF 합성이 쉽다.

나명수 교수는 “단위 구조체의 공간 분포를 잘 조절하면 원하는 목적에 맞는 MOF 소재를 만들 수 있다”며 “다양한 MOF 기반 센서, 촉매, 기체 저장 장치를 개발하는데 쓸 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’ 2월 25일 온라인 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com