일으켜 세운 ‘얇은 분자’ 구조체가 더 좋은 흡착제 만든다

UNIST 백종범 교수팀, 기체 저장능력 우수한 2차원적층구조 개발…수소·메탄 저장 가능

그림1. 신개념의 2차원 구조(V2D-BBL structure) 합성 모식도와 적층 구조 비교 (a): 트립티센 헥사민(Triptycene HexAmino, THA)과 나프탈렌테트라카르복실릭 디안하이드라이드(Naphthalenetetracarboxylic DiAnhydride, NDA)의 방향족 고리화 반응을 통해 전체 모양이 방향족 고리인 ‘세로로 선 2차원 적층 구조(V2D-BBL structure)’를 합성했다. 우측 그림은 방향족 고리를 세워서 본 모양.(b), (c): (b)는 일반적인 2차원 물질을 수평(Planar 2D)방향으로 쌓은 구조 (c)는 수직으로 세운 2차원 구조(V2D-BBL) 쌓은 구조. 세로로 선 2차원 구조의 경우 층간 결합이 유연해 드러나는 표면적이 넓다.

국내 연구진이 ‘종잇장’처럼 얇은 단위 물질을 수직으로 세운 뒤, 이를 2차원 구조처럼 이어나간 새로운 구조체를 개발했다. 이 구조체는 기체를 빠르게 흡착할 수 있어 수소나 메탄 같은 기체 연료를 저장하거나 위험한 가스를 제거하는 데 응용될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀이 ‘수직으로 선 2차원 적층 구조’를 구현하고 우수한 기체 저장 능력과 위험물질 흡착 성능을 갖는 물질 개발했다고 27일 밝혔다.

연구진은 원자 하나 두께로 얇은 층상 물질을 수직으로 세운 뒤 이를 쌓아올려, 층간 결합력은 줄이고 기체가 달라붙을 수 있는 표면적은 넓혔다.

최근 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀처럼 규칙적 구조를 가지고 얇은 2차원 물질을 기체 저장·흡착에 활용하려는 시도가 많다. 기체가 이동할 수 있는 구멍(기공)이 있고, 3차원 물질보다 설계하기 쉽기 때문이다.

하지만 2차원 물질을 층층이 쌓으면 층간에 강한 결합력 때문에 층 사이가 매우 좁아진다. 이 경우 층 사이 표면을 기체 저장·흡착에 활용하기 어렵게 된다.

연구팀은 하나의 단위가 되는 고리 모양의 분자, 즉 단위체를 쌓을 때 이를 수직으로 세운 뒤 쌓는 방식을 활용해 이 같은 문제를 풀었다. 연구팀은 고리 모양이 서로 마주 보는 수평 상태에선 층간 결합력이 크지만, 수직으로 쌓으면 결합력이 느슨해지는 원리를 이용했다. 층 사이의 결합력이 약해지면 적층 구조를 만들었을 때 노출되는 표면적이 더 넓다. 게다가 구조가 매우 안정적이어서 600℃의 고온도 잘 견딘다.

연구팀은 “구조물의 모든 부분을 고리 모양으로 만들어 기존 2차원 유기 다공성 구조체보다 화학적·열적 안정성을 높였다”며 “각종 고온 공정에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다.


연구팀은 추가실험을 통해 새로운 물질이 기체 저장에 우수한 성능을 보이는 것을 확인했다. 이 물질은 방사능 물질인 아이오딘(I2, 요오드)기체도 빠르게 흡착해 제거했다. 아이오딘 기체는 흡착이 어려운 물질로 알려져 있다. 연구팀이 개발한 적층 물질이 아이오딘을 흡착하는 속도는 현재까지 개발된 유기 다공성 물질 중 가장 빨랐다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 최신호에 게재됐다.