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제목 화학적 안정성이 탁월한 MOF 소재의 건식 CO₂흡착제 개발 (홍창섭 교수, 고려대)
작성자 KCRC 등록일 2015-03-05 조회수 6465

 

화학적 안정성이 탁월한 MOF 소재의
 
건식 CO₂흡착제 개발
 
 
□  주요 내용
o 발전소에서 배출되는 가스로부터 온실가스인 이산화탄소를 획기적으로 포집할 수 있는 금속-유기 복합체(MOF) 기반 새로운 흡착제가 국내연구진에 의해 개발
 - 고려대학교 화학과 홍창섭 교수팀은 이산화탄소 포집에 유리하면서도 발전소 배가스에 포함된 수증기와 산성가스에도 강한 ‘니켈기반 금속-유기 복합체’를 개발
 ※ 세계적 국제학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 온라인 논문 게재(논문명 : pH-Dependent Proton-Conducting Behavior in a Metal-Organic Framework Material)

 
o 금속-유기 복합체는 유기리간드에 의해 연결된 금속 기반 노드로 구성되어 매우 큰 비표면적, 미세조정이 가능한 기공의 발달, 대량합성 가능성 때문에 다양한 가스 분리에 높은 응용성을 갖는 반면, 수분과 산성조건에 구조적 안정성이 붕괴되는 단점 때문에 이산화탄소 포집제로 활용하기에 한계가 존재
 - 이에 연구팀은 니켈기반 금속-유기 복합체를 합성하여 pH 1.8의 강산이나 끓는 물 조건에서 이산화탄소를 흡착하면서도 장시간 구조적 안정성을 유지하는 우수한 결과를 확인
 - 또한 기존의 제조 시간이 긴 용매(수)열 반응법에서 탈피하여 마이크로웨이브를 조사하는 새로운 대량생산 방법을 제시함으로써 향후 건식 이산화탄소 흡착제로서의 활용 가능성을 제시
 - 아울러 니켈기반 금속-유기 복합체는 수소이온 전도도도 높아 현재 연료전지의 양성자 교환막으로 이용되고 있는 대표적인 고분자 전해질막인 Nafion에 비견할 만한 전도도 값(2.2 x 10-2 S/cm)을 구현함으로써 향후 수소 연료전지의 양성자 교환막에 적용 가능성을 보였으며, 그 외 금속-유기 복합체의 특성상 약물전달체, 가스 분리 및 저장, 센서 등 다양한 분야에 널리 활용될 것으로 기대
 
□  연구 내용
 물에 의해 쉽게 가수분해 되는 금속-유기 복합체의 한계를 극복하기 위해 금속-리간드 배위결합이 강한 배위환경을 조성하려는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구가 구조의 수분 안정성에 초점이 맞춰져 있었으며 이산화탄소를 강하게 흡착할 수 있는 배위시스템에 대한 연구는 제한적이었다. 본 연구진은 끓는 물과 산성 조건에서 장시간 구조가 안정한 튼튼한 금속-유기 복합체 개발에 성공하였다. 이 건식 흡착제는 열린금속자리를 포함하고 있어서 이산화탄소와 강한 상호작용을 할 수 있다. 황산으로 처리한 금속-유기 복합체는 pH 1.8까지 구조가 안정하였다. 또한 물을 100 oC로 가열하면서 일주일 이상 담가두어도 이 물질의 견고한 구조는 유지되었다. 산성 용액으로 처리한 시료와 처리하지 않은 시료에 대한 이산화탄소 흡착성능을 비교 평가하였다. 산 처리 후에도 흡착량이 유지되므로 향후 이 흡착제의 성능 개선 연구가 완성되면 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 실재 공정에 활용할 수 있을 것이다.   

 
[그림 1] 금속-유기 복합체 구조 및 산 처리 후 수소이온 전도 메커니즘: (a) 금속-유기 복합체 제조법. 마이크로웨이브파를 조사하여 단시간에 물질을 제조할 수 있음. (b) 황산 용액으로 처리 후 물 클러스터 형성 모형. 수소이온이 기공 내 물 분자와 수소결합으로 클러스터를 이루고 있음. 수소이온은 Grotthuss 메커니즘에 의해 채널을 통해 신속히 이동함.
 

그림 2. 금속-유기 복합체의 주사 전자 현미경 사진: (a) 황산 처리 전의 금속-유기 복합체의 입자 모습.  (b) 황산 (pH 2.4) 처리 후의 금속-유기 복합체의 입자 모습. 황산 처리 전·후의 입자의 모양과 크기는 거의 변화가 없음 확인함.

 

 

[그림 3] 금속-유기 복합체 채널 내의 이산화탄소: 곧은 채널을 가지는 금속-유기 복합체 내부에 흡착된 이산화탄소. 

 

□  기대효과

o 이번 연구의 성과는 물과 산성 가스를 포함하고 있는 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위해 구조적 견고성을 갖는 금속-유기 복합체를 개발하였다는 점이다. 세계적으로 이산화탄소 배출규제를 강화하고 있는 시점에서 흡착제 시장이 확대되고 있는 추세로 볼 때 이 연구로 건식 흡착제 시장 선점 및 원천 소재 기술 개발이 가능할 것으로 기대

 

o 이런 구조적 견고성을 이용하여 수소 연료전지의 양성자 교환막인 Nafion에 비교할 만한 수소이온 전도도를 갖는 신개념 혁신 소재를 실현할 수 있으며, 이를 통해 이온 이동성을 극대화시킬 수 있는 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 예상 

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