일으켜 세운 얇은 분자, 더 좋은 흡착제 만든다
일으켜 세운 얇은 분자, 더 좋은 흡착제 만든다
  • 함예솔
  • 승인 2020.05.05 23:55
  • 조회수 886
  • 댓글 0
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요약

 

'종잇장'처럼 얇은 단위 물질을 수직으로 세운 뒤 이를 2차원 구조처럼 이어나간 구조체가 개발됐습니다. 기체를 빠르게 흡착할 수 있어 수소나 메탄 같은 기체 연료를 저장하거나 위험한 가스를 제거하는 데 응용될 전망입니다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 '수직으로 선 2차원 적층 구조(Vertical 2D layered structure)'를 구현해 우수한 기체 저장 능력과 위험물질 흡착 성능을 갖는 물질 개발했습니다. 원자 하나 두께로 얇은 층상 물질을 수직으로 세운 뒤 이를 쌓아올려, 층간 결합력은 줄이고 기체가 달라붙을 수 있는 표면적은 넓혔습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다. 

신개념의 2차원 구조(V2D-BBL structure) 합성 모식도와 적층 구조 비교. 출처:UNIST
신개념의 2차원 구조(V2D-BBL structure) 합성 모식도와 적층 구조 비교. 출처: UNIST

수평 말고 수직으로

 

그래핀(graphene)처럼 규칙적인 구조를 가지고 얇은 2차원 물질을 기체 저장이나 흡착에 활용하려는 시도가 많았습니다. 기체가 이동할 수 있는 구멍(기공)이 있고, 3차원 물질보다 설계하기 쉽기 때문입니다. 하지만 2차원 물질을 층층이 쌓게 되면 층간에 강한 결합력 때문에 층 사이가 매우 좁아집니다. 이 경우 층 사이 표면은 기체 저장이나 흡착에 활용하기 어렵습니다.

 

백종범 교수팀은 하나의 단위가 되는 고리 모양의 분자, 즉 단위체를 쌓을 때 이를 수직으로 세운 뒤 쌓는 방식을 이용해 문제를 해결했습니다.  고리 모양이 서로 마주 볼 경우(수평)에는 층간 결합력이 크지만 수직으로 쌓으면 결합력이 느슨해지는 원리를 이용했습니다. 층 사이의 결합력이 약해지면 적층(layered) 구조를 만들었을 때 노출되는 표면적이 더 넓었습니다.

 

게다가 구조가 매우 안정적이어서 600℃의 고온도 잘 견딥니다. 제1저자인 노혁준 UNIST 에너지공학과 석・박사통합과정 연구원은 "구조물의 모든 부분을 고리 모양으로 만들어 기존 2차원 유기 다공성 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다"며 "각종 고온 공정에서도 사용 가능할 것"이라고 설명했습니다. 

V2D-BBL structure의 아이오딘(I₂) 증기 흡착 능력 및 재활용성 평가. 출처: UNIST
V2D-BBL structure의 아이오딘(I₂) 증기 흡착 능력 및 재활용성 평가. 출처: UNIST

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

V2D-BBL structure의 기체 연료저장 성능. 출처: UNIST
V2D-BBL structure의 기체 연료저장 성능. 출처: UNIST

백종범 교수는 "탄소 기반 2차원 물질인 그래핀의 발견 이후 2차원 물질을 활용하려는 시도는 꾸준히 늘고 있다"며 "새로운 개념을 도입해 2차원 구조가 본래 가진 한계점을 극복하고 세계 최초로 세로로 서 있는 2차원 구조를 구현해냈다"고 연구 의의를 설명했습니다.

백종범 교수 연구팀. 출처: UNIST
백종범 교수 연구팀. 출처: UNIST

##참고자료##

 


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