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. 

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. 

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.

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.

##참고자료##

• Hyuk-Jun Noh et al., "Vertical two-dimensional layered fused aromatic ladder structure", Nature Communications(2020)

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