UNIST 화학과 나명수·민승규 교수 공동연구팀이 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션(nature communications)에 새로운 MOF 합성 기술을 발표했다고 2일 밝혔습니다. 입자 안에 여러 MOF(금속-유기물 골격체) 소재를 원하는 형태로 섞는 합성 기술입니다. 입자의 겉과 속이 다른 물질로 이뤄진 ‘코어 셸 구조’나 서로 다른 물질끼리 골고루 섞인 구조 등을 모두 합성할 수 있는데요. 화학반응 목적에 따라 서로 다른 종류의 MOF를 골라 배치 할 수 있어 차세대 촉매나 센서 성능 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.
다공성 고체인 MOF는 기공 안에 기체를 가두거나 특정 기체만 잡아낼 수 있어 기체 저장장치, 센서, 촉매 재료로 주목받는 차세대 소재입니다. 기본 단위구조 여러 개가 이어진 형태인데요. 이 단위구조를 이루는 금속과 유기물의 조합이 바뀌면 단위구조의 모양이 바뀌거나 화학적 성질이 달라져 새로운 종류의 MOF가 됩니다.
연구팀의 개발한 기술은 온도를 변화시켜 기본 단위구조의 공간 분포를 조절할 수 있는 방법입니다. 온도가 높으면 A조합 단위구조는 입자 바깥에서, B조합 단위구조 합성은 입자 안쪽에서만 일어나 코어 셸 구조가 만들어 집니다. 반면 온도를 낮추면 A, B 단위구조가 골고루 섞인 형태가 되는데요. 코어 셸 구조 여러 개로 구성된 멀티 코어 셸 구조도 가능합니다.
특히 연구팀은 이번 연구로 기본 단위구조의 공간 분포를 조절하는 조건도 밝혀냈습니다. 코어 셸 형태를 비롯해 MOF 입자 내 소재 분포를 조절하는 합성법은 여럿 개발됐었지만, 소재 분포를 변화시키는 중요 요소는 제대로 알려지지 않았었습니다.
이번 연구를 통해 교환체 교환 속도와 확산 속도 간의 온도 민감도 차이가 중요한 것으로 드러났습니다. 교환체는 MOF 단위구조의 기존 금속과 유기물을 대체하는 물질입니다. 이 처럼 이미 합성된 MOF 입자의 유기물이나 금속을 교환체로 바꿔 새로운 MOF를 합성하는 방식을 ‘합성 후 교환방식’이라 하는데요. MOF 단위구조의 모양은 유지하면서 구성 조합만 바꿀 수 있어, 모든 원료를 한꺼번에 넣어 MOF를 합성하는 방식보다 원하는 MOF 합성이 쉽습니다.
제1저자인 성준모 연구원(UNIST 화학과)은 “MOF 구조 사이로 교환체가 퍼져나가는 속도(확산)는 온도에 덜 민감한 반면, 기본구조의 유기물이 교환체로 대체되는 반응은 온도에 더 민감한 원리를 이용한 합성법” 이라며 “온도조절만으로 공간 분포 조절이 가능해 쉽게 응용할 수 있다”고 설명했습니다. 교환체 교환 속도와 확산 속도 차이에 따른 물질의 공간 분포를 시뮬레이션한 민승규 교수는 “이론과 실험적 결과가 일치하는 우수 연구 사례로 향후 다양한 합성 후 교환 방식을 개발하는 데 지침이 될 수 있을 것”이라고 전했습니다. 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 기대했습니다.
논문명 : Spatial distribution modulation of mixed building blocks in metal-organic frameworks
#용어설명
1. 금속-유기물 골격체 (metal-organic framework, MOF)
금속-유기물 골격체(MOF)는 유기 리간드와 금속이온 간의 배위결합을 통해 이뤄진 결정질의 다공성 물질이다. MOF는 유기 리간드와 금속이온의 종류에 따라 다양한 구조를 합성할 수 있다는 장점이 있다. 구성물의 크기와 유연성 등의 물리적인 특성에 따라서 MOF 기공의 크기와 표면적을 자유롭게 조절할 수 있으며 구성물의 화학적 특성에 따라서 응용 분야가 달라질 수 있다. 따라서 이 다공성 물질은 기체 흡착 및 저장, 물질 분리, 촉매, 센서 등 다양한 영역에서 활용되고 있다.
2. 원-팟 합성 (one-pot synthesis)
원-팟 합성은 하나의 반응기에서 반응물이 연속적인 화학 반응을 수행하는 전략이다. MOF 합성에서의 원-팟 합성은 하나의 반응기 안에 모든 반응물(금속염과 유기 리간드와 용매 등)들을 넣고 반응을 돌려 최종적으로 원하는 MOF 결정을 얻어내는 합성방식을 의미한다.
3. 합성 후 교환 방식(Post-Synthetic Exchange, PSE)
합성 후 교환 방식은 MOF의 구축 단위(MOF를 이루는 금속이온 혹은 유기 리간드) 교체를 통해 개선된 MOF를 준비하기 위한 효율적인 합성방식이다. 한 MOF 구조 안에 여러 종류의 화학적 작용을 일으키는 물질을 혼합하는 일을 위해서는 여러 종류의 물질들을 이용하여 동시에 원-팟 합성을 통해 얻는 방식이 있지만 각 물질 간의 경쟁 반응이나 반응 조건에서의 안정성 차이 등 여러 제약이 있어 원하는 금속-유기 골격체가 합성되지 않는 경우가 많다. 이에 대한 대안으로 합성 조건에 제약을 받지 않는 구조체를 합성한 후 기존 구성물을 원하는 물질로 교환하는 합성 후 교환 방식이 개발되었고 이를 통해 서로 다른 화학적 특성을 갖는 구성물이 들어있는 MOF 합성이 용이해진다.
