김대우 교수 연구팀, 그래핀나노리본을 이용한 구조 제어된 고성능 MOF 수소 분리막 개발

[사진: 김대우 교수, 최은지 제1저자]

화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 그래핀나노리본을 개질화 층으로 이용하여 금속유기골격체(Metal-organic framework, MOF)분리막의 기공 구조와 가스 투과특성을 조절하는 기술을 개발하였다. 개발된 분리막은 매우 높은 수소 투과도와 선택성을 가지고 있어, 향후 수소 정제와 생산 공정 효율을 극단적으로 향상할 수 있는 핵심기술이다.

원자수준에서 균일한 기공 구조를 가지는 MOF는 50000가지의 결정 구조로 되어 있고, 제올라이트에 대비하여 상대적으로 낮은 온도와 상압에서 합성될 수 있으므로, 차세대 가스 분리 소재로 여겨지고 있다. 하지만, 나노미터 수준의 결함도 없는 완벽한 균일한 박막을 대면적에 제조하는 것은 소수의 제한된 결정 구조로만 이루어지고 있다. 후처리 공정 등을 포함하여 가스 분리 성능의 향상을 위해 다양한 MOF 구조제어 기술들이 제안되었지만, 연구실 단위에서만 접근이 가능한 한계를 지니고 있다.

본 연구팀은 범용 고분자 지지체에 구조가 제어된 균일한 MOF 박막을 형성하기 위하여 그래핀 나노리본을 표면개질 층으로 도입하였으며, 그 결과, 약 400nm 수준의 MOF 초박막을 합성할 수 있었다.

그래핀 나노리본에 포함된 다양한 산소기능기는 MOF 핵입자의 생성을 촉진하는데 효과적이며, sp2 탄소로 이루어진 엣지는 MOF의 이온과 화학적 결합을 함으로써 결합에너지를 증가하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 효과로 인해 사용된 ZIF-8의 결정구조가 강직해지고, 그 결과 수소에 대해 매우 높은 선택성과 투과도를 가지는 분리막의 구현이 가능함을 규명하였다.

개발된 방법은 기존 구조제어를 위해 사용되던 방법들과는 다르게 그래핀 나노리본의 도입만으로 MOF의 구조제어가 가능한 매우 쉽고 범용적인 방법이며, 연구팀은 다양한 MOF 구조에 적용 가능성을 추가로 검증 중이다.

과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 신진연구사업, 중점연구소사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 2월 22일에 게재되었다.