[사진: 김대우 교수, 최은지 제1저자]

연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 최고 성능의 수소/이산화탄소 분리용 금속유기골격계 기반 분리막을 개발함으로써 블루수소기반 연구 및 원천기술 확보에 기여할 수 있는 기술을 구현했다.

본 연구팀은 고성능 분리막 제작을 위해 암스트롱(Å) 단위의 정밀한 기공 제어를 통해 금속유기골격체 기반 단일 분리막을 구현했다. 여기서 사용한 금속유기골격체는 ZIF-8이라는 물질이며, 이론적으로는 3.4 암스트롱의 기공을 가지고 있지만, 실질적으로 4.0 암스트롱의 크기로 늘어난다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 ZIF-8 기공을 이루는 분자들이 자유롭게 움직일 수 있어, 가스가 투과할 때 문이 열리듯이 분자들이 움직이기 때문이다(Gate-opening effect, 기공열림현상). 하지만 기존 기공 크기로는 고순도 수소(2.9 Å)와 이산화탄소(3.4 Å) 분리가 불가능하기 때문에, ZIF-8 기공 제어가 필수적이다. 

이에 연구팀은 탄소 소재중 하나인 그래핀 나노리본 물질을 사용하여 기공 제어를 시도했다. 그래핀 나노리본은 탄소나노튜브에서 산화를 통해 만들어지는 물질이다. 그래핀 나노리본을 도입해 기공에 존재하는 분자들의 움직임을 억제하여 이론적인 기공 사이즈를 가지는 금속유기골격체 기반 분리막을 개발하였다. 

특히, 이번 연구의 핵심은 그래핀 나노리본에 포함된 sp2 탄소 영역과 ZIF-8에 포함된 아연 원자의 상호작용으로 인해 결정구조 자체가 견고하게 만들어졌다는 것이다. ZIF-8의 기공열림현상을 억제하여 가스가 들어오더라도 기공 사이즈를 3.4 암스트롱으로 유지했다. 또한 분리막의 지지체와 그래핀 나노리본과의 결합력을 감소시켜 그래핀 나노리본과 ZIF-8의 상호작용을 증가시키고, 결과적으로 기공 분자의 움직임을 최대한으로 억제했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 신진연구자지원사업과 산업자원통상부가 추진하는 산업기술거점센터육성시범사업의 지원으로 김대우 교수 연구팀의 최은지 연구원(공동 제1저자), 조지아텍 장승순 교수 연구팀의 최지일 박사(공동 제1저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘앙케반테 케미(Angewandte Chemie)’에 12월 5일자(현지시간)로 게재됐다.