초고표면적 결정성 하이브리드 나노세공체 표면기능화 기술 개발
- 화학(연) 장종산/황영규 박사팀, 앙게반테 케미誌 영문판 표지논문 게재 -
한국화학연구원(원장 이재도) 신화학연구단 장종산/황영규 박사팀은 지구온난화의 주범인 이산화탄소 흡착소재, 에너지 절약형 차세대 수분 흡탈착 제어 소재 및 정밀화학용 촉매 등으로 광범위하게 사용 가능한 초고표면적 결정성 하이브리드 나노세공체의 표면 기능화 신기술을 개발했다.
이번에 개발한 기술은“초고표면적 하이브리드 나노세공체의 표면기능화 기술”이라는 제명으로 독일에서 발행되는 세계적인 화학잡지 앙게반테 케미(Angewante Chemie)誌(IF=10.02) 국제판 5월호 마지막주(2008년 47권 22호) 표지 논문으로 선정되었다.
이번 논문은 2005년에 초고표면적 하이브리드 나노세공체 (MIL-101)를 개발하여 사이언스지에 게재했던 프랑스 제랄드 페레이(Gerard Ferey) 교수그룹이 공동으로 참여했으며 한국화학연구원이 "MIL-101"을 포함한 나노세공체 등의 다량합성 및 정제법, 표면기능화 및 응용 기술을 개발하여 8건의 국내외 특허를 출원 및 등록 중이다.
이번에 개발한 기술은 값싸고 손쉽게 구할 수 있는 유기아민 화합물을 이용하여 초다공성 결정형 하이브리드 나노세공체를 선택적으로 표면 기능화하는 새로운 기술로서 이 기술이 적용된 나노세공체는 1g의 표면적이 축구장 넓이의 80%수준에 상응하는 크기와 구조유연성을 가져 이산화탄소의 흡착량이 세계 최고수준으로 나타났다. 또한 100oC 이하에서 다량의 표면탈수가 가능해 산업용/가정용 제습기, 건조기 등의 기존 상업용 수분흡착제 보다 에너지 효율이 1.8배 이상, 흡착량은 4배 이상의 효율을 보이는 것으로 확인됐다.
기존에 개발된 하이브리드 나노세공체의 경우 수분에 대한 안정성이 취약하고 값비싼 유기리간드 화합물을 사용하여 대량생산에 제약이 많았으나 이번에 개발된 나노세공체는 물속에서 수열합성법 또는 마이크로파 합성법에 의해 합성되어 수분안정성 문제가 해결되었고 대량생산이 가능한 폴리에스테르 고분자 모노머를 원료로 합성되어 경제성이 높다.
새로운 나노세공체는 세계최고 수준의 표면적(Langmuir 표면적 기준 5900 m2/g)과 나노세공부피(>2.15 mL/g)를 갖기 때문에 수분 및 기체 흡착제, 환경오염 방지용 흡착제, 메탄, 이산화탄소, 수소 등의 기체 저장소재, 촉매 및 기능성 나노소재로서 개발이 진행되고 있으며 나노세공체 표면기능화 기술을 이용하면 금속, 산화물, 고분자, 바이오분자 등 다른 소재와의 복합화가 가능해 새로운 유형의 나노복합체, 고선택적 분리막, 박막 등 다양한 용도로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번에 사용된 초고표면적 나노흡착제는 이산화탄소의 흡착량이 세계 최고수준으로 기존에 가장 높은 이산화탄소 흡착량을 나타낸다고 알려진 결정성 하이브리드 나노세공체 "MOF-177"보다 더 높은 이산화탄소 흡착능을 나타내고 있으며 이번에 개발한 표면 기능화 방법은 염기성의 아민 그룹을 표면에 다량 생성시킬 수 있기 때문에 새로운 유형의 염기성 촉매와 귀금속 담지 촉매로서 반응성과 선택성이 검증되었다.
* 기존의 결정성 하이브리드 나노세공체 MOF-177는 147 중량%(25oC, 42기압, 1 그램에서 흡착할 수 있는 중량%)의
이산화탄소 흡착량을 나타낸다고 알려졌으나 새로운 나노흡착제는 더 높은 176 중량%(31oC, 50기압, 1 그램에서
흡착할 수 있는 중량%)의 이산화탄소 흡착능을 나타낸다.(이 결과는 화학연 연구그룹에서 합성한 물질의 이산화탄소
흡착결과로 프랑스 그룹과 공동으로 참여한 논문이 Langmuir誌 최신호에 게재 예정)
지식경제부의 차세대신기술개발사업 중 “나노소재를 이용한 신화학 촉매기술 개발”사업(사업단장 장종산)을 수행중인 장종산/황영규 박사팀은 오는 6월 3단계 사업이 시작되면 초다공성 하이브리드 나노흡착제의 대량생산 공정기술을 개발하여 에너지 절약형 수분 흡착제, 이산화탄소, 메탄 등의 분리 및 저장 소재, 유해물질 제거용 흡착제, 촉매, 약물전달용 담체 등에 활용성을 테스트할 예정이다.