□ 한국화학연구원(원장 이규호)은 셰일가스나 공기 등에 포함된 질소를 선택적으로 배위 결합*
하는 하이브리드 나노세공 흡착물질을 최초로 발견하였다.
* 배위결합: 두 원자가 공유 결합을 할 때 결합에 관여하는 전자가 한 쪽 원자에서만 제공되어
형성된 결합 (일반적으로 전이금속 착화합물에서 관찰되는 결합)
○ 화학(연) CCP 융합연구단 장종산/윤지웅 박사 연구팀은 연세대 배윤상 교수팀, KAIST 연구팀,
프랑스 CNRS 연구팀 등과 공동으로 크롬 이온과 유기산 화합물의 골격으로 구성된 하이브리드
나노세공소재*가 질소를 효율적으로 흡착할 수 있다는 새로운 특징**을 발견하였다. 이러한 질소의
선택적 배위결합 특성은 공기나 셰일가스, 천연가스, 바이오가스의 정제 시 쓰이는 초저온 냉각
에너지를 절감하는데 이용할 수 있다.
* 하이브리드 나노세공소재: 금속이온과 유기물로 구성된 미세한 구멍을 갖는 물질로서 특히 그 세공
크기가 0.5-50 nm (nm: 나노미터, 1 nm는 10-9 m임)인 소재
** 결정성 하이브리드 나노세공소재에서 결합 빈자리를 갖는 크롬 이온이 질소를 선택적으로 배위
결합할 수 있는 선택적 흡착 특성을 의미함
□ 기존 셰일가스나 천연가스 중 질소 제거에 의한 메탄 정제나 공기 분리에 의한 산소 제조는 주로 상압
기준 ？161oC 이하의 초저온 증류법*을 사용하고 있어서 과도한 냉각 에너지 소모를 줄이기 위해 상온
에서 질소에 대한 흡착강도를 높일 수 있는 새로운 질소 흡착제의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
* 초저온 증류법: 초저온의 액체의 끓는점 차이에 의해 천연가스 중 메탄과 질소, 공기 중 질소와 산소의
분리에 사용하는 증류 방법(각 기체분자의 끓는점: 메탄 ？161.5oC, 산소 ？183oC, 질소 ？195.8oC).
○ 일반적으로 질소 기체는 흡착력이 약하기 때문에 산소나 메탄보다 더 강하게 흡착할 수 있는 물질을
개발하기란 매우 어렵다. 이번에 발견한 물질은 결합 빈자리, 이른바 불포화배위자리*를 갖는 크롬
이온이 비활성의 질소기체를 배위결합에 의해 강하게 흡착함으로써 질소 흡착량을 높이고, 메탄이나
산소보다 질소를 더 선택적으로 흡착할 수 있는 성질을 갖고 있다.
* 결합 빈자리(불포화배위자리):
배위결합을 형성하는 전이금속 착화합물에서 중심 전이금속 이온의 배위결합 자리가 포화되지 않고
일부 비어있는 자리
○ 이번에 발견한 흡착물질은 공기 분리에 사용되는 리튬계 제올라이트 흡착제에 비해 질소 흡착량이
약 29% 이상 향상되었으며, 천연가스나 셰일가스의 주성분인 메탄과 질소의 흡착 분리에도 질소를
선택해서 흡착할 수 있는 특징을 지니고 있다. 이러한 특성은 공기 및 천연가스 분리에서 초저온 증류
기술을 대체하기 위한 에너지 절약형 흡착제 개발에 효과적으로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 이번 연구에 참여한 화학(연) 장현주 박사를 비롯한 양자화학 계산 연구팀은 밀도함수이론*에 근거한
전산모사 방법을 사용했다. 연구팀은 크롬이온의 분자궤도와 질소의 분자궤도가 겹쳐지는 자리에서
전자를 서로 주고받는 이른바 역결합**이 강화되어 질소 흡착력이 증대될 수 있음을 증명하였다.
이러한 개념은 다양한 질소 함유 기체의 질소 제거용 흡착제와 질소 고정화를 위한 효소모방형 촉매***
개발에도 적용될 수 있다.
* 밀도함수이론: 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자 역학으로 계산하기 위한
이론의 하나임.
** 역결합: 배위결합 과정과 정반대로 전이금속 이온에서 리간드 분자로 전자를 제공하여 형성되는
역배위 결합 (배위결합과 역결합이 동시에 작용할 때 결합 강도가 강해짐)
*** 효소모방형 촉매: 체내에서 활동하는 효소를 모방한, 상온에서 일정한 기능을 내는 촉매 개념
□ 화학(연) 장종산 박사는 “미래형 질소 흡착소재 개발을 통해 메탄 정제의 초저온 냉각에너지 절감은
물론 순산소 제조 기술의 에너지 효율 향상에도 기여할 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
□ 이번 연구는 미래창조과학부/국가과학기술연구회에서 지원하는 ‘화학공정 융합연구단’(단장 박용기)
과제와 미래창조과학부에서 지원하는 글로벌프론티어사업의 ‘하이브리드 인터페이스 기반
미래소재연구단’(단장 김광호) 과제의 일환으로 한국화학연구원(원장 이규호) 장종산 박사
(성균관대학교 화학과 교수 겸직)가 주도하고 윤지웅 박사가 제1저자로, 배윤상 교수(연세대)가 공동
교신저자로 참여하여 재료과학분야의 세계적인 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF=38.891)
’紙 논문으로 온라인판에 최근 공개되었고 (2016년 12월 19일) 해당 연구결과는 한국과 미국특허로도
출원된 바 있다.
* 논문 제목: Selective nitrogen capture by porous hybrid materials containing accessible transition metal
ion sites (논문번호: doi:10.1038/nmat4825, 논문 공개일자: ‘16. 12. 19)