불용성 물질을 녹여 새로운 유리를 만든다.

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-30 20:25:22
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* 불용성 MOF를 녹여서 다공성이지만 자유롭게 가단성 있는 유리로 변형시키는 데 성공
* 프레임워크 파괴 않고, 기공 사라지지 않고, MOF 분말 녹이면 거의 모든 형태의 안정적인 구조 생성
* 금속-유기 골격 화합물로부터 하이브리드 유리 및 안정적인 고체를 생산할 수 있는 새로운 가능성

비가용성 물질을 녹게 만든다.
연구원들은 이전에 녹지 않는 유기금속 골격 화합물을 유리로 변환했다.


새로운 유리:
다공성 케이지 구조로 인해 금속-유기 골격 화합물(MOF;Metal Organic Framework))은 CO2 필터 및 센서를 포함해 광범위한 응용 분야에 사용된다. 그러나 일반적으로 분말로만 제공되기 때문에 원하는 형태로 가져오기가 어렵다. 이제 연구자들은 실제로 불용성 MOF를 녹여서 다공성이지만 자유롭게 가단성 있는 유리로 변형시키는 데 성공했다. 이것은 새로운 응용 가능성을 열어준다. 

▲ 현미경으로 실제로 비가용성 MOF(organometallic framework)(앞면)로 만든 유리. © Jens Meyer / 예나 대학교

MOF는 사막의 대기에서 물을 모으고, CO2 포집 및 수소 수송을 돕거나 촉매 역할을 한다. 금속 유기 프레임워크(MOF)는 특수한 구조로 인해 다용도로 사용된다. 유기화합물로 이루어진 골격이 무기 금속 원자와 연결돼 마치 새장 같은 다공성 구조가 형성되기 때문이다. 기공 크기, 분자 말단의 부분 전하 및 화학적 친화도에 따라 MOF는 다양한 다른 분자를 선택적으로 흡수하고 둘러쌀 수 있다.

분말에서 안정적인 고체로

문제는 알려진 7만 개 이상의 유기금속 골격 화합물의 대부분이 느슨한 다결정 분말 형태라는 것이다. 원하는 모양으로 만들려면 먼저 눌러야 한다. 그러나 모든 모양이나 구조가 이런 방식으로 생성될 수 있는 것은 아니다. 따라서 University of Jena의 바히드 모차리(Vahid Nozari)와 그의 동료들은 "따라서 우수한 가공성을 지닌 견고하고 가단성이 있으며 견고한 MOF 아키텍처를 제작하는 다른 방법이 필요하다"고 설명했다.

이러한 대안 중 하나는 글레이징이다.
프레임워크를 파괴하지 않고 기공이 사라지지 않고 MOF 분말을 녹이면 거의 모든 형태의 안정적인 구조를 생성할 수 있다. 그러나 예를 들어 CO2 포집에 특히 유망한 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크(ZIF)는 일반적으로 가용성이 아니다. 분자 다리는 분말이 용융 온도에 도달하기 전에 열에 의해 파괴된다.

"알려진 대부분의 MOF 재료에서 높은 다공성은 녹는점에 도달하고 가열될 때 액화되기 전에 열분해, 즉 연소되는 이유 중 하나다"고 Nozari는 설명했다.
▲ 그림 3: 용융 및 유리 형성의 증거를 보여주는 공초점 현미경 이미지. (출처:관련논문 럏 3, Ionic liquid facilitated melting of the metal-organic framework ZIF-8, nature communications)

안정제로서의 이온성 액체

연구자들이 이제 이에 대한 해결책을 찾았다. 수석 저자인 예나 대학의 Lothar Wondraczek은 "우리는 이온성 액체로 기공을 채웠는데, 이는 내부 표면을 안정화시켜 물질이 분해되기 전에 최종적으로 녹을 수 있도록 한다"고 설명했다. 실험에서는 ZIF-8 프레임워크 화합물의 발수성 기공에 잘 흡수되는 소수성 이미다졸 함유 이온성 액체를 사용했다.

과학자들이 이 "채워진" MOF를 실온에서 390도까지 가열했을 때 실제로 녹기 시작했다”고 Nozari와 그의 동료들은 이전에 가루 재료의 변화를 설명했다.
유리처럼 모공과 기능성을 유지

결정적 요인:
용융에도 불구하고 MOF의 기능에 중요한 기공은 유지되었다. 이온 액체에 의해 안정화됐다. 이 안정제를 아세톤으로 씻어낸 후에도 유기금속 골격의 모든 특성을 여전히 보여주는 단단한 유리가 남아 있다. "우리 샘플에는 여전히 부분적으로만 비정질화된 결정질 ZIF-8이 많이 포함돼 있다"고 연구자들은 보고했다.

▲ Vahid Nozari가 MOF 유리 샘플을 현미경 아래에

놓는 모습이다. © Jens Meyer / 예나 대학교


질소 및 CO2를 사용한 가스 흡수 테스트에서는 새로운 MOF 유리가 이전에 가용성으로 간주된 몇 가지 ZIF 화합물보다 훨씬 더 많은 CO2를 흡수할 수 있음을 보여주었다. 따라서 Nozari와 그의 팀은 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크(ZIF) 그룹에서 일반적으로 녹지 않는 프레임워크 화합물을 먼저 녹인 다음 기능이 보존된 다공성이지만 단단한 유리 재료로 전환하는 데 성공했다.

신소재와 응용의 기회

연구원들에 따르면, 이 방법은 금속-유기 골격 화합물로부터 하이브리드 유리 및 안정적인 고체를 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 이러한 방식으로 재료는 안정적인 디스크 또는 멤브레인으로 이전보다 더 잘 형성될 수 있다. 이것은 특히 가스 분리 및 CO2 포집에 매우 중요한 이점이 될 것이다.

Nozari와 그의 동료들은 "우리의 접근 방식은 하이브리드 유리 다양성을 확장하고 다른 비가용성 결정성 MOF를 녹이고 광범위한 물리 화학적 특성과 해당 응용 분야를 가진 하이브리드 유리를 제조할 수 있는 기회를 제공한다"고 말했다.
(Nature Communications, 2021; doi: 10.1038/s41467-021-25970-0)

출처 : Friedrich-Schiller-Universität Jena

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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