'겉과 속 다른' 소재도 원하는대로 합성

UNIST 연구진, MOF 소재 합성 기술 개발...차세대 센서, 촉매 등에 활용

UNIST(총장 이용훈)는 나명수·민승규 화학과 교수 공동연구팀이 입자 안에 여러 금속유기물 골격체(MOF) 소재를 원하는 형태로 섞는 합성 기술을 개발, 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 발표했다고 2일 밝혔다. 

다공성 기체인 MOF는 기공 안에 기체를 가두거나 특정 기체만 잡아낼 수 있어 기체 저장장치나 센서, 촉매 재료로 주목받는 차세대 소재다. 기본 단위구조 여러 개가 이어진 형태로, 이 단위구조를 이루는 금속과 유기물의 조합이 바뀌면 단위구조의 모양이 바뀌거나 화학적 성질이 달라져 새로운 종류의 MOF가 된다.

연구팀은 온도를 변화시켜 기본 단위구조의 공간 분포를 조절하는 기술을 개발했다. 온도가 높으면 한 조합의 단위구조는 입자 바깥에서, 다른 조합의 단위구조 합성은 입자 안쪽에서만 일어나면서 입자의 겉과 속이 다른 물질로 이뤄진 코어 셸 구조가 된다. 온도를 낮추면 두 단위구조가 골고루 섞인 형태가 된다. 코어 셸 구조 여러 개로 구성된 멀티 코어 셸 구조도 가능하다.

기본 단위구조의 공간 분포를 조절하는 조건으로는 교환체 교환 속도와 확산 속도 간의 온도 민감도 차이가 중요하다는 사실도 밝혔다. 

모델 MOF 물질인 HAP의 구조(좌측). 물질을 구성하는 AP리간드와 여기에 새로 혼합하려는 BE리간드의 온도에 따른 공간 분포 조절 방법을 보여주는 모식도 (우측)

교환체는 MOF 단위구조의 기존 금속과 유기물을 대체하는 물질이다. 이미 합성된 MOF 입자의 유기물이나 금속을 교환체로 바꿔 새로운 MOF를 합성하는 방식을 ‘합성 후 교환방식’이라 한다. MOF 단위구조의 모양은 유지하면서 구성 조합만 바꿀 수 있어, 모든 원료를 한꺼번에 넣어 MOF를 합성하는 방식보다 원하는 MOF 합성이 쉽다.

MOF 입자 내 소재 분포를 조절하는 합성법은 여럿 개발됐었지만, 소재 분포를 변화시키는 주요 요소가 무엇인지는 제대로 알려지지 않았다.

나명수 교수는 "단위 구조체의 공간 분포를 잘 조절하면 원하는 목적에 맞는 MOF 소재를 만들 수 있다"라며 "다양한 MOF 기반 센서, 촉매, 기체 저장 장치 개발에 쓸 수 있을 것"이라고 기대했다.