‘종잇장’처럼 얇은 단위 물질을 수직으로 세운 뒤, 이를 2차원 구조처럼 이어나간 구조체가 개발됐다. 기체를 빠르게 흡착할 수 있어, 수소나 메탄 같은 기체 연료를 저장하거나 위험한 가스를 제거하는 데 응용될 전망이다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 ‘수직으로 선 2차원 적층 구조(Vertical 2D layered structure)’를 구현해 우수한 기체 저장 능력과 위험물질 흡착 성능을 갖는 물질 개발했다. 원자 하나 두께로 얇은 층상 물질을 수직으로 세운 뒤 이를 쌓아올려, 층간 결합력은 줄이고 기체가 달라붙을 수 있는 표면적은 넓혔다.
그래핀(graphene)처럼 규칙적인 구조를 가지고 얇은 2차원 물질을 기체 저장이나 흡착에 활용하려는 시도가 많다. 기체가 이동할 수 있는 구멍(기공)이 있고, 3차원 물질보다 설계하기 쉽기 때문이다. 하지만 2차원 물질을 층층이 쌓게 되면 층간에 강한 결합력 때문에 층 사이가 매우 좁아진다. 이 경우 층 사이 표면은 기체 저장이나 흡착에 활용하기 어렵다.
그림1. 신개념의 2차원 구조(V2D-BBL structure) 합성 모식도와 적층 구조 비교
백종범 교수팀은 하나의 단위가 되는 고리 모양의 분자, 즉 단위체를 쌓을 때 이를 수직으로 세운 뒤 쌓는 방식을 이용해 문제를 해결했다. 고리 모양이 서로 마주 볼 경우(수평)에는 층간 결합력이 크지만, 수직으로 쌓으면 결합력이 느슨해지는 원리를 이용했다. 층 사이의 결합력이 약해지면 적층(layered) 구조를 만들었을 때 노출되는 표면적이 더 넓다.
게다가 구조가 매우 안정적이어서 600℃의 고온도 잘 견딘다. 제1저자인 노혁준 UNIST 에너지공학과 석・박사통합과정 연구원은 “구조물의 모든 부분을 고리 모양으로 만들어 기존 2차원 유기 다공성 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다”며 “각종 고온 공정에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다.
그림2. V2D-BBL structure의 아이오딘(I₂) 증기 흡착 능력 및 재활용성 평가
연구팀은 추가실험을 통해 새로운 물질이 기체 저장에 우수한 성능을 보이는 것을 확인했다. 이 물질은 방사능 물질인 아이오딘(I2, 요오드)기체도 빠르게 흡착해 제거했다. 아이오딘 기체는 흡착이 어려운 물질로 알려져 있다. 연구팀이 개발한 적층 물질이 아이오딘을 흡착하는 속도는 현재까지 개발된 유기 다공성 물질 중 가장 빨랐다.
백종범 교수는 “탄소 기반 2차원 물질인 그래핀의 발견 이후 2차원 물질을 활용하려는 시도는 꾸준히 늘고 있다”며 “새로운 개념을 도입해 2차원 구조가 본래 가진 한계점을 극복하고 세계 최초로 세로로 서 있는 2차원 구조를 구현해냈다”고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 4월 24일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC)의 지원으로 이뤄졌다.
