[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)는 금속 이온과 유기 리간드의 배위 결합 때문에 형성된 다공성 물질이다. 이 구조 내에서의 기공을 활용하면 손님 분자(guest molecule)를 도입할 수 있다. 이런 손님 분자를 활용하여 기체 분리, 촉매, 이온전도성 물질 등 다양한 응용 분야에서 횡설수설한 연구가 진행 중이다. 일반적으로 MOF의 기공 내에 손님 분자를 도입하는 데에는 포화용액에 MOF를 담그는 방식이 주로 채택됐다. 그러나 이런 방법을 사용하면 기공 내에 손님 분자뿐만 아니라 용매 분자도 함께 존재하게 되므로, 기공 내부의 용매 양을 줄이고 손님 분자의 수를 증가시키는 새로운 방법이 필요하다.

또한, 수소연료전지용 고체전해질 물질로 사용되는 MOF는 초수소이온 전도성을 얻기 위해 강산성 물질을 손님 분자로 도입해야 했다. 그러나 강산성 손님 분자를 MOF에 도입하려면 산성에 대해 안정한 구조를 가진 물질만이 사용 가능했다. 이로 인해 다양한 MOF를 고체전해질 물질로 사용하려면, 강산성이 아닌 물질을 도입할 수 있는 새로운 손님 분자가 필요하게 됐다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 적당한 산성도를 가진 양쪽성 이온인 설파믹산(sulfamic acid)을 MOF의 기공에 도입했다. 설파믹산은 양성자 주개(proton donor)인 아미노 작용기와 양성자 받개(proton acceptor)인 설파믹 작용기를 모두 포함하고 있어, 이온과 중성자 형태로 쉽게 변형될 수 있다. 이외에도, 기공 내부에 설파믹산 분자의 수를 늘리기 위한 새로운 방법론을 제안했다.

기존의 방법론은 손님 분자를 도입할 때 포화용액에 MOF를 담그는 방식이었으나, 이에 반해 본 연구에서는 기공 내부에 더 많은 손님 분자를 도입하기 위한 새로운 방법론을 제안했다. 이는 지속적인 기울기 방법론(sustained gradient methodology)으로, 강도가 크지 않지만 넓은 범위의 수소 결합을 형성할 수 있는 설파믹산을 두 종류의 MOF(MOF-808 및 MIL-101) 기공 내에 도입하는 방법이다. 이 연구를 통해 개발된 설파믹산이 도입된 MOF들은 뛰어난 수소이온 전도성을 보였으며, 높은 온도와 다습한 환경에서도 구조가 안정적으로 유지되며 일주일 동안 수소이온 전도성이 유지되는 것을 확인했다.

3. 기대효과

이번 연구는 결정성 다공성 물질인 MOF에 적당한 산도를 가진 양쪽성 이온성 손님 분자를 도입하는 새로운 방법론을 제시했다. 이를 통해 강산성이 아닌 손님 분자를 통해 초수소이온 전도성을 가진 물질을 제조하는 첫 연구로서 의미가 있다. 기존에는 강산에 대한 안정성이 요구되는 MOF만 사용해야 하는 제약이 있었지만, 본 연구를 통해 다양한 MOF를 사용할 수 있음을 보여줬다. 또한, 새로운 손님 분자 도입 방법론을 통해 MOF 기공 내에 손님 분자의 개수를 증가시킴으로써 다양한 응용 분야에서의 활용성이 확대될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 수소연료전지 (Hydrogen Fuel Cell)

수소연료전지는 수소를 연료로 사용하여 공기 중의 산소와의 반응을 통해 전기와 열을 생성하는 장치이다. 이는 일반적인 화학전지와 달리 연료와 공기가 계속 공급된다면 끊임없이 전기를 생산할 수 있는 기능을 가지고 있다. 화석연료를 사용하는 터빈 발전 방식과 비교하면 수소연료전지는 에너지 효율성이 훨씬 높고, 온실가스의 발생을 최소화하는 친환경적인 에너지원이다. 이는 교통수단, 발전소, 가정용 기기, 휴대용 기기 등 다양한 분야에서 적용될 수 있는 신형 에너지로서의 가능성을 보유하고 있다. 수소연료전지는 사용되는 전해질의 유형에 따라 PEMFC(고분자전해질형 또는 양성자교환막형), PAFC(인산형), MCFC(용융탄산염형), SOFC(고체산화물형) 등으로 분류된다.

2. 고체전해질 (Solid Electrolyte)

전해질이란 용매에 녹았을 때 이온으로 해체되어 전기 전도성을 보이는 물질을 말한다. 그 중에서도 고체 상태에서도 높은 이온 전도성을 보이는 물질을 특별히 고체전해질이라고 부른다.

3. 양쪽성 이온 (Zwitterion)

양쪽성 이온은 분자가 양성과 음성 전하를 동시에 지니면서 전체적으로 중성 상태를 유지하는 물질이다. 아미노산이나 살리실산 같은 물질이 이러한 성질을 가진 대표적인 예이다.

[붙임] 그림설명

그림1. (a) 설파믹산의 특성과 초수소이온 전도성에 대한 설명. (b) MOF 기공에 설파믹산을 도입하는 새로운 방법론 (Gradient Methodology) 제시.

이번 연구에서는 손님 분자로 양쪽성 이온성 물질인 설파믹산을 사용함. 설파믹산은 양쪽성 이온 형태(H3+NSO3-)와 중성자 형태(H2NSO3H)로 쉽게 형태를 변화시킬 수 있으며, 분자 내에 3개의 양성자 주개(proton donor)인 아미노 작용기(−NH3+)와 3개의 양성자 받개(proton acceptor)인 설파믹 작용기(−SO3-)를 포함하고 있음.

(a) 설파믹산의 이러한 특성은 수소이온 전도성 물질로서 어떻게 작용하는지에 대한 원리를 설명한 그림.

(b) MOF에 설파믹산을 손님 분자로 도입하기 위한 새로운 방법론을 나타내는 그림. 이 방법론은 MOF의 기공에 설파믹산의 개수를 증가시키는 것으로, MOF가 담체화되는 동안 용매의 양을 점진적으로 감소시키는 방식을 사용함. 이로써 MOF 기공 내의 설파믹산의 양이 최대화되어, 높은 수소이온 전도도를 나타내는 연료전지 양성자교환막으로 사용됨.