화학공학과 안윤호 교수팀, 고분자 침투 활용한 기체 분리막 기공 조절 기술 개발

이산화탄소·질소 분리 선택도 40배 이상 향상…기존 분리막의 성능 한계 극복

세계적 화학 학술지 Angewandte Chemie International Edition ‘Hot Paper’ 선정

<(왼쪽부터) 안윤호·엄기원 교수, 서강대 이종석 교수, 석·박사통합과정 이준형 학생>

화학공학과 안윤호 교수 연구팀이 혼합 기질 분리막(Mixed Matrix Membrane, MMM) 제조 과정에서 고분자 사슬이 다공성 소재 내부로 부분 침투하는 현상을 이용해, 다공성 소재의 나노 기공 크기를 조절하는 새로운 기체 분리 기술을 개발했다.

안윤호 교수가 교신저자로, 이준형석·박사통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 엄기원 교수 연구팀, 서강대 이종석 교수 연구팀과 공동으로 수행됐다. 연구 성과는 화학, 화공 분야 국제저명학술지 『앙게반테 케미 인터네셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)』(IF=17.6)에 Hot Paper로 선정돼 10월 27일자 온라인판으로 게재됐다. Hot Paper는 학술지 편집진이 중요성과 주목도가 높다고 평가한 연구 논문에 부여하는 선정 표시다.

이번 연구는 CO2/N2 분리에 적합하지 않은 것으로 알려진 Zeolitic Imidazolate Framework-8(ZIF-8)의 기공 특성을 고분자로 변화시켜 CO2/N2 분자체 분리를 구현했다는 점에서 주목된다. ZIF-8은 금속유기골격체(Metal Organic Frameworks)의 일종으로, 1g당 1000m2 이상의 높은 비표면적과 우수한 열·화학적 안정성을 가진 기체 분리용 다공성 소재로 연구됐다. 다만 ZIF-8은 골격 유연성 때문에 실제 기체 환경에서 유효 기공 크기가 증가해, 1nm 이하 크기 차이를 보이는 CO2와 N2를 정밀하게 분리하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ZIF-8의 일부 리간드를 부피가 큰 이종 리간드로 치환해 기공 구조를 사전 조절하고, 유연한 사슬 구조의 poly(ethylene glycol) diacrylate(PEGDA)를 혼합하는 전략을 제시했다. MMM 제조 과정에서 일부 고분자 사슬이 ZIF 구조체 내부 기공으로 부분 침투하는 동시에, 주변 고분자 환경이 ZIF 구조체의 골격 유연성을 제한해 실제 기체가 통과하는 유효 기공 크기가 감소한다는 사실도 규명했다.

<고분자 침투 기반 다공성 소재 기공 크기 조절 기술 모식도>

이러한 기공 조절 효과로 ZIF-8의 CO2/N2 선택도는 고분자와 혼합되기 전 0.58에서 PEGDA 매트릭스 내부에서는 26.6으로 40배 이상 향상됐다. 연구팀은 이 고분자 기반 기공 조절 효과가 ZIF-8뿐 아니라 금속 중심과 결정 구조가 다른 ZIF-7, ZIF-67에도 적용될 수 있음을 확인했다.

<기체 분리막의 CO2/N2 분리 성능 및 고분자 유무에 따른 ZIF-8의 CO2/N2 확산 선택도 변화>

안윤호 교수는 “이번 연구는 별도의 복잡한 후처리 공정 없이 고분자와 다공성 소재를 혼합하는 분리막 제조 공정만으로 유연한 MOF의 기공 크기를 조절할 수 있음을 보여준 것”이라며 “향후 다양한 ZIF 기반 혼합 기질 분리막의 기체 분리 성능을 높이는 새로운 설계 전략으로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구(우수신진연구) 사업, 선도연구센터(ERC) 사업, 본교 박사과정 연구인재장학금 사업의 지원을 받아 수행됐다.

논문 명 : Coupling Ligand Tuning With Polymer-Induced Aperture Regulation for Molecular Sieving in Flexible MOFs. DOI: 10.1002/anie.5441857

논문 원문 보기 ▶ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.5441857

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