연구 개요

  본 실험실에서는 배위화학과 고체화학이 결합된 새로운 무기재료화학 분야를 개척하고 이러한 과정을 통하여 얻어지는 화합물의 구조 및 성질을 이해하여 이를 에너지 및 환경 분야에 적용하려는 노력을 하고 있다.

  구체적으로 본 연구실에서 합성하는 물질은 MOF (Metal-Organic Framework)라고 하는 결정성 다공성 화합물이다. 이 화합물은 주로 전이금속 이온과 유기 다리리간드가 교차적으로 연결되어 결정을 형성하며, 결정 내부에 1 - 2 nm 크기의 빈 공간을 가지고 있다. 이 공간을 이용하면 기체저장과 분리, 나노 반응용기로 사용할 수 있다. 또 금속이온이 있어서 자기적 성질, 광학적 성질, 그리고 촉매 성질도 이용할 수 있다.

연구 주제

 (1) 수소 저장 (Hydrogen Storage)

   연료전지(Fuel Cell)의 연료로 사용되는 수소(H₂)는 전기화학적으로 산화되면서 기전력을 발생시키고 부산물로는 물(H₂O)을 배출하기 때문에 친환경적인 에너지원이다. 하지만 시스템 기준으로 2007년 목표값인 4.5wt%의 수소를 상온, 100 bar 조건에서 저장할 수 있는 방법은 아직까지 개발되지 못하고 있다.

   MOF는 metal hydride, chemical hydride와 함께 수소를 효율적으로 저장할 수 있는 방법 중의 하나이다. 다른 방법과 비교할 때 가역적으로 수소를 저장/충진할 수 있는 장점이 있지만 실제 저장능력은 취약하다.

   본 연구실에서는 기존의 MOF가 갖는 수소 저장의 장점을 유지한 채 단점을 보완하는 방법을 연구의 주된 목표로 삼고 있다. 이를 위하여 최근에 4.7 nm 크기의 공동을 갖는 메조다공성 MOF를 개발하고 이를 이용하여 수소 저장의 효율을 증대시키는 실험을 진행 중이다.

 (2) 이산화탄소 저장 (Carbon Dioxide Storage)

   CO₂는 온실가스(greenhouse gas)들 중에서 가장 감축하여야 할 대상이다. 인류가 화석연료(fossil fuel)인 석유나 석탄을 태워서 에너지를 얻는 과정에서 어쩔 수 없이 배출되는 것이 바로 CO₂이기 때문에 이를 줄이는 일이 쉽지 않다.

   현재 대량으로 CO₂를 발생시키는 장치의 대표적인 것은 화력발전소와 자동차, 비행기 등 교통수단이다. 후자는 개별적으로 CO₂를 줄이는 장치를 개발하거나 아니면 (연료)전지를 구동원으로 사용하여 해결을 하여야 할 것이고, 화력발전소의 경우는 굴뚝을 통해서 나오는 대량의 CO₂를 포집하여 분리하여야 한다.

   MOF는 수소에 비하여 CO₂의 저장 능력이 훨씬 더 좋다는 면에서 원리적으로 이상에서 언급한 용도로 적용이 가능하다. 하지만 고온, 다량 (~ 1톤/ 일)의 CO₂를 효율적으로 저장 및 분리를 하기 위해서는 실제적으로 적용이 가능한 경제적인 MOF의 개발이 우선 필요하다.

 (3) 이산화탄소 흡수 (Carbon Dioxide Absorption)

   MOF를 이용한 CO₂ 저장 연구와 병행하여 아민류(MEA, AMP 등)를 이용한 CO₂ 흡수 연구도 계산화학적(computational chemistry)인 방법으로 수행하고 있다. 아민 화합물은 수용액 상에서 CO₂와 반응하여 carbamate를 형성하여 CO₂를 고정화시키는 능력이 있다. 즉, 일단 고정된 CO₂는 대기 중으로 배출되지 못하기 때문에 아민류 화합물은 이점에서 장점을 갖는다. 하지만 carbamate를 다시 열분해 하여 아민류를 재생시켜야 하는 데에 다시 에너지가 소모되면 분리된 CO₂는 다시 저장하여야 한다.

   우리는 계산화학적인 방법(HF, DFT)을 이용하여 더 적은 에너지를 필요로 하면서 carbamate 형성 반응을 가역적으로 일으킬 수 있는 새로운 아민 흡수제를 탐색하고자 하며 이를 위해서 흡수 반응의 메커니즘을 이해하고 반응 경로를 규명하고 있다. 더 나아가 QSPR 방법으로 새로운 아민 흡수제를 효과적으로 제안하는 연구를 진행 중이다.

 (4) MOF의 물성 (Physical and Chemical Properties)

   - MOF가 갖는 촉매 성질, 자기적 성질, 광학적 성질 등을 규명한다.

   - MOF를 이용하여 나노입자를 합성하고 이의 물성을 규명한다.

   - 분자모델링(MD, MC)을 이용하여 기능성 MOF를 디자인한다.

연구 방법

 (1) Nanoporous MOF 합성

   - 리간드 디자인 및 유기 합성

   - Solvothermal 반응

   - 분석: EA, IR, NMR, TGA, XRD,
              X-ray crystallography (w/t synchrotron light source)

 (2) Gas Adsorption Measurements

   - N₂, Ar, H₂, CO₂, CH₄, hydrocarbons

   - Surface area, pore volume, pore size distribution, adsorption enthalpy

   - BELSORP-mini apparatus

 (3) Computational Methods

   - HF, DFT, MD, MC

   - Structure-building using network analyses

   - CSD structural data analyses