세로로 선 2차원 물질로 더 좋은 기체 흡착제 만든다

과학 / 이종호 기자 / 2020-04-27 17:57:40
UNIST 백종범 교수팀, 표면적 넓힌 2차원 물질 개발
수소, 메탄 등 가스연료 저장, 위험가스 제거 응용
▲신개념의 2차원 구조(V2D-BBL structure) 합성 모식도와 적층 구조 비교. UNIST 제공.

 

[울산저널]이종호 기자= 원자 하나 두께 정도로 얇은 물질을 수직으로 세운 뒤 쌓아올려 기체가 달라붙을 수 있는 표면적을 넓힌 물질이 개발됐다. UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀이 개발한 이 구조체는 수소나 메탄 같은 기체연료를 저장하거나 위험한 가스를 제거하는 데 응용될 전망이다.

 

그래핀(graphene)처럼 규칙적인 구조를 갖고 얇은 2차원 물질을 기체 저장이나 흡착에 활용하려는 시도는 많았다. 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 좁아져 층 사이 표면은 기체 저장이나 흡착에 활용하기가 어려웠다.

 

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 느슨해져 적층구조를 만들었을 때 노출되는 표면적이 넓어지는 원리다.

 

구조도 매우 안정돼 섭씨 600도의 고온도 잘 견딘다. 제1저자인 노혁준 UNIST 석박사통합과정 연구원은 "구조물의 모든 부분을 고리 모양으로 만들어 기존 2차원 유기 다공성 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다"며 "각종 고온 공정에서도 사용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

 

연구팀은 이 구조체가 방사능 물질로 흡착이 어려운 물질로 알려진 아이오딘(요오드) 기체도 빠르게 흡착해 제거하는 것을 확인했다. 연구팀이 개발한 적층 물질이 아이오딘을 흡착하는 속도는 지금까지 개발된 유기 다공성 물질 가운데 가장 빨랐다.

 

백종범 교수는 "탄소 기반 2차원 물질인 그래핀을 발견한 이후 2차원 물질을 활용하려는 시도는 꾸준히 늘고 있다"며 "새로운 개념을 도입해 2차원 구조가 가진 한계점을 극복하고 세계 최초로 세로로 서 있는 2차원 구조를 구현해냈다"고 설명했다.

 

이번 연구는 국제학술지 <네이처 커뮤니케이션즈> 4월 24일자에 실렸다.

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