최근 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환하는 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 실온에서 매우 안정적인 이산화탄소를 다른 물질로 변화시키기 위해서는 많은 양의 에너지가 필요한데, 이때 에너지 장벽을 넘어 이산화탄소가 유용한 물질로 환원될 수 있도록 돕는 것이 바로 촉매의 역할이다.
금속 이온과 유기 분자를 연결한 골격구조를 지니는 MOF(Metal Organic Framework: 금속 이온과 유기 분자가 연결돼 형성된 골격 구조의 다공성 물질을 말한다.)는 1∼2 나노미터 (nm) 크기의 매우 작은 구멍(기공, 氣孔)을 포함하는 물질이다. ‘MOF 1g 속에 축구장 크기의 면적이 숨어있다’고 할 정도로 무게에 비해 표면적이 커, 이산화탄소 환원용 촉매의 지지체로 유리하다. MOF에 촉매 활성 물질을 도입하기 위해서는 수십 ∼ 수백 나노미터 크기의 중기공(2nm~ 5nm 크기의 기공) 구멍을 세공하여야 하는데, MOF의 세공 공정을 제어하기가 매우 어려워 그동안 일정한 순서나 배열 없이 무작위로 기공이 생성됐다. 그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀에서 MOF를 깎아 기공을 만드는 공정을 정밀하게 제어하는 데 성공했다는 연구가 발표됐다.
POSTECH 화학과 이인수 교수 · 손창윤 교수 · 수맨 두타(Soumen Dutta) 연구교수 연구팀은 MOF의 가공 공정을 제어하여 이산화탄소 환원 촉매로서의 효율과 안정성을 높였다. 이번 연구는 화학과 응용화학 분야에서 영향력이 높은 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 앞표지 논문으로 게재될 예정이며, 우수성을 인정받아 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정되었다.
조각가가 찰흙 덩어리를 조각하여 작품을 만드는 것처럼 물질의 표면을 화학적으로 깎아내는 공정을 ‘에칭(Etching)’이라고 한다. 이번 연구에서 연구팀은 MOF의 에칭 공정을 제어하기 위해 두 가지의 ‘이방성(물질의 특성이 방향에 따라 변화하는 특성을 말한다.) 에칭 메커니즘’을 활용했다. 연구팀은 메커니즘을 통해 2차원 MOF 나노결정 내에서 각각 다른 모양의 기공을 조각할 수 있도록 공정을 설계하여 ‘플러스 기호(+)’ 모양과 ‘프랙탈† 모양’의 기공을 만드는 데 성공했다. ‘이방성 에칭 메커니즘’으로 MOF의 기공의 모양과 분포를 정밀하게 제어하여 중기공 패턴을 생성한 것이다.
† 프랙탈(fractal): 부분의 모양이 전체의 모양을 닮는 자기 유사성을 가지면서 동일한 모양이 무한 반복되는 구조를 말한다.
또, 프랙탈 에칭을 통해 규칙적인 패턴의 기공을 길게 형성할 수 있을 뿐 아니라 높은 기계적 · 구조적 안정성을 확보할 수 있었다. 그 결과, MOF 내에 형성된 중기공 패턴을 따라 고정된 활성 촉매들은 광전기화학적 이산화탄소 환원반응(PEC-CO2RR)‡에서 매우 뛰어난 활성도와 안정성을 나타냈다.
‡ 광전기화학적 이산화탄소 환원반응(PEC-CO2RR, photoelectrochemical CO2 reduction reaction): 광에너지와 전기에너지를 동시에 에너지원으로 사용하여 이산화탄소를 전환시키는 광전기화학 반응을 말한다.
이번 연구를 이끈 이인수 교수는 “이방성 에칭 메커니즘을 통해 공정을 제어하여 MOF 평면 내 패턴 조각에 성공함으로써 추후 2차원 나노 재료의 다공성 패턴에 대해 영감을 줄 수 있을 것으로 기대한다.”고 말을 전했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 리더연구자지원사업과 신진연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.
