기초과학

대련화학물리연구소 금속유기구조체 분리막 획기적 성과

발행일 : 2011 / 09 / 16

최근 중국과학원 대련화학물리연구소의 양워이선(杨维慎)연구원이 이끄는 무기막촉매신소재연구팀은 금속유기구조체(Metal Organic Frameworks, MOFs) 분리막 연구에서 획기적인 진전을 이룩했다. 최신성과는「Angewandte Chemie」(DOI: 10.1002/anie.201104383) 뒤표지 문장으로 발표되었는데, 이는 실제응용가치가 있는 MOFs분리막으로서 최초의 보도사례이다.

최근 MOFs재료는 흡착, 분리, 촉매 등 분야에서의 거대한 잠재응용가치로 인해 세계 각국 연구자들이 주목하는 인기분야가 되었다. 세계적으로 MOFs재료를 이용해 설계한 분자채 분리막(분자의 크기에 따라 소분자가 우선 통과)과 이를 응용한 기체분자의 크기에 따른 선택성 분리에 관한 연구가 활발히 추진되고 있다. 하지만 MOFs재료 자체에 존재하는 구조체의 유연성으로 인해 MOFs분자채 분리막의 대분자를 차단하는 효과가 떨어져 기체막분리분야의 응용이 제약받고 있다.

양워이선 연구팀은 MOFs재료(ZIF-8)의 구조체 유연성을 이용해 이소부탄올 분자가 ZIF-8나노입자에서 흡착하는 과정의 “gate-opening”효과를 실험으로 관찰하였고 이론모의를 거쳤다. 이러한 효과와 ZIF재료의 표면 초소수성 원리를 이용해 알코올류의 대분자는 우선 통과시키지만 크기가 더욱 작은 물분자는 차단하는 고성능 ZIF-8 나노복합막을 제작하였다. 이 분리막은 저농도 발효액중의 이소부탄올(제2세대 바이오연료)의 효율적인 농축이 가능한데, 분리계수는 34.9 – 40.1, 투과량은 6.4 – 8.6 kgh-1m-2에 달하여 문헌에 보도된 부탄올 농축막 성능의 상한치를 초과한 것으로 나타났다. 에너지소모량 분석결과, ZIF-8복합막의 삼투기화분리에 의한 에너지소모량은 증류에 의한 에너지소모량의 절반에 불과하여 산업응용전망이 밝다.

이 막분리기술은 바이오연료생산을 강력하게 추진할 가망성이 있는 유망연구성과이며, MOFs분리막의 대분자 선택성분리와 액체분리분야의 연구에 중요한 참조가치를 지닌다.