기계/재료

매미 날개 천분의 일 두께의 박막재료 제작 성공

발행일 : 2014 / 12 / 22

중국 과학자들은 최초로 두께가 매미 날개의 천분의 일 밖에 안되는 박막재료를 이용하여 크기 차이가 0.04nm인 수소와 이산화탄소 분자를 분리하는데 성공하였다. 관련 연구논문은 2014년 12월 12일 출판된 “Science”지에 게재되었다.

수소에너지 생산과 이산화탄소 포집에서의 핵심 포인트는 수소와 이산화탄소를 분리하는 것이다. 선택성 박막재료로 두가지 분자를 분리하는 것은 그동안 산업계가 해결하지 못했던 난제이다.

중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 양웨이선(楊維慎) 연구원과 리옌숴(李硯碩) 연구원이 이끄는 연구팀은 세계 최초로 두께가 매미 날개의 천분의 일 밖에 되지 않는 1나노미터 크기의 나노시트 구조 제올라이트 막을 제작하는데 성공하였다(일반 제올라이트 막의 두께는 매미 날개의 10배 이상). 이 제올라이트 막은 두께가 얇을 뿐만 아니라 정규적인 “선별 눈”을 갖고 있어 크기 차이가 0.04나노미터인 수소와 이산화탄소 분자를 정확히 선별할 수 있으며 이산화탄소를 효과적으로 차단할 수 있다. 또 삼투량과 분리 정확도는 기존에 보고된 모든 수소/이산화탄소 분리막에 비해 훨씬 높다.

독일의 유명한 제올라이트 막, 막촉매 과학자 캐롤(J. Caro) 교수는 새로운 제올라이트 막은 제올라이트 막 영역에 혁신을 일으켰다고 하였으며 일본의 유명한 미세 다공성 막(Microporous membrane) 과학자 쓰루(T. Tsuru) 교수는 차세대 제올라이트 막이 탄생하였다고 하였다.

연구팀은 ZIF-7(Zeolitic Imidazolate Framework)나노 입자를 수열처리하여 안정적인 2차원 층상 골격 모재를 얻었으며 초저전력 습식제분(Ultra low power wet milling)과 초음파 분산 기술을 결합하여 세계 최초로 단일 분자층 두께(1nm)의 금속 유기 골격 나노시트를 성공적으로 분리하였다. 또한 이를 기반으로 열 조립 방법으로 두께가 5nm 미만인 초박형 제올라이트 막을 제작하였다.

연구팀은 다양한 온도 변화 조건(최고 실온 200℃)과 수열조건에서 400시간 동안의 나노시트 제올라이트 막 안정성 테스트를 통하여 제올라이트 막의 성능이 변하지 않았다는 것을 입증하였다.