오문현 교수 연구팀, 특이 형태 혼성 금속-유기 구조체 형성 메커니즘 규명

혼성 MOF 입자의 형태와 성분, 조절 방법 개발

오문현 교수(화학과)와 이수정, 오소진 학생이 혼성 금속-유기 구조체(metal-organic framework, MOF) 입자 형성과 관련된 메커니즘을 규명했다. 연구팀은 MOF 입자 성장 제어를 바탕으로 독특한 혼성 MOF 입자를 생성했으며, 이 연구의 우수성을 인정받아 연구 화학분야 국제 최상위 학술지인 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션 (Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59, 1327)’에 게재했다.

MOF 물질은 다양한 종류의 금속이온과 유기분자가 배위결합하여 형성되는 무한의 구조를 가지는 1, 2, 또는 3차원의 물질이다. MOF는 합성 시 사용하고자 하는 목적에 따라 구성되어질 금속이온과 유기분자를 자유롭게 선택할 수 있으며 생성되는 MOF의 구조가 다양하게 나타난다는 특징이 있다. 이때 MOF 생성에 참여한 구성 성분 및 MOF의 구조적 특성이 MOF의 성질을 결정짓게 된다. 결국 구조, 성분 또는 모양을 조절하여 MOF를 형성하는 것이 원하는 특성을 가지는 MOF를 합성하기 위한 중요한 전략이라고 할 수 있다.

또한 두 종류 이상의 구조 혹은 혼합 성분을 가지는 혼성 MOF를 합성하는 것은 단일 구조 혹은 단일 성분계 MOF가 가지는 단점을 극복하고 고기능성 MOF를 얻을 수 있는 매우 현명한 방법이다. 이런 관점에서 MOF 입자를 주형으로 사용하여 주형 위에서 다른 구조 혹은 다른 성분을 가지는 MOF를 성장시키는 방법으로 구조 혹은 성분이 혼합된 형태 즉, 코어-쉘 형태의 혼성 MOF를 합성할 수 있으며 이러한 혼성 MOF는 고기능과 함께 복합 기능을 가질 수 있다.

[그림] 3가지 다른 과정(MOF 성장, MOF 에칭, MOF 변형)의 선택적 제어를 통한 독특한 형태/성분의 혼성 MOF 입자 생성

본 연구에서는 MOF 주형에서 다른 MOF가 2차적으로 성장하는 동안 발생하는 3가지 과정(MOF 성장, MOF 에칭, MOF 변형)의 선택적 제어를 바탕으로 독특한 형태/성분을 가지는 혼성 MOF 입자를 생성하는 연구를 진행했다. 혼성 MOF 생성 반응 중 위 3가지 과정들이 어떻게 조합되느냐에 따라 생성되어지는 결과물(MOF 입자)의 형태와 성분이 달라짐을 밝혀냈으며, 반응에 참여하는 반응물의 변화를 통해 3가지 과정의 진행 속도를 제어할 수 있음을 규명했다.

특히, 코어-쉘 형태의 혼성 MOF 입자를 제조하기 위해 잎사귀모양 판 형태의 2D ZIF-L(Zn)을 합성하여 주형으로 사용하였으며, ZIF-L 주형 위에서 3D ZIF-67 성장을 유도했다. 반응 중 동시다발적으로 발생하는 ZIF-67 성장, ZIF-L 에칭, ZIF-L-to-ZIF-8 변형의 상대적인 속도를 체계적으로 제어함에 따라 최종적으로 생성되어지는 결과물을 판 형태 혹은 링 형태의 혼성 MOF로 만들 수 있었으며, 혼성 MOF를 구성하는 성분의 종류와 비율 또한 조절할 수 있었다. 본 연구 결과는 혼성 MOF 입자를 보다 체계적이고 계획적으로 합성할 수 있음을 보여주었으며, 이를 바탕으로 매우 복잡한 형태/성분의 혼성 MOF를 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

뿐만 아니라 합성된 다양한 종류의 혼성 MOF 입자를 질소 조건하에 열처리하여 탄소소재로 전환하고 얻어진 탄소소재를 산소환원반응 촉매로 사용할 수 있음을 보여주었다. 혼성 MOF(ZIF-8@ZIF-67 ring, ZIF-8@ZIF-67 plate)를 열처리하여 생성되어지는 탄소소재가 코어(ZIF-8) 혹은 쉘(ZIF-67)로 사용된 각각의 MOF를 열처리하여 얻은 탄소소재보다 뛰어난 촉매 성능을 보임에 따라 혼성 MOF 입자의 중요성을 입증했다. 형성된 탄소소재는 상용화된 Pt/C 촉매와 비견되는 활성을 보였으며 안정성 면에서는 오히려 향상된 성능을 가짐이 확인됐다.

이번 연구를 통해 MOF 성장, MOF 에칭, MOF 변형 3가지 과정의 조합과 각 과정의 속도 제어를 통해 최종적으로 생성되는 혼성 MOF 입자의 형태와 성분을 조절할 수 있는 방법을 개발했으며 추후 이 결과를 바탕으로 보다 목적 지향적인 혼성 MOF 물질 합성이 가능해졌다는 중요한 의미를 가진다.