Chemical & Engineering News

KIC News, Volume 24, No. 6, 2021

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일본 이화학연구소(Riken): 카테난(catenanes) 기반 초고탄력성 금속-유기 프레임워크 (metal-organic framework) 개발

금속-유기 프레임워크 (metal-organic framework, MOF)는 작은 분자를 수용할 수 있는 구멍으로 가 득 차 있으며 가스 저장 및 분리, 약물 전달 등에 사용되며, 대표적으로 온실 가스를 저장하거나 화학 물질 제조에 사용가능한 CO₂ 포집에 사용할 수 있다. 그러나 MOF에서 CO₂ 등의 가스를 포집할 수는 있느나 방출을 위해서는 주로 열을 통해 진행되어, 추가적인 에너지 소모의 문제가 발생하였다. 따라서 뛰어난 흡 수뿐만 아니라 쉬운 방출을 달성하기 위해서는 새로운 형태의 MOF 제작이 필요하다.

최근 일본 이화학 연구소의 창발물성과학 센터(Riken Center for Emergent Matter Science, CEMS)의 Hiroshi Sato 박사 연구팀은 얇은 직사각형의 짙은 녹색 결정의 초고탄성 MOF를 제작했다. 제작된 MOF는 벤 질아미드(benzylamide)와 카르복실산 (carboxylic acid) 그룹을 포함한 두 개의 동일한 고리형 분자로 이뤄진 카테난(catenanes) 빌딩 블록으로부터 제작된 것으로, 카테난의 카르복실산 그룹은 코발트 이온에 배위되며, 벤 질아미드 그룹 사이에 수소 결합을 형

성, MOF에 강성을 부여한다. 또한, 제작된 탄성 MOF 결정은 금속 기반 노드로 연결된 유기 분자의 스캐폴드 로 만들어진 다공성 물질 제품군으로 서, MOF 내부의 유기 지지대(strut)를 기반으로 카테난 분자 고리쌍이 만들 어지고, 이 연결루프는 결정의 압축 시 미끄러져 뭉툭하게 될 수 있다.

한편, 제작된 MOF 결정을 디메틸

포름아미드(Dimethylformaide, DMF)에 담그면 수소 결합이 파괴되고 분자 고리가 더 자유롭게 움직일 수 있 으므로, 결정이 쉽게 압축되어 폴리프로필렌에 필적하는 낮은 강성이 제공된다. 또한, 제작된 MOF 내 카테난 은 압력이 제거되면 쉽게 제자리로 되돌아오는 탄성을 나타내며, 이는 기존 유연 MOF와 차별화를 나타내는 점이다. 실제 연구팀은 다이아몬드 팁을 제작된 MOF 표면으로 밀어 넣어도 일반적 결정질 재료와 달리 움푹 들어간 부분이 남지 않아, 높은 탄성력을 갖는다는 것을 증명했다.

이러한 카테난 기반 MOF를 실질적으로 적용하기 위해서는 기계적 응력 통해 짜내는 것만으로도 기공에 갇힌 기체 (CO2 등)를 쉽게 방출할 수 있어야 하며, 본 방법은 열적 방법보다 에너지가 덜 필요해야 한다.

그러나 개발된 카테난 기반 MOF는 기체 (CO₂) 흡수능력이 아직 미미하기 때문에 이에 대한 개선과 가역 적 흡탈착 공정 개발이 필요하다

연구성과는 SpringerNature 출판그룹의 Nature 온라인판에 게재되었다(Nature 2021, DOI: 10.1038/

s41586-021-03880-x).

출처: 2021. 10. 13.

Chemical & Engineering News

작성: 손 희 상 (광운대학교)

Figure. 카테난(catenanes) 연동 분자 고리가 포함된 고탄성 금속-유기 프 레임워크(metal-organic framework) 결정 (a) 화학 구조, (b) MOF 스킴.

(Credit:

Nature