▲ 이번 연구를 주도한 (왼쪽부터)백종범 교수, 노혁준 연구원, 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) 연구교수

‘종잇장’처럼 얇은 단위 물질을 수직으로 세운 뒤, 이를 2차원 구조처럼 이어나간 구조체가 개발됐다. 기체를 빠르게 흡착할 수 있어, 수소나 메탄 같은 기체 연료를 저장하거나 위험한 가스를 제거하는 데 응용될 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 ‘수직으로 선 2차원 적층 구조(Vertical 2D layered structure)’를 구현해 우수한 기체 저장 능력과 위험물질 흡착 성능을 갖는 물질 개발했다고 27일 밝혔다. 원자 하나 두께로 얇은 층상 물질을 수직으로 세운 뒤 이를 쌓아올려, 층간 결합력은 줄이고 기체가 달라붙을 수 있는 표면적은 넓혔다.

그래핀(graphene)처럼 규칙적인 구조를 가지고 얇은 2차원 물질을 기체 저장이나 흡착에 활용하려는 시도가 많다. 기체가 이동할 수 있는 구멍(기공)이 있고, 3차원 물질보다 설계하기 쉽기 때문이다.

하지만 2차원 물질을 층층이 쌓게 되면 층간에 강한 결합력 때문에 층 사이가 매우 좁아진다. 이 경우 층 사이 표면은 기체 저장이나 흡착에 활용하기 어렵다.

백종범 교수팀은 하나의 단위가 되는 고리 모양의 분자, 즉 단위체를 쌓을 때 이를 수직으로 세운 뒤 쌓는 방식을 이용해 문제를 해결했다.

고리 모양이 서로 마주 볼 경우(수평)에는 층간 결합력이 크지만, 수직으로 쌓으면 결합력이 느슨해지는 원리를 이용했다.

층 사이의 결합력이 약해지면 적층(layered) 구조를 만들었을 때 노출되는 표면적이 더 넓다.

게다가 구조가 매우 안정적이어서 600℃의 고온도 잘 견딘다. 제1저자인 노혁준 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “구조물의 모든 부분을 고리 모양으로 만들어 기존 2차원 유기 다공성 구조체보다 화학적, 열적 안정성을 높였다”며 “각종 고온 공정에서도 사용 가능할 것”이라고 설명했다.

연구팀은 추가실험을 통해 새로운 물질이 기체 저장에 우수한 성능을 보이는 것을 확인했다. 이 물질은 방사능 물질인 아이오딘(I2, 요오드)기체도 빠르게 흡착해 제거했다. 아이오딘 기체는 흡착이 어려운 물질로 알려져 있다. 연구팀이 개발한 적층 물질이 아이오딘을 흡착하는 속도는 현재까지 개발된 유기 다공성 물질 중 가장 빨랐다.

백종범 교수는 “탄소 기반 2차원 물질인 그래핀의 발견 이후 2차원 물질을 활용하려는 시도는 꾸준히 늘고 있다”며 “새로운 개념을 도입해 2차원 구조가 본래 가진 한계점을 극복하고 세계 최초로 세로로 서 있는 2차원 구조를 구현해냈다”고 연구의 의의를 설명했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 4월24일자로 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터(SRC)의 지원으로 이뤄졌다.

▲ 신개념의 2차원 구조(V2D-BBL structure) 합성 모식도와 적층 구조 비교