포스텍(POSTECH)은 이인수 화학과 교수와 손창윤 교수, 수맨두타 연구교수 연구팀이 MOF(Metal Organic Framework)를 깎아 기공을 만드는 공정을 정밀하게 제어하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.
금속 이온과 유기 분자 연결 골격구조를 지니는 MOF는 1∼2 나노미터(㎚) 크기의 매우 작은 구멍(기공)을 포함하는 물질이다. ‘MOF 1g 속에 축구장 크기의 면적이 숨어있다’고 할 만큼 무게에 비해 표면적이 커 이산화탄소 환원용 촉매 지지체로 유리하다. MOF에 촉매 활성물질을 도입하려면 수십∼수백㎚ 크기의 중기공 구멍을 세공해야 하는데, MOF의 세공 공정을 제어하기는 매우 어렵다.
연구팀은 MOF의 에칭 공정(물질의 표면을 화학적으로 깎아내는 공정)을 제어하기 위해 두 가지의 ‘이방성 에칭 메커니즘’을 활용했다. 2차원 MOF 나노결정 내에서 각각 다른 모양의 기공을 조각할 수 있도록 공정을 설계해 ‘플러스 기호(+)’ 모양과 ‘프랙탈 모양’의 기공을 만드는 데 성공했다. ‘이방성 에칭 메커니즘’으로 MOF의 기공 모양과 분포를 정밀하게 제어해 중기공 패턴을 생성한 것이다.
또 프랙탈 에칭을 통해 규칙적인 패턴의 기공을 길게 형성할 수 있을뿐 아니라 높은 기계적·구조적 안정성을 확보했다. 그 결과 MOF 내에 형성된 중기공 패턴을 따라 고정된 활성촉매들은 광전기화학적 이산화탄소 환원반응(PEC-CO2RR)에서 매우 뛰어난 활성도와 안정성을 나타냈다.
이인수 교수는 “이방성 에칭 메커니즘을 통해 공정을 제어해 MOF 평면 내 패턴 조각에 성공함으로써 추후 2차원 나노 재료의 다공성 패턴에 대해 영감을 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한국연구재단 리더연구자지원사업과 신진연구자지원사업의 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 화학과 응용화학 분야 영향력 높은 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 앞표지 논문으로 게재될 예정이다. 연구 우수성을 인정받아 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
