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  • 기사등록 2019-11-24 11:59:45
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[기계신문] 숙명여자대학교 화공생명공학부 최경민‧김우열 교수 연구팀이 새장(birdcage)처럼 케이지 형태로 촉매를 감싸 분자촉매의 효율을 떨어뜨리지 않으면서 안정성을 높일 수 있는 실마리를 찾아냈다.


분자촉매는 촉매반응 후 서로 결합되어 촉매 특성이 저하됨에 따라 장시간 동안 사용하지 못하는 문제가 존재해 왔으며, 이를 궁극적으로 해결할 수 있는 대안이 없었다.


기존에는 다른 입자에 결합시켜 안정화시켜 왔지만, 이 경우 촉매 활성이 현격하게 낮아져 이를 극복하려는 연구가 진행되어 왔었다. 또 기존 방법은 다수의 분자촉매를 하나의 물질에 결합하는 방식이어서 분자 각각을 최적화된 환경에서 사용할 수 없는 단점이 있었다.


이에 연구팀은 각 분자를 개별적으로 보호할 수 있는 분자보호장비 개발을 통해, 빛을 받아 이산화탄소를 변환시키는 광촉매 분자의 활성과 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공하였다.


연구팀은 각 분자를 개별적으로 보호할 수 있는 분자 보호장비로서 금속유기-단위입자(metal-organic polyhedra)를 이용하여, 빛을 받아 이산화탄소를 변환하는 기능을 가진 광촉매 분자의 안정화를 장시간 유지하는 동시에 높은 광촉매 활성을 구현시켰다.


금속유기-단위입자는 선택된 방향으로만 결합이 가능한 금속산화물과 유기링커의 결합으로 이뤄져 있으며 금속산화물과 유기링커가 결합된 형태의 독립된 케이지 형태를 가지며 1~2nm 정도의 나노입자로 존재한다.



▲ 분자촉매-금속유기 단위입자(ReTC-MOP)는 금속유기 구조체의 단점을 극복하고 분자촉매의 높은 효율을 유지하면서 안정성을 높일 수 있는 새로운 대안으로 개별 단위입자로 선택된 방향으로만 결합할 수 있는 금속산화물 클러스터로 구성되어 있다.



이에 금속유기-단위입자를 분자촉매와 결합시킴으로써 분자촉매의 안정성을 향상시킬 수 있었으며, 또한 금속유기-단위입자 입자의 크기가 1.5 nm 정도로 각각의 입자들이 용액 중에 따로 존재하여 쉽게 용매화됨으로써 분자촉매 본래의 활성을 유지하면서 안정성을 동시에 크게 향상시킬 수 있었다.


따라서 기존의 분자촉매에 비해 금속유기-단위입자를 사용했을 때 24시간 동안의 광촉매 반응의 성능이 42배 이상 증가하였으며, 단위시간당 활성도 역시, 일정하게 유지되고 있었다. 이는 금속유기-단위입자가 분자촉매를 담지함으로써 고효율, 고안정성의 광촉매 반응을 유도하고 있음을 확인하였다.


최경민 교수는 “이번 연구에서 개발한 금속유기-단위입자는 다양한 분자촉매를 함유할 수 있는 플랫폼으로서, 광촉매 반응, 오염물 분해반응, 유기합성반응, 전기화학반응 등의 다양한 분야에 적용되어 촉매의 활성과 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.


또한 다양한 연료 및 화학제품으로 변환할 수 있는 촉매 반응에서의 효율성과 선택성 및 안정성을 극대화할 수 있을 것으로 기대되며, 촉매반응을 이용한 여러 가지 산업군(정밀화학, 제약, 환경정화, 수질정화, 물분해 등)에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.


이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(신진중견연계)의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 10월 29일자로 게재, 프린트판의 표지논문으로 추천되었다.


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오상미 기자 osm@mtnews.net

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