벤젠으로 다공성 나노캡슐 제조...나노소재 활용도↑

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 한국연구재단(이사장 노정혜)은 부산대 고분자공학과 김일 교수 연구팀이 벤젠, 나프탈렌과 같은 비교적 값싼 원료에서 캡슐, 튜브, 시트 등 다양한 형태의 다공성 나노구조를 동시에 얻어내는 연구성과를 올렸다고 16일 밝혔다.

연구결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 지난 1일 실렸다.

이번 연구는 균일한 다공성 유기 나노소재와 탄소 나노소재를 경제적으로 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제시했다는 평가다.

또한 에너지 소재·촉매·가스저장 및 분리·오염원 제거·센서 등으로 쓰이는 다공성 나노소재의 활용도가 더욱 넓어질 것으로 기대된다.

벤젠, 나프탈렌 유도체를 원료로 다양한 구조를 가진 다공성 유기 나노소재 및 탄소 나노소재 제조 : 간단한 벤젠, 나프탈렌 유도체(루이스 염기)를 루이스산 촉매로 이용하여 중합하면 루이스산/루이스 염기 상호작용에 의해 매우 안정된 균일한 다공성 나노재료가 얻어지며, 고온 소성을 통해 다공성 탄소 나노재료를 얻을 수 있음. 2019.10.16. [ 그림=한국연구재단]

제올라이트나 실리카겔 같은 다공성 나노재료는 균일하게 생성된 구멍과 넓은 표면적 때문에 수처리, 촉매, 가스분리 등 다양한 분야에 약방의 감초처럼 사용된다.

하지만 무기(無機) 소재로 제조가 까다로워 다양한 형상으로 만들기 어렵고 원하는 기능부여를 통해 용도를 확장하기가 어려웠다.

때문에 자가조립이나 중합 현상을 이용, 만들기 쉽고 작용기를 함유하고 있어 다양한 기능을 구현할 수 있는 유기소재로 다공성 나노소재를 만들려는 노력이 활발하다.

작용기(functional group)는 유기화합물의 반응 특성이나 성질을 결정하는 특정 원자단이나 구조를 말한다. 반응 전후 작용기의 변환이 일어나 화합물의 성질이 바뀔 수 있다. 무기화합물에는 이처럼 다양한 작용기가 존재하지 않는다. 하지만 복잡하게 설계된 포피린(porphyrin) 같은 비싼 유기 원료를 이용하는 데다 거푸집처럼 형틀을 이용해 찍어내는 방식으로 제조과정이 마찬가지로 까다로웠다. 대량생산에도 불리했다.

이에 연구진은 흔히 알려진 산-염기 반응을 이용했다. 루이스산을 촉매로 루이스염기 단량체(monomer)인 벤젠과 나프탈렌 유도체를 원하는 방향으로 중합(polymerization)하는 방법을 찾아냈다. 루이스산은 화학반응에서 전자쌍을 받는 화학종으로 삼염화 철, 삼염화 알루미늄 등이 속한다.

촉매와 단량체의 비율, 종류와 양을 조절함으로써 중합과정을 제어, 나노캡슐, 나노튜브, 나노시트를 동시에 제조할 수 있게 된 것이다.

실제 이렇게 만든 다공성 나노캡슐은 넓은 표면적(1000 m2/g)으로 인해 유지로부터 바이오디젤을 생산하고 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 효율적인 재료로 쓸 수 있었다.

다공성 카본소재의 경우 2차전지용 슈퍼커패시터에 사용할 경우 기존 산화그래핀 대비 두 배 이상 향상된 정전(靜電)용량(421 F g-1)을 보였고 10만 회의 충방전 시험에서도 성능이 저하되지 않았다.

특히 매우 안정된 구조로 섭씨 800도 이상으로 소성한 후에도 원래 모양을 유지하는 한편 재활용도 가능하다는 장점이 있다.

각종 촉매, 연료전지, 커패시터, 리튬이온전지, 트랜지스터, 항공우주 및 자동차용 복합재료는 물론 약물전달시스템, 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 실마리가 된다.

kimys@newspim.com