| 초록 |
1.분석자 서문 금속-유기 골격체 (Metal-Organic Frameworks, MOFs)는 금속이온과 유기리간드의 반복적인 배위결합에 의해 형성된 다공성 물질이다. MOFs는 화학적 성질과 표면 기능기 변경이 쉽기 때문에 기체 분리에 많은 가능성을 가지고 있다. MOFs를 이용한 대부분의 기체 분리 연구는 평형상태를 기반으로 하고, MOFs에 대한 기체의 열역학 친화력 차이에 의존한다. 반면, 운동분리나 분자체분리와 같은 비평형 분리는 기체 분자의 크기와 확산도의 차이에 기초하여 이루어진다. 본 총설 논문에서는 첫 번째로 세공 크기, 온도와 압력의 영향에 의한 MOFs 내의 기체 확산과 비평형 기체 분리에 관하여 논하고자 한다[1]. 두 번째로 결정 내의 기체 확산도를 측정하는 최신 기술들을 소개한다. 세 번째로, MOFs를 이용한 비평형상태의 질소/산소 분리, 이산화탄소 포집과 탄화수소의 분리에 관하여 논하도록 한다. 또한 MOFs 내의 운동 양자 간섭에 의한 수소 동위원소 분리에 관하여 설명하고자 한다. 마지막으로, MOFs를 이용한 비평형 기체 분리에 관한 몇 가지 일반적인 전략을 소개하고 이 흥미로운 연구 분야를 진행하기 위한 몇 가지 방향을 제안하고자 한다. 2. 목차 1. 서론 2. 작은 기공 MOFs 내의 기체 확산 2.1. 기공 크기, 온도와 압력 2.2. MOFs 내의 기체 확산계수 측정법 3. 비평형 분리의 응용 3.1. 질소와 산소의 분리 3.2. 질소 혹은 메탄으로부터 이산화탄소의 분리 3.3. 탄화수소의 분리 4. 운동 양자 체별 (Kinetic Quantum Sieving, KQS) 5. 분석자 결론 지금까지 기공성 재료의 기체 확산과 비평형 기체의 분리, 결정 내부로의 기체 확산에 따른 최신 측정 기법과 MOFs를 이용한 최신 비평형 기체 분리에 관하여 알아보았다. 복합 기체로부터 선택적으로 분리하기 위해서, 혹은 에너지장벽을 형성시키기 위해서는 MOFs의 기공 공정이 필요한 것으로 보인다. MOFs의 기공 크기를 조절하기 위하여 작은 면을 갖는 유기 리간드를 사용하거나 벌키한 리간드를 사용하여 기체의 투과를 저해, 혹은 합성 후 공유결합에 의한 기능기를 도입하는 연구들이 진행되어왔다. 기다란 리간드의 사용은 기공을 x, y축으로 관통하여 기공의 크기를 줄여줌으로써 비 평형 기체 분리에 유용하게 사용이 되고 있다. 합성 후 치환에 의한 N-사차 양이온 도입에 의한 이온성 MOFs의 합성 역시 효과적으로 기공의 크기를 조절할 수 있는 방법이다. 기공의 크기를 줄임으로써 에너지장벽을 만드는 방법 외에 흡착제와 흡착물 사이에 수소결합을 발생시켜서 흡착제의 기공 내부로 침투를 방해하는 방법도 개발이 되었다. 예를 들면, MAF-X8의 경우 톨루엔보다 2-클로로페놀을 선택적으로 흡착하는 것으로 알려졌는데, 이는 2-클로로페놀이 구조체 내부의 비배위 산소와 강한 수소결합을 일으킴으로써 채널 입구를 막아버리는 현상에 기인하기 때문이다. 최근에 CD-MOF-2를 열분해하여 CMS를 만든 사례도 보고가 되었는데, 이는 탄소수 4-5의 파라핀과 이소파라핀의 분리에 사용이 되었다. 이 연구를 통해 CMS를 이용한 기체의 분리에 관한 사용 가능성도 확인을 하게 되었다. 비평형 분리는 평형 분리에 비하여 분리 후 흡착제와 기체와의 분리 및 재활성에 에너지가 많이 소비가 되지 않는다는 장점이 있지만, 흡착제와 흡착물 간의 강한 상호작용이 떨어지기 때문에 흡착 용량이 적다는 단점도 있다. 예를 들면 KAUST-7은 기공이 프로필렌과 프로판의 중간 크기이므로 이를 이용한 분자체 분리가 가능하지만, 분리 용량은 기존의 제올라이트나 평형 분리에 의한 용량에 비하여 현저히 떨어진다. 부족한 분리 용량은 결국 작업 주기의 증가라는 결과를 초래하기 때문에 이를 운영하는 관리자의 정확한 판단이 필요해 보인다. 또한 향후 연구에서 흡착제 활성화에너지와 흡착 용량을 증가시키는 양날의 검과 같은 변수 사이에서 적절한 균형을 유지하는 것 또한 필요해 보인다. 본 분석은 MOFs를 이용한 운동 분리와 분자체 분리에 관한 희망적인 결과들을 요약하고 있다. 분석자의 의견으로는 MOFs를 이용한 기체 분리는 아직 걸음마 수준이며 이미 몇십 년간 발전이 되어온 제올라이트나 활성탄소에 비하여 연구 초기 수준으로 보인다. 향후 작업 용량, 선택도와 공정 기술의 발전도 진행이 될 것으로 보이고 이를 통하여 MOFs를 연구하는 집단에서는 비형평 기체 분리의 좀 더 확장된 연구와 실제 응용성에 대하여 세밀한 고찰이 이루어질 것으로 기대하며 본 분석을 마치고자 한다. References 1. Y. Wang and D. Zhao, Beyond Equilibrium: Metal minus;Organic Frameworks for Molecular Sieving and Kinetic Gas Separation, Cryst. Growth. Des., April, 2017. 2. D. S. Sholl and R. P. Lively, Seven chemical separations to change the world, Nature, May, 2016. 3. K. Sumida, D. L. Rogow, J. A. Mason, T. M. McDonald, E. D. Bloch, Z. R. Herm, T. H. Bae, J. R. Long, Carbon Dioxide Capture in Metal minus;Organic Frameworks, December, 2012. 4. M. Eddaoudi, D. B. Moler, H. Li, B. Chen, T. M. Reineke, M. O rsquo;Keeffe, O. M. Yaghi, Modular Chemistry: Secondary Building Units as a Basis for the Design of Highly Porous and Robust Metal-Organic Carboxylate Frameworks, Acc. Chem. Res., February, 2001. 5. B. Li, H. Wang, B. Chen, Microporous Metal-Organic Frameworks for Gas Separation, Chemistry an Asian Journal, March, 2014. ※ 이 자료의 분석은 포항공과대학교의 정관영님께서 수고해주셨습니다. |
