나노기술 및 정책 정보

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● 미국 Massachusetts Institute of Technology의 Yuriy Román-Leshkov 교수 연구팀이 지구상에서 풍부하고 저렴한 원소들을 활용하여 산소 생성 촉매로 사용될 수 있는 금속 수산화 유기 골격체(Metal Hydroxide Organic Framework, MHOF)를 개발

● 물 분자를 쪼개어 산소를 생산하는 전기화학 반응은 친환경 연료 생산에 핵심적인 접근법이지만, 해당 반응은 이리듐과 같은 희귀하고 비싼 원소를 사용하기 때문에 연료 생산의 잠재력을 제한

● 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 특정한 화학 공정에 따라 촉매의 구조 및 구성을 정밀하게 조정할 수 있고, 성능 역시 기존 촉매를 능가할 수 있는 새로운 재료인 MHOF를 개발

● 연구 초반에는 니켈-철 수산화물과 같은 금속 수산화물을 촉매로 연구하였지만, 해당 재료는 요구에 맞게 성능을 조정하는 것이 어려웠고, 이에 나노 구조화를 통해 금속 수산화물의 특성을 조정하는 방안을 개발

● 연구팀은 금속-유기 골격체(MOF) 합성 연구에 착안하여 MOF에 구성된 금속 산화물을 특정 금속 수산화물로 대체함으로써 MHOF를 개발

● MHOF는 촉매로서 필요한 안정성과 정밀하게 조정 가능한 물질을 만들 수 있는 특성을 가진 것을 발견

● 실제로 MHOF 내 유기 링커의 사슬을 서로 옆에 배치하면 유기 링커들과 상호 연결된 수산화 금속 시트의 형성을 유도하고, 형성된 수산화 금속 시트가 계속 쌓여 더 높은 안정성을 갖게 됨.

● 이러한 특성은 나노구조 패턴화 작업을 수행하게 될 때, 정확한 제어를 가능하게 하고, 금속의 전자적 특성을 더욱 정밀하게 제어할 수 있도록 하며, 오랜 시간 동안 사용할 수 있게 하여 안정성을 제공

● MHOF 촉매는 기존 촉매보다 100배 정도 더 저렴하고, 니켈 기반 촉매보다 5배 더 큰 조정 가능성을 제공할 것으로 예상되며, 더 나아가 초박막 시트로 제작한 후 다른 재료에 코팅할 수 있어 재료 비용 절감이 가능

※ 용어설명

- 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF): 금속 이온이나 금속을 포함한 뭉치가 유기 리간드로 연결된 다공성 물질로 배위 고분자의 일종

※ Nature Materials 게재(2022.02.24.), “Tunable metal hydroxide–organic frameworks for catalysing oxygen evolution”