나노기술 및 정책 정보

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키랄 분리(Chiral separation)는 분리 과학의 과제이며, 기존의 키랄 분리는 주로 크로마토그래피 컬럼(chromatographic column) 분리 기술이며, 멤브레인 기술은 키랄 분리 과정에서 응용이 어렵고 관련 기술 발전도 상대적으로 느림. 관련 문헌에 따르면 시뮬레이션 계산을 통해 특정 구조를 가진 나노 다공성 그래핀(nanoporous graphene)은 높은 선택성 대영체(對映體)의 분리에 사용될 수 있는 것으로 나타났기 때문에 빠르고 간단하게 키랄 나노 다공성 그래핀 멤브레인을 합성할 수 있는 방법을 개발하는 것은 매우 중요함.

중국과학원 란저우(蘭州) 화학물리 연구소 산하 "키랄 분리 및 마이크로 나노 분석 연구팀"은 나노 다공성 그래핀 합성 및 분리 분석에 대한 응용 연구를 중점적으로 추진해 왔음. 최근 연구팀은 Hummers 방법을 사용하여 산화 그래핀 제조 과정을 확장하고 직접 흑연에서 나노 다공성 그래핀을 원 스텝(one step)으로 합성하는 새로운 방법을 개발하여, 간단하고 빠르며 효율적이면서 저렴한 비용으로 합성할 수 있었음.

일반적으로 Hummers 방법으로 합성한 산화 그래핀은 저온, 중온(中溫)과 고온의 3가지 반응 단계로 분류되는데 저온 단계에서 황산을 흑연 층에 삽입하면 중온 단계에서 과망간산칼륨이 황산이 삽입된 경로를 따라 층간으로 확대되며, 고온 단계에서 층간 삽입 층의 산화제와 흑연이 반응하여 산화 흑연을 형성하게 되며, 다음으로 반복적인 초음파 세척을 통해 산화 그래핀을 제조하게 됨.

연구팀은 고온 단계 생성물인 황산염 삽입 층의 산화 흑연 용액을 직접 여과 건조시키고, 산화 흑연의 층간에 2차원 나노 다공성 황산염 하이드로탈카이트 프레임워크(Hydrotalcite formwork)를 형성시켰는데 연소를 할 때 하이드로탈카이트 프레임워크 공극 속에 노출된 그래핀은 산화 제거되어 직접 나노 다공성 그래핀 소재로 합성되는 것으로 나타났으며, 동 방법은 흑연을 대체하는 산화 그래핀으로 사용되는 동시에 Hummers 방법의 부산물을 다공성 프레임워크로 사용하여 산화 그래핀 합성 중의 세척 과정을 생략하는 것으로 나타났음.

연구팀은 기계적 교반 및 빠른 여과를 결합시켜 다른 구경의 나노 다공성 그래핀을 나노 다공성 그래핀 분리 멤브레인으로 개발하였으며, 연구팀은 "레이저 공초점 현미경"을 이용하여 나노 다공성 그래핀 멤브레인 표면의 "마이크론 수준의 소용돌이 구조"를 관찰하였음. 동 "소용돌이 구조" 멤브레인은 일정한 키랄 특성을 가지고 있다는 점을 입증하였으며, 멤브레인의 앞면과 뒷면은 서로 반대되는 광 회전 특성을 가지고 있음을 확인하였음. 연구팀은 동 키랄 멤브레인을 이용하여 외소(外消) 회전 페닐알라닌의 높은 선택성 분리를 실현하였는데 최고 분리 인자(因子)가 4.76 수준에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀은 전(前)　단계 연구개발 과정에서 중이온 가속기를 이용하여 단일 층 나노 다공성 그래핀 이온 분리 멤브레인을 개발하였으며, 동 연구개발 성과를 기반으로 간단하고 빠르게 나노 다공성 그래핀 연소 합성 신 방법 및 금속 산화물 나노 2차원 소재의 층간 제한 구역 합성 기술을 개발하여, 나노 다공성 그래핀을 이온의 높은 선택성 멤브레인 분리에 응용하였음. 연구팀은 또한 나노 효소 촉매 활성을 가지고 있는 나노 다공성 그래핀과 금속 산화물 복합 소재를 개발하였음.

본 연구 성과는 ‘Analytical Chemistry’ ("Preparation of Vortex Porous Graphene Chiral Membrane for Enantioselective Separation") 지에 게재됨.