한국과학기술원(KAIST)은 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀이 2차원 다공성 탄소 기반의 유기용매 정제용 초고성능 나노여과막을 개발했다고 3일 밝혔다.
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분리막 기술은 이와 달리 단순히 압력을 가하는 것만으로 유기용매를 선택적으로 투과하고, 유기용매보다 크기가 큰 입자들을 효과적으로 없앨 수 있다. 열을 가하지 않기 때문에 공정에 필요한 에너지와 비용을 줄이고, 가열 과정 중 생성물의 화학적 변성 위험성을 없앨 수 있다.
연구팀은 고성능 분리막을 개발하기 위해 2차원 마이크로 다공성 탄소 물질을 합성하고 이를 분리막으로 제조하는 기술을 개발했다. 그래핀은 이상적인 분리막 재료이지만 탄소 원자들이 촘촘히 배열돼 어떠한 물질도 투과시키지 못한다. 구멍을 추가로 뚫어 분리막으로 활용하려는 시도들이 있었지만 균일한 크기의 마이크로 기공을 고밀도로 뚫기가 어려웠다.
이에 연구팀은 제올라이트를 주형으로 활용해 분리막에 사용할 2차원 마이크로 다공성 탄소 물질을 합성했다. 제올라이트 대부분이 3차원으로 연결된 마이크로 기공 구조를 지니지만, 일부는 2차원적 기공 연결구조를 가진다는 점을 이용했다.
우선 제올라이트 내부에 탄소를 채워 넣은 후, 제올라이트만을 선택해 녹여 판 형태의 2차원 탄소 물질을 합성했다. 합성된 탄소는 기존 제올라이트의 마이크로 기공 구조를 그대로 본뜬 골격 구조를 지니며, 균일한 크기의 마이크로 기공들이 벌집 구조로 빽빽하게 배열됐다.
이후 합성된 2차원 탄소 시트들을 쌓아 얇은 두께의 분리막을 만들고, 분리막을 유기용매 나노여과에 적용했다. 그 결과, 탄소 시트의 기공 크기보다 큰 유기 용질을 걸러내고, 작은 유기용매는 자유롭게 투과시켰다.
최민기 교수는 “극도로 균일한 크기의 마이크로 기공이 초고밀도로 존재하는 2차원 다공성 탄소의 합성 방법은 새로운 개념”이라며 “이번에 개발한 탄소 물질은 분리막, 배터리 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것”이라고 했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 2월 10일 게재됐다.
