다공성 물질의 기공을 0.01 나노미터(10‐⁹m) 단위로 조절하는 기술이 개발되며, 자연계 전체 수소 중 0.015%만 존재하는 중수소를 효율적으로 분리할 수 있게 됐다.

UNIST 화학과 오현철 교수팀과 서울대학교 화학부 이은성 교수팀은 이온교환 방식을 통해 다공성 물질인 금속 유기 골격체(MOF)의 기공을 0.01 나노미터 단위까지 조절할 수 있음을 밝혔다.

이 연구는 세계적인 과학 저널 앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)에 게재되며 그 중요성을 인정받았다.

연구팀은 금속 유기 골격체인 JCM-1 소재의 이온을 질산염(NO₃‐) 이온에서 염화물(Cl‐) 이온으로 교환해 기공 입구의 크기를 약 0.39 나노미터에서 0.36 나노미터로 조절하는 데 성공했다.

염화물 이온이 질산염 이온보다 기공과 연결된 외부 골격체를 더 강하게 안쪽으로 끌어당겨 기공 입구 크기가 변화한 것이다.

입구가 줄어든 JCM-1(Cl‐)은 중수소 분리 효율이 2배 가까이 향상됐다.

기존 JCM-1(NO₃‐)의 선택도가 14.4였던 것이 JCM-1(Cl‐)에서는 27.7로 증가했다. 이는 기존 극저온 증류방식과 비교해 9배 이상의 뛰어난 선택도를 보이며, 염화물 이온 교환 방식을 통해 약 18배 이상의 선택도 증가를 달성했다.

제1저자인 김현림 연구원은 JCM-1(Cl‐)이 기존의 24K(-249.15°C)에서 이루어지는 극저온 증류방식보다 높은 온도인 50K(-223.15°C)에서도 안정적인 성능을 유지해 다양한 산업 분야에서 활용될 잠재력을 보여준다고 설명했다.

UNIST 오현철 교수는 이번 연구가 다공성 물질의 나노 기공 크기를 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 방법을 제시하며, 동위원소 분리뿐만 아니라 다양한 가스 분리 분야에도 응용될 수 있을 것이라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 중견 연구 및 기본 연구 사업을 통해 수행됐다.