오문현 교수팀, 세계 최초로 ‘MOF Farming’ 개념 제시

MOF-on-MOF 성장기반 MOF farming으로 비정형 구조를 지닌 MOF 합성 방법 제시

화학과 오문현 교수 연구팀(공동 제1저자 이수정, 이지현 학생)은 주어진 구성 성분으로 자연적으로는 선호되지 않는 구조를 가지는 금속-유기 구조체(metal-organic framework, 이하 MOF)의 전략적 합성 방법론을 제시했다. 본 연구결과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 저명한 국제 학술지 ‘ACS Nano’에 11월 4일 게재됐다.

MOF는 다양한 금속이온과 유기 리간드가 자가조립을 통해 형성되는 규칙적인 배열의 무한한 구조를 가지는 물질이다. 사용자의 목적에 따라 MOF를 구성하는 성분의 자유로운 선택이 가능하고, 이때 생성되는 MOF의 구조는 매우 다양하며, 궁극적으로 MOF가 가지는 구성 성분과 구조가 MOF의 물리적·화학적 특성을 결정짓게 된다. 따라서, 원하는 구성 성분과 구조를 가지는 MOF를 합성하는 것이 원하는 특성을 가지는 이상적인 MOF를 합성하기 위한 중요한 전제 조건이라고 할 수 있다. MOF 합성 시 사용자가 원하는 구성 성분을 선택해 MOF를 합성하는 것은 비교적 쉬운 반면, 선택한 구성 성분으로 희망하는 구조를 가지는 MOF를 합성하는 것에는 어려움이 따른다. 

[그림 1. 보편적인 방법으로는 합성하기 어려운 구조를 가지는 MOF의 Farming 과정(유도 성장 및 수확)]

오문현 교수팀은 농지에서 작물의 발아(seeding), 성장(growth) 및 수확(harvest) 하는 농사 과정에서 영감을 받아, 주어진 구성 성분으로 연구자가 희망하는 구조를 가진 MOF를 효율적으로 합성하는 MOF farming 방법을 제시했다.

Ga3+과 1,4-benzenedicarboxylic acid (H2BDC)를 이용해 MOF 합성 시, 자연적으로는 kagomé 구조의 MIL-68이 생성된다. 하지만, 육각형 격자 모양의 (111) 면이 노출된 octa-HKUST-1 템플레이트가 반응 중 존재할 경우, 같은 구성 성분을 사용하더라도 6각형(hexagonal) 구조의 MIL-88B가 octa-HKUST-1 템플레이트 위에서 성장함을 확인했다. 

MOF의 구조를 분석한 결과, 템플레이트의 노출된 (111) 면과 MIL-88B의 (001) 면의 유사한 격자 모양과 격자 길이로 인해 템플레이트 위에서 MIL-88B가 유도 성장됨을 확인했다.

또한, 동일한 구조를 가지지만 (001)의 노출된 면을 가진 cube- 또는 cubo-HKUST-1를 템플레이트로 사용할 경우, 템플레이트의 (111) 면에서만 MIL-88B가 선택적으로 성장함을 통해 템플레이트가 제공하는 이상적인 환경(격자 모양 또는 격자 길이)이 MIL-88B 발아(seeding)에 필요한 에너지를 감소시켜 템플레이트 위에 MIL-88B가 유도 성장됐음을 확인했다. 

더 나아가 MIL-88B가 성장된 octa-HKUST-1@Ga-MIL-88B에서 MIL-88B를 분리해 순수한 형태의 MIL-88B를 성공적으로 수확할 수 있음을 보여줬으며, 분리된 octa-HKUST-1는 또 다른 MIL-88B가 성장하는 템플레이트로 재사용될 수 있음을 보여줬다.

[그림 2. 서로 다른 MOF들 간 격자 매칭 및 비매칭]

이처럼 MOF farming은 선택된 구성 성분으로 원하는 구조를 가지는 MOF를 합성할 수 있는 획기적인 방법으로 기존에 합성하기 어려웠던 다양한 MOF의 합성 가능성을 제시했으며, 본 합성 방법을 통해 합성되는 MOF는 기존에 존재하는 MOF에 비해 향상된 성능 혹은 새로운 특성을 가질 수 있어 다양한 분야에서 필요한 맞춤형 MOF로 사용될 것으로 기대된다.

[그림 3. 제어된 모양을 가지는 MOF 템플레이트와 선택적 MOF-on-MOF 성장에 의해 생성된 혼성 MOF 입자]

논문정보

● 논문제목: Lattice-Guided Construction and Harvest of a Naturally Nonpreferred Metal–Organic Framework

● 논문주소: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06207