ZIF-7 입자 CO2 흡착성능 관계 규명으로 분리막 개발 활짝

[산업일보]
미래창조과학부가 차세대 흡착물질로 알려진 금속 · 유기 복합체(MOF)의 일종인 ZIF-7 입자의 독특한 이산화탄소 흡착 성질을 세계 최초로 규명했다. 이로써 대표적 온실가스인 이산화탄소를 포집할 수 있는 분리막 개발에 박차를 가하게 됐다고 발표했다. ZIF-7은 ZIF(Zeolitic Imidazolate Framework) 중 7번째로 보고된 물질이다. 아연금속과 탄화수소 유기물간의 복합체로 높은 구조 안정성을 갖는다.

미래창조과학부에서 2011년부터 추진해온 ‘Korea CCS 2020’ 사업을 통해 도출된 이번 연구 성과는 화학분야 저명 학술지인 ‘저널 오브 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 136권 22호에 게재됐다.

이번 연구 성과는 고려대학교 최정규 교수팀이 ZIF-7 입자의 열처리에 의한 구조 변화와 이산화탄소 흡착능력의 상관관계를 데이터베이스로 구축함으로써 다양한 조건별 이산화탄소 흡착 능력이 극대화되는 ZIF-7 입자 형태와 크기를 과학적으로 최초 규명한 것이다. 이산화탄소 포집을 위한 분리막 제작의 효율성을 한층 제고시켰다는데 의의가 있다.

기존 ZIF-7 분리막 제작방법은 ZIF-7의 이산화탄소 흡착 특성을 파악하지 못한 상태에서 무작위 시행착오 방식을 통해 제작하다보니 산업적으로 요구되는 높은 이산화탄소 분리 능력을 지닌 분리막 제작에 많은 한계점이 존재해 왔다.

최정규 교수는 “현재 상당히 많은 종류의 금속 · 유기 복합 물질에 대한 연구 결과 보고가 있는데, 공학적인 관점에서 흡착이나 분리막 같은 응용 분야에 사용하기 위해서는 열적 안정성을 확보해야 한다”며 “하지만 대부분 연구가 새로운 형태의 금속 · 유기 복합체를 합성하고 그 구조를 이해하는 데 초점을 맞추고 있어 안타깝다”고 말했다. 또 “기초적인 열에 의한 구조적 변화와 사용처로서 선택한 이산화탄소의 흡착 성질을 살펴봄으로써 분리막 운영 조건에 따라 분리막을 구성하는 물질이 어떻게 구조적으로 반응하며 이산화탄소 투과에 어떤 영향을 받을 지 등 다양한 조건에서 결과를 도출해야 할 필요가 있었다. 이러한 기초적인 연구는 궁극적으로 대면적 분리막을 제작해 경제적으로 원하는 이산화탄소만을 분리하는 데 도움이 될 것”이라며 연구 계기를 밝혔다.

그러나 향후, 본 연구 성과를 토대로 다양한 이산화탄소 분리 조건 ‧ 환경에 따라 이산화탄소의 흡착능력을 최대화시킬 수 있는 ZIF-7 입자의 구조와 크기를 바로 확인 · 적용할 수 있어 이산화탄소의 선택적인 분리막 제작의 효율성을 높일 수 있을 것으로 보인다.

또 이번 연구 결과를 ZIF-7 외에 다양한 크기의 빈 공간을 갖는 다른 ZIF 물질에 적용할 경우 물, 이산화탄소, 탄화수소 등의 다양한 물질 분리에 적합한 맞춤형 분리막 개발이 훨씬 용이해질 것으로 예측된다.

최 교수는 “이번 연구 결과를 통해 이산화탄소에 선택적인 분리막을 제작하는 데 가이드라인을 제공할 수 있는 ZIF-7 물질의 이산화탄소 흡착 성질에 대한 기초적인 이해도를 확보했다”며 “그만큼 추후 분리막을 제작하는 데 어떤 형태의 ZIF-7 물질로 구성하면서 제작할지, 어떤 처리가 필요한지에 대한 가이드라인을 제공했다. 즉, 원하는 방향으로 손쉽게 찾아갈 수 있는 지도를 만들었다고 보면 될 것”이라고 설명했다.

글로벌워터 인텔리전스에 따르면 2016년 분리막 시장이 37조원까지 확대될 것으로 전망되고 있어, 해당 성과가 CO2 등 다양한 기체 분리 및 수처리에 적용될 경우 수조원의 매출이 기대된다.

한국 이산화탄소 포집 및 처리연구개발센터 박상도 센터장은 “젊은 연구자의 패기와 열정으로 짧은 시간 내에 좋은 연구 성과가 도출돼 기쁘다”면서 “무조건 새로운 것만 찾는 연구보다는 기존의 한계를 혁신적으로 돌파할 수 있는 실질적 이용 가능한 기술 개발이 필요하다”고 말했다.