한양대학교  응용화학과  분자고체 연구실

Laboratory of Molecular Solids

Department of Applied Chemistry, Hanyang University ERICA

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      수소는 어디에 . . . ?

 

분자 수준의 단위체가 규칙적으로 반복되어 만들어지는 골격 구조는 때로 그 내부에 빈 공간을 갖기도 한다. 그리고, 특정 구조 단위의 규칙적인 반복은 그 골격 내부에 존재하는 빈 공간의 규칙적인 반복을 의미하기도 한다.

 

복잡해 보이는 오른쪽의 삼차원 골격구조 CBDCND는 사실 그리 복잡하지 않은 왼쪽의 단위구조체가 반복되어 만들어진다.

 

이런 다공성 결정물질의 기공에 기체를 흡착시켜 저장하고자 하는 시도는 현재 화학계에서 가장 활발한 연구 분야 중 하나인데, 그러한 배경에는, 천연가스의 주성분인 메탄이나 차량 탑재용 연료 전지에 필요한 수소의 안전한 저장 및 운송, 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소의 효율적인 포집 등 산업적 활용 가능성이 뒷받침 되어 있다. 따라서 많은 종류의 다공성 물질이 잠재적인 기체 저장 매체로서의 가능성을 검증받고 있다.

본 연구실에서는 금속과 유기분자의 배위결합을 기반으로 하는 다공성 결정물질에 관한 연구를 지속적으로 수행해 왔으며, 다공성 금속-유기 골격구조를 이용한 효율적인 수소 저장에 관련된 논문을 최근 발표하였다.

CBD (위)와 CND (아래)의 엑스선 결정구조로 살펴 본 기공의 형태

 

학부생의 신분으로 연구에 주도적으로 참여한 정희진, 구금애 학생이 도출해 낸 결과에 따르면 (i) Co2+, 다이카르복실 및 다이아민 리간드가 자기조립하여 8개의 방향으로 구조를 확장시키는 삼핵 단위체를 형성하고, (ii) 동일한 단위체라 하더라도 다이카르복실 리간드의 종류에 따라 위상기하학적 구조가 다른 삼차원 골격을 이루며, (iii) 그 중 나프탈렌 고리에 기반한 다이카르복실 리간드가 사용되었을 때 기공율과 안정성이 높은 골격구조를 얻을 수 있다.
CND라 이름 붙인 이 골격구조는 약 2300 m2/g에 이르는 높은 비표면적을 가졌고, 공기중에서 250 oC까지 안정하며, 77K, 1 기압 조건에서 질량대비 2.45%의 수소를 흡착한다. 이는 현재 보고된 것 중 가장 높은 수치 중 하나이다.

이번 연구는, 무엇보다, 상대적으로 높은 수소 저장 능력을 보이는 이유를 골격의 기공구조에 기인하는 것으로 구체적인 제안을 했다는 데에 의미가 있으며, 나아가, 물리흡착을 통한 수소 기체의 효율적인 저장을 위해서는 열역학적 (thermodynamic) 관점이 아닌 동역학적인 (kinetic) 관점에서 접근해야 한다는 결론을 내리고 있다.

본 논문은 미국화학회에서 발간하는 저명 학술지 Inorganic Chemistry에 게재되었다.

 

   

 


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