울산과학기술원(UNIST) 연구진이 기체 저장 능력과 위험물질 흡착 성능이 우수한 물질 개발에 성공했다.

27일 백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 '수직으로 선 2차원 적층 구조'(Vertical 2D layered structure)를 구현했다고 밝혔다.

\원자 하나 두께로 얇은 층상 물질을 수직으로 세운 뒤 이를 쌓아 올려, 층간 결합력은 줄이고 기체가 달라붙을 수 있는 표면적은 넓힌 기술이다.

그래핀처럼 규칙적인 구조를 지닌 얇은 2차원 물질을 기체 저장이나 흡착에 활용하려는 시도가 많다.

이는 기체가 이동할 수 있는 구멍(기공)이 있고, 3차원 물질보다 설계하기 쉽기 때문이다.

그러나 2차원 물질을 층층이 쌓게 되면 층간 강한 결합력 때문에 층 사이가 매우 좁아진다. 이때 층 사이 표면은 기체 저장이나 흡착에 활용하기 어려운 실정이다.

백 교수팀은 하나의 단위가 되는 고리 모양의 분자, 즉 단위체를 쌓을 때 이를 수직으로 세운 뒤 쌓는 방식을 이용해 문제를 해결했다.

고리 모양이 서로 마주 보면(수평) 층간 결합력이 크지만, 수직으로 쌓으면 결합력이 느슨해지는 원리를 이용했다. 층 사이 결합력이 약해지면 적층 구조를 만들었을 때 노출되는 표면적이 더 넓다. 또 구조가 안정적이어서 600도 고온도 잘 견뎠다.

연구진은 추가 실험을 통해 새로운 물질이 기체 저장에 우수한 성능을 보이는 점도 확인했다.

이 물질은 방사성 물질 '아이오딘' 기체도 빠르게 흡착해 제거했다. 아이오딘 기체는 흡착이 어려운 물질로 알려져 있다. 연구진이 개발한 적층 물질이 아이오딘을 흡착하는 속도는 현재까지 개발된 유기 다공성 물질 중 가장 빨랐다.

백 교수는 "탄소 기반 2차원 물질인 그래핀이 발견된 이후 2차원 물질을 활용하려는 시도가 꾸준히 늘고 있다"면서 "새로운 개념을 도입해 2차원 구조가 본래 가진 한계점을 극복하고, 세계 최초로 세로로 서 있는 2차원 구조를 구현했다"고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구는 자연과학 분야 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 24일 자에 게재됐다.

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