배위결합이란 두 원자가 공유 결합을 할 때 결합에 관여하는 전자가 한 쪽 원자에서만 제공되어 형성된 결합을 뜻한다.
화학연 CCP 융합연구단 장종산·윤지웅 박사 연구팀은 연세대 배윤상 교수팀, KAIST, 프랑스 CNRS 연구팀 등과 공동으로 크롬 이온과 유기산 화합물의 골격으로 구성된 하이브리드 나노세공소재가 질소를 효율적으로 흡착할 수 있다는 새로운 특징을 발견했다.
이 같은 질소의 선택적 배위결합 특성은 공기나 셰일가스, 천연가스, 바이오가스의 정제 시 쓰이는 초저온 냉각에너지를 절감하는데 이용할 수 있다.
일반적으로 질소 기체는 흡착력이 약하기 때문에 산소나 메탄보다 더 강하게 흡착할 수 있는 물질을 개발하기는 매우 어렵다. 이번에 발견한 물질은 결합 빈자리, 이른바 불포화배위자리를 갖는 크롬 이온이 비활성의 질소기체를 배위결합에 의해 강하게 흡착함으로써 질소 흡착량을 높이고, 메탄이나 산소보다 질소를 더 선택적으로 흡착할 수 있는 성질을 갖고 있다.
불포화배위자리란 배위결합을 형성하는 전이금속 착화합물에서 중심 전이금속 이온의 배위결합 자리가 포화되지 않고 일부 비어있는 자리를 말한다.
이번에 발견한 흡착물질은 공기 분리에 사용되는 리튬계 제올라이트 흡착제에 비해 질소 흡착량이 약 29% 이상 향상됐으며, 천연가스나 셰일가스의 주성분인 메탄과 질소의 흡착 분리에도 질소를 선택해서 흡착할 수 있는 특징을 지니고 있다. 이러한 특성은 공기 및 천연가스 분리에서 초저온 증류 기술을 대체하기 위한 에너지 절약형 흡착제 개발에 효과적으로 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
장종산 박사는 “미래형 질소 흡착소재 개발을 통해 메탄 정제의 초저온 냉각에너지 절감은 물론 순산소 제조 기술의 에너지 효율 향상에도 기여할 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
이번 연구 성과는 재료과학분야인 학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 2016년 12월 19일자 온라인판에 게재됐다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sedaily.com
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