CO2만 차단하는 역선택 미세기공성 분리막 개발

    - 2 nm초미세 공기구멍이 3차원으로 얽혀…대면적 필름 형태 제조 가능

    - GIST 박지웅 교수팀, 화학 분야 권위지 Angewandte Chemie 논문 게재

 

 

                

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 선택적으로 차단하는, 역선택 분리가 가능한 신개념의 미세기공성* 기체분리막을 개발했다.

 

* 미세기공: 일반적으로 기체가 드나들 수 있는 기공의 크기가 2nm 이하인 미세한 구멍(micropore)을 미세기공이라고 정의

 

  ∘ 이번 성과는 고분자 나노복합막의 나노구조를 제어한 뒤 열처리를 통해 3차원 초미세 기공을 추가로 형성함으로써, 이산화탄소를 역선택으로 분리해 내는 새로운 방법을 제시한 것이다.

 

  ∘ 발전소나 공장에서 나오는 매연이나 배기가스를 보다 효율적으로 정화하거나 수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 쉽게 분리하는 데 기여할 것으로 기대된다.

 

□ GIST 신소재공학부 박지웅 교수(교신저자) 연구팀은 이러한 연구 성과를 세계적 국제학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie) 12월 11일 온라인판에 게재했다.

 

□ 현재 미세기공성 물질과 고분자 물질을 혼합해 기체 분리막을 제조하는 연구가 시도되고 있지만, 미세기공성 소재가 한데 뭉치거나 고분자와 다공성 물질의 경계면에 틈이 생기는 등 고체상의 미세다공성 소재를 고분자에 균일하게 분산시키는 것이 매우 어려운 상황이다.

 

□ 연구팀은 유기 졸-겔법을 이용해 용매에 분산된 유기분자망을 만들고, 이를 열적, 화학적으로 안정한 고분자(폴리이미드)와 혼합해 각 성분이 3차원 구조를 이루는 나노복합막을 제조했다.

 

  ∘ 연구팀은 이 나노복합막에 열을 가해 유기분자망의 구조를 재배열시키고 동시에 더 작은 초미세 기공 통로를 형성해, 질소-이산화탄소 혼합가스에서 질소를 선택적으로 통과시키는 나노복합막을 만들 수 있었다.

 

 

<그림 1> 유기분자망과 폴리아믹산의 혼합용액에서 얻어지는 재배열된 유기분자망/폴리이미드 나노복합막 필름. (a) 폴리아믹산의 질량 분률 0.4일 때 나타나는 복연속직인 나노복합막 구조. (b) 폴리아믹산의 질량 분률 0.6일 때 거시적인 상분리 구조. (c) 폴리아믹산의 질량 분률 0.9일 때 고립된 유기분자망 상을 가지는 상분리 구조. 재배열된 유기분자망/폴리이미드 필름의 구조는 유기분자망과 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산을 혼합할 때의 그 질량 분률에 따라 구조가 달라진다. 따라서 폴리아믹산의 질량 분률에 따라 변하는 재배열된 유기분자망/폴리이미드 필름의 모폴로지를 투과전자현미경으로 관찰하였고, 각 상이 상호연결된 구조는 폴리아믹산의 질량 분률이 0.5 이하에서 얻을 수 있었다. 폴리아믹산 질량분률 0.5 초과~0.8 미만에서는 거시저긴 상분리 구조의 필름이 얻어지며, 폴리아믹산 질량분률 0.8 이상에서는 고립된 유기분자망 상을 가지는 필름을 얻을 수 있다.

 

□ 박지웅 교수는 “이번에 개발된 미세기공 나노복합막은 질소를 투과시키고 이산화탄소는 차단하는 역선택적 분리 특성을 갖는 새로운 개념의 이산화탄소 분리막”이라며 “이번 성과가 이산화탄소 분리뿐만 아니라 수소나 메탄 분리 등 다양한 에너지․환경 분야에 적용될 것으로 기대된다”밝혔다.

 

□ 박지웅 교수가 주도하고 전은경 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부의 ｢Korea CCS 2020 사업｣의 지원으로 진행됐다.     <끝>

 

*논문명: In situ Generation of Reticulate Micropores through Covalent Network/Polymer Nanocomposite Membranes for Reverse-Selective Separation of Carbon Dioxide

 

 

 

대외협력팀