본교 화공생명공학과 이종석 교수 연구팀이 금속–유기 골격체(Metal–Organic Framework, MOF)의 결정구조를 의도적으로 무너뜨린 뒤 다시 부분적으로 회복시키는 새로운 구조 제어 전략을 통해 고성능 에틸렌·에탄 분리막을 개발했다.

▲ (좌측부터) 진유빈 연구원 (석박사통합과정, 제 1저자), 홍웅기 연구원 (석박사통합과정, 공동 제 1저자),  남기진 박사 (공동 제 1저자), 이종석 교수 (교신저자)

해당 연구에는 이종석 교수가 교신저자로, 진유빈, 홍웅기 석박사통합과정 연구원과 남기진 박사가 주저자로 참여했으며, 화학공학 및 재료과학 분야의 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials (IF: 19.9, JCR 상위 4.9% 내)’에 게재되었다. 

이번 연구의 핵심은 단순히 결정성이 높은 MOF를 이용하는 기존 접근에서 벗어나, 결정질과 비정질 구조가 하나의 막 내부에서 공존하도록 설계했다는 점이다. 연구팀은 대표적인 다공성 MOF인 ZIF-8의 배위결합을 화학적으로 일시적으로 붕괴시킨 뒤, 열과 압력을 가하는 과정에서 결정 구조를 선택적으로 재생시켰다. 이를 통해 미세한 ZIF-8 결정 영역이 비정질 구조 내부에 고정된 ‘결정질–비정질 복합구조’를 구현하고, 기존 ZIF-8의 유연한 기공 거동을 효과적으로 제어했다. 

그 결과, 최적화된 분리막은 0℃의 등몰 에틸렌/에탄 혼합기체 조건에서 에틸렌 투과도 2,871 Barrer와 에틸렌/에탄 분리계수 10.1을 나타냈다. 이는 결정질–비정질 구조 설계를 통해 MOF의 분자체 거동과 기체 수송 특성을 정밀하게 조절할 수 있음을 보여준다.  

▲ ZIF-8기반 자기고정형 결정질–비정질 구조 구현 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 한우물파기 기초연구사업과 선도연구센터(ERC)사업 및 교육부·서울특별시가 지원하는 서울 앵커센터의 지원을 통해 수행되었으며, 향후 에틸렌·에탄을 비롯한 유사 크기 탄화수소의 저에너지 분리 공정과 고성능 MOF 기반 기체분리막 개발에 새로운 설계 지침을 제공할 것으로 기대된다.

▶ 논문 제목: In Situ Self-Locked Crystalline–Amorphous ZIF-8 Composite Membranes for Ethylene/Ethane Separation via Sacrificial Coordination Disruption 

▶ 논문 링크 바로가기: https://doi.org/10.1002/adfm.78193 

▶ 관련 기사: https://www.dongascience.com/ko/news/80097 

▶ 관련 기사: https://v.daum.net/v/8T9arfCEAj 

▶ 연구실 홈페이지: http://gsslab.sogang.ac.kr/