신소재공학부 김명길 교수 공동 연구팀, 멀티스케일 구조 조절기반 결정질 다공성 소재 개발

- 방사성 원소 제염을 위한 오염수 처리소재 기술 개발

신소재공학부 김명길 교수 연구팀이 기존 무질서한 표면으로 제한된 기능성을 가진 다공성 에어로겔 소재의 한계를 뛰어넘는 규칙적인 결정질 표면으로 이루어진 다공성 황화물 에어로겔 소재를 최초로 합성하고 이를 적용하여 방사성 원소 제염을 위한 오염수 처리소재 기술을 최초로 개발하였다. 연구팀은 이같은 내용을 과학기술 분야 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(IF: 17.69)에 발표했다.

다공성 무기 소재인 에어로겔은 넓은 표면적, nm에서 ㎛에 이르는 다양한 기공구조, 낮은 밀도를 가지는 새로운 기능성 소재로 고성능 단열소재, 화학공정 촉매소재, 청정 수소발생 촉매소재, 유해물질 제거소재등의 다양한 분야에 응용되고 있다.

일반적인 물질 내 원자배열의 규칙성은 소재의 유용한 특성을 결정한다. 예컨대 탄소의 경우 원자의 규칙적인 배열에 따라, 투명하고 단단하나 부도체인 다이아몬드 혹은 높은 전기전도도를 가지는 흑연이 될 수도 있다. 나아가 배열이 완전히 흐트러지면 모든 방향으로 균등한 성질을 가지나 낮은 전기전도도를 가지는 비정질 탄소가 될 수도 있다.

일반적인 에어로겔 소재는 원자 간 무작위 연결로 형성되며, 이에 따라 원자배열이 불규칙한 비정질 소재로 얻어진다. 이처럼 에어로겔 소재 자체의 원자 배열을 조절하지 못하면 광학적 성질의 조절, 도핑을 통한 반도체 및 촉매 특성의 조절과 같은 새로운 소재 물성의 개발이 어려운 한계가 있다.

연구진은 기존 에어로겔 소재의 한계를 극복하기 위하여 이차원 결정질 나노판상을 형성하며 동시에 다양한 기공구조의 형성이 가능한 주석 이황화물계 소재군 및 반응조절법을 개발하고 자세한 반응기작을 연구하였다. 이를 통해 기존 무질서한 비정질 에어로겔 소재와 차별화된 결정질 주석황화물계 에어로겔 소재를 개발하였다.

이 소재는 기존 사면체 구조가 유지되는 단순 복분해(metathesis) 반응과 달리 반응속도의 조절을 통하여 안정된 육면체 구조로의 변환이 가능하며, 나아가 결정질 나노판상 소재의 형성이 가능함을 발견하였다. 이를 이용하여 다양한 금속-주석황화물계 결정질 에어로겔 소재를 개발하였다.

또한 연구진은 Cs-137와 Sr-90과 같은 방사성 핵종 제거에 유용한 KMS-1 소재와 동일한 원자배열을 가지는 나트륨-망간-주석 황화물계 에어로겔 소재를 개발하여 다공성 구조를 통한 빠른 방사성 핵종의 제거가 결정질 에어로겔 소재를 통하여 가능함을 보여주었다. 이는 높은 표면적이 필요한 화학촉매, 신재생 에너지 생산, 유해물질 제거 등에 유용하게 활용 가능하다.

김명길 교수와 오영탁 박사는 “본 연구는 기존에 무질서한 원자들의 배열로 여겨져 왔던 다공성 에어로겔 소재에서 규칙적인 결정질 소재의 형성이 가능함을 보여주어 결정질 에어로겔 소재라는 새로운 소재군의 확립과 고기능성 촉매 소재, 에너지 소재, 환경 소재등의 다양한 응용에 대한 가능성을 열었다.”고 밝혔다.

▲ 반응속도 조절을 통한 결정질 에어로겔 소재의 합성

※ 논문명: Multiscale structural control of thiostannate chalcogels with two-dimensional crystalline constituents

※ 저널: Nature Communications

※ DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35386-z