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RESEARCH DIRECTIONS

​금속유기구조체

연구실에서 주로 다루는 금속유기구조체는 금속 이온과 유기 리간드가 배위결합을 통해 규칙적인 배열을 형성한 초분자물질을 뜻합니다. 이렇게 형성된 초분자물질은 구성물이 갖고 있는 특성을 잃지 않으며 기존에는 없던 새로운 특성을 보이게 됩니다. 또한 높은 표면적이 대표적인 특징 중 하나이며, 금속 종류와 유기리간드의 작용기를 바꿔 물질의 특성을 손쉽게 바꿀 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 무기소재화학 실험실에서는 새로운 금속과 유기리간드의 조합을 통해 새로운 물성의 금속유기구조체를 합성하는 연구를 진행하고 있습니다.

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Confined Dynamic Bonding

금속유기구조체의 빈 공간에서는 분자 수준의 작은 기공 때문에 내부에서의 자유로운 분자 운동이 제한됩니다.  제한된 분자 운동에 의해 특정한 방향으로 배열된 분자는 일반적인 화학적 환경에서는 관측하기 어려웠던 분자 간 상호작용의 발견을 가능하게 합니다.  대표적인 예로 기존에 잘 알려지지 않았던 금속과 할로겐 중성 분자 간의 결합을 금속유기구조체를 이용해 밝힌 논문이 있습니다.  이러한 분자 간 결합은 주변 분자들과 지속적으로 교환되며 금속유기구조체의 열린 배위 자리와 용매 분자 사이의 동적 평형을 기반으로 형성됩니다.  동적 평형 상태의 금속유기구조체 내부에서는 강한 결합을 이루는 분자와의 결합을 끊고 보다 약한 결합을 하는 분자와의 결합이 일어나기도 합니다.  이는 일반적인 거시세계에서 보이는 보다 강한 결합을 이루어 물질이 안정해지고자 하는 경향과는 반대되는 현상으로, 나노 공간이라는 특수한 환경을 통해서만 관측할 수 있는 특별한 발견이기도 합니다.  저희 연구실에서는 이와 같은 나노 공간이라는 특수성을 기반으로 하는 흥미로운 화학적 특성을 연구합니다.

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Conductivity through nanochannels

다공성 구조에 있는 나노 통로는 이온을 이동시키는 공간으로 사용할 수 있습니다.  또한, 금속유기구조체 내부의 화학적 환경을 다르게 구성하여 여러 종류의 이온 전도성을 확인할 수 있습니다.  그리고 MOF의 특성에 따라 이온 전도성은 크게 달라질 수 있습니다.  이를테면, 저희 연구실에서 MOF-74가 1차원 통로 구조를 가져 방향에 따라 양성자 전도성이 다름을 논문으로 발표했습니다.  이 같은 MOF의 이온 전도성은 여러 분야에서 이용되고 있습니다. 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 분야인 연료전지, 리튬 전지, 그리고 슈퍼캐퍼시터에서의 가장 큰 목표는 이온 전도성을 높이는 것입니다.  그리고 높은 표면적을 갖고 있어 각 자리를 이온 저장 자리로서 사용할 수 있는 MOF는 이러한 목표를 달성하는데 사용될 수 있습니다.  하지만 MOF가 태생적으로 갖고 있는 낮은 이온 전도성 때문에 상용화하기 위해 더 많은 연구가 필요한 분야이기도 합니다.  이를 해결하기 위해, 저희 연구실에서도 MOF를 배터리 또는 연료전지로서 사용하기 위한 연구를 진행 중에 있습니다.

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Catalytic Chemistry in MOF

용매 분자와 금속 노드 간의 약한 배위결합은 촉매 반응에서의 반응 자리로써 기여할 수 있습니다.  그리고 배위 결합의 세기는 용매 분자의 종류와 금속 유기 구조체의 종류에 따라 크게 달라질 수 있습니다.  이러한 결합의 세기 변화를 라만 분광을 통해 관찰할 수 있으며, 나노공간화학 연구실에서는 분자 간 상호작용 또는 분자 사이의 약한 결합을 관측한 논문을 발표했습니다.  이에 더해, MOF 내부에서의 분자 간 결합을 이해함으로써 촉매 반응에 영향을 주는 요인을 파악할 수 있습니다.  MOF 내부에서 촉매 반응이 일어나려면 반응물이 MOF의 금속 자리에 붙을 수 있어야 하는데, 이 자리에 용매 분자가 강하게 결합하고 있을 경우 촉매 활성을 저하시킬 수 있습니다.  그리고 MOF 의 금속자리에 붙어있는 분자에 에너지를 가해줄 경우 분자결합을 통한 전자 전달이 발생하면서 화학적 반응을 일으키기도 합니다. 이를 통해 MOF 금속의 산화수를 조절하여 MOF의 수분안전성을 증가시킬 수 있는 방안에 대한 연구를 진행한 바 있습니다.

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