초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과

1절. MOFs의 재료 특성 조사

(1) 이질적인 금속 이온의 전하 효과와 혼성된 금속-유기 틀의 결정 성장 과정
-Paddle-wheel 타입의 수소결합을 포함하는 Cu MOF인 CuHTPO를 합성하고 다른 이온인 Zn2+와 Tb3+와 반응함으로 새로운 형태의 MOF를 합성하였다. 이 일을 통하여서 다른 금속이온으로의 치환 메커니즘을 제시 하였으며, CuHTPO의 이산화탄소 및 여러 기체들에 대한 흡착 연구를 진행 하여 결과를 얻었다.

(2) 물이 연결된 독특한 망간

Ⅳ. 연구개발결과

1절. MOFs의 재료 특성 조사

(1) 이질적인 금속 이온의 전하 효과와 혼성된 금속-유기 틀의 결정 성장 과정
-Paddle-wheel 타입의 수소결합을 포함하는 Cu MOF인 CuHTPO를 합성하고 다른 이온인 Zn2+와 Tb3+와 반응함으로 새로운 형태의 MOF를 합성하였다. 이 일을 통하여서 다른 금속이온으로의 치환 메커니즘을 제시 하였으며, CuHTPO의 이산화탄소 및 여러 기체들에 대한 흡착 연구를 진행 하여 결과를 얻었다.

(2) 물이 연결된 독특한 망간 유기-금속 골격체에서의 복구가 가능한 구조적 변형과 선택적인 기체 흡착
-물로 연결된 Mn MOF를 제조 하였고, 여러 종류의 용매들을 흡착시키고 탈착시킴으로 구조와 상의 변화를 관찰하여 제조된 MOF의 구조적 특성을 분석 하였다. 또한 이산화탄소 및 다른 기체들의 흡착을 분석하여 이산화탄소에 대한 선택적 흡착을 함을 보였다.

(3) 유연한 에테르 작용기와 돌출된 물 분자를 가지는 2차원 구조물의 선택적인 CO₂ 흡착과 수소 이온 전도성
-유기 리간드 1,3,5-tri(4-carboxyphenoxy)benzene (H₃TCBP) 과 Zn(NO₃)₂·6H₂O 의 반응을 통해 얻어진 구조물은 리간드의 중심 벤젠 고리들 사이에 존재하는 파이-파이 상호 작용으로 3차원 구조를 이루고 있으며, 채널 방향으로 존재하는 돌출된 물 분자와 리간드의 에테르 산소로 인해 극성 환경을 조성하였고 그로 인해 선택적인 CO₂ 흡착과 수소 이온 전도성을 보였다.

(4) 무기-유기 골격체에서 보이는 pH 의존적 수소이온 전도성 성향
-물질에 직접적으로 수소 양이온을 물질 내부에 넣어, 그것을 통해 발표된 것 중 가장 높은 수소 양이온 전도도(2.2 x 10^-2 Scm^-1) 값을 가지는 물질을 합성 하였다. 높은 수소 양이온 전도는 가장 낮은 활성화 에너지를 가지면서 채널 속에 양성화된 물 분자 뭉치가 존재함으로서 그것들의 Grotthuss mechanism을 통해 일어났다. 이러한 결과들은 높은 수행력을 보이는 수소 양이온 전도성 물질을 찾고자 하는 데에 유망한 새로운 전략을 구성한다. 또한 이 물질은 상온에서도 CO₂를 흡착 할 수 있는 능력을 보이고 있다.

(5) 가역적인 구조의 유연성과 아연 금속 유기 골격체의 감지 기능 : 관통하는 3차원 구조와 2차원 간의 상간 전환
-3차원의 3-fold interpenetration의 아연 골격체를 합성하였고 이것은 NB를 선택적으로 감지하며 재활용이 가능하다. 이러한 그물 구조는 용매 치환/resolvation 그리고activation/resolvation의 세 가지 상의 변환이 가능한 것으로부터 매우 유연한 구조이다. 3-fold interpenetration 3차원 아연 상은 2차원의 구리 상으로 전환이 가능하다. 이 연구를 통하여 MOF의 구조적 변화에 대하여 이해 할 수 있다.

2절. azolates를 갖는 MOFs합성과 흡착능력 및 화학적 안정성 조사
(1) azolate리간드를 이용한 Co(II), Zn(II) 배위고분자 합성, 구조 및 특성에 관한 연구
-azolate리간드와 Co(II), Zn(II)를 이용하여 MOF를 제조하고 이산화탄소 및 다양한 기체들에 대하여 흡착을 측정하여서 이산화탄소를 선택적으로 흡착 할 수 있는 성질을 규명하였으며 용매 분자의 흡,탈착으로 구조의 변화를 관찰 하였다.

(2) 결정 구조 및 상호침투 조절
-azolate리간드와 Zn(II)를 이용하여 MOF를 제조하고 이산화탄소 및 다양한 기체들에 대하여 흡착을 측정하여서 이산화탄소를 선택적으로 흡착 할 수 있는 성질을 규명하였으며 I₂의 가역적인 흡탈착 또한 관찰 할 수 있었다.

3절. 고밀도 열린금속자리를 갖는 MOF개발

(1) 확장형 유기리간드 제조와 고밀도 open metal sites을 지닌 MOFs의 합성
-고밀도 열린금속자리(open metal sites)가 있는 확장형 Mg₂(dotpdc) MOF (비표면적 = 5877 m²/g: 당초목표 = 5000 m²/g이상; 25℃, 0.15 bar CO₂에서 흡착능 14.6 %)제조에 성공하였으며 건식 흡착제 목표수치인 흡수능 10%를 상회하였다.

4절. MOF의 아민 기능화

(1) MOF의 아민기능화: 공기와 flue gas에서의 이례적으로 높은 이산화탄소 흡착성능과 흡착 메커니즘
-아민기능화된 en-Mg₂(dobpdc) 제조하였다. 이 MOF는 25℃, 0.15 bar CO₂에서 흡착능이 13.7 wt%이고 25℃, 0.39 mbar CO₂에서 흡착능이 11.1 wt%이다. 특히 MOF 중 air capture중에서는 최고의 성능을 보였다. MOF의 아민기와 기공에 들어온 CO₂가 상호작용하여 carbamic acid형태로 결합하였다. 아민기능화된 MOF에서 CO₂흡착 메커니즘을 세계 최초 규명하였다.

(2) 다이아민으로 기능화된 MOF를 이용한 배가스로부터의 이산화탄소 흡착: 낮은 온도에서의 재생과 매우 높은 Working capacity
-N,N-dimethylethylenediamine (=dmen)을 이용하여 다공성 배위 고분자인 Mg₂(dobpdc)를 아민 기능화 함으로 이산화탄소 흡착 성능을 향상시키고 재생에너지를 감축하였다. dmen-Mg₂(dobpdc)의 연소 후 포집과정을 위한 0.15기압의 이산화탄소 흡착량은 40℃에서 3.77 mmol/g (14.2 wt%)이다. 25℃에서 0.15기압 이산화탄소에 대한 CO₂/N₂ 선택도는 554이다. 이는 화학적 흡착과 물리적 흡착 둘 다에 기인한 것으로 FT-IR 실험을 통하여 증명하였다. 상온에서 아르곤 조건에 노출시키거나 진공상태 에서도 이산화탄소의 완전 탈착이 가능하며 반복적인 흡탈착 과정에서도 성능 저하가 크지 않음을 확인할 수 있었다. 또한 99.999 %의 이산화탄소 조건에서 탈착을 시도 했을 때 90℃ 탈착 40℃ 흡착 성능이 10 wt% 이상으로 재생에너지 감축에 매우 효과적이다. 물에 대한 안정성도 우수하여 100% 상대습도에 노출되었을 때에도 성능이 크게 저하되지 않음을 실험을 통하여 확인하였다.

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose:
The research goal is to develop innovative metal-organic frameworks for CO₂ capture from air that are chemically and structurally stable against water and temperature.

Contents:
●Development of MOFs with high-density open metal sites
-Preparation of MOFs with a

Purpose:
The research goal is to develop innovative metal-organic frameworks for CO₂ capture from air that are chemically and structurally stable against water and temperature.

Contents:
●Development of MOFs with high-density open metal sites
-Preparation of MOFs with a high surface area and open metal sites

●Preparation of azolate-based MOFs
-investigation of adsorption capabilities and chemical stability

● MOFs의 개발 Development of MOFs for innovative CO₂ capture using amine functionalization
-Development of amine-grafted MOFs for low-pressure CO₂ capture
-Evaluation of reversible adsorption-desorption properties of high-performance MOFs
-Methods for reduction in regeneration energy
-Reduction in CO₂ capture costs through optimization of MOFs

● Study on surface area improvement through material engineering and optimization of capture capacities

-Tuning of particle size and shape
-Materials‘ engineering using templates
-Maximization of materials‘ performance usning amine functionalization

Expected Contribution:
The successful research will benefit as follows: (i) to remove effectively CO₂ from flue gas, (ii) to balance the CO₂ level in a spaceship for life, and (iii) to capture directly CO₂ for air. Accordingly, this research will realize new class of materials with water and thermal stability as well as exceptional capture capability, which si one of the most important issues in CCS. This work will open a new horizon in CCS in terms of material performance.

(출처 : SUMMARY 7p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• S U M M A R Y ... 7
• C O N T E N T S ... 8
• 목차 ... 9
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 10
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 12
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 20
• 1절. MOFs의 재료 특성 조사 ... 20
• (1) 이질적인 금속 이온의 전하 효과와 혼성된 금속-유기 틀의 결정 성장 과정 ... 20
• (2) 물이 연결된 독특한 망간 유기-금속 골격체에서의 복구가 가능한 구조적 변형과 선택적인 기체 흡착 ... 23
• (3) 유연한 에테르 작용기와 돌출된 물 분자를 가지는 2차원 구조물의 선택적인 CO2 흡착과 수소 이온 전도성 ... 27
• (4) 무기-유기 골격체에서 보이는 pH 의존적 수소이온 전도성 성향 ... 30
• (5) 가역적인 구조의 유연성과 아연 금속 유기 골격체의 감지 기능 : 관통하는 3차원 구조와 2차원 간의 상간 전환 ... 38
• 2절. azolates를 갖는 MOFs합성과 흡착능력 및 화학적 안정성 조사 ... 47
• (1) azolate리간드를 이용한 Co(II), Zn(II) 배위고분자 합성, 구조 및 특성에 관한 연구 ... 47
• (2) 결정 구조 및 상호침투 조절 ... 52
• 3절. 고밀도 열린금속자리를 갖는 MOF개발 ... 57
• 4절. MOF의 아민 기능화 ... 60
• (1) MOF의 아민기능화: 공기와 flue gas에서의 이례적으로 높은 이산화탄소 흡착성능과 흡착 메커니즘 ... 60
• (2) 다이아민으로 기능화된 MOF를 이용한 배가스로부터의 이산화탄소 흡착: 낮은 온도에서의 재생과 매우 높은 Working capacity ... 71
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 84
• 제5장 연구개발 대표성과 ... 85
• 제6장 연구결과의 파급효과 및 활용 계획 ... 86
• 제7장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 88
• 제8장 참고문헌 ... 89
• 끝페이지 ... 90