김병수 교수팀, 친환경적 폴리이미드 유기 골격체 합성법 개발

수열 반응에서 다공성 골격체 형성과 전구체에 따른 결정성 차이 원인 제시

세계적인 학술지 ‘Angewandte Chemie’ 게재

[사진 1. (왼쪽부터) 김병수 교수, 김태형 제1저자]

화학과 김병수 교수 연구팀은 친환경적 폴리이미드 유기 골격체 합성법을 개발했다. 본 연구는 지각에서 일어나는 수열 반응을 모사해 폴리이미드 유기 골격체를 합성하고 그 원리와 결정성 조절 메커니즘을 분석하고자 한 연구로, 폴리이미드 유기 골격체 연구에 있어 새로운 방향성을 제시했다.

유기 골격체(Covalent Organic Framework, COF)는 분자 간 공유결합의 형성과 분해의 반복을 통해 형성되는 다공성 결정체로, 다공성과 공유결합의 안정성으로 인해 다양한 분야에 적용 가능해 각광받고 있는 소재이다. 특히, 결합의 종류에 따라 다양한 형태의 골격체를 형성할 수 있는 장점을 가지고 있는데, 그중에서도 폴리이미드(Polyimide, PI) 유기 골격체는 높은 열적·화학적 안정성과 산화-환원 활성 특성을 가지고 있어 많이 연구되고 있는 물질이다. 

하지만 폴리이미드는 이미드 결합의 안정성으로 인해 골격체 형성이 상대적으로 어렵다는 단점이 있으며, 대부분의 합성법이 독성 유기 용매와 산 촉매를 사용하고 있어 환경적인 측면에서 문제가 존재한다.

[사진 2. 논문 대표 이미지]

김병수 교수팀은 지각에서 일어나는 수열 반응을 모사해 폴리이미드 유기 골격체를 친환경적인 방법인 물을 이용해 합성했으며, 수열 반응에서의 골격체 형성 원리를 검증했다. 수열 반응은 압력밥솥과 같이 고온·고압 조건에서 물이 유기 용매처럼 그 성질이 변하는 점을 이용하는 반응으로, 기존에는 결정성 무기물 합성에 주로 이용됐지만 최근 고분자를 포함해 유기물 합성에 활용되고 있는 친환경적 합성법이다.

실험에서는 두 종류의 아민 전구체를 사용해 폴리이미드 유기 골격체가 성공적으로 합성되는 것을 확인했다. 또한 그 과정에서 중간체의 용해도에 따라 유기 골격체의 결정성이 달라진다는 메커니즘을 제시했다. 분자 열역학 계산을 통해 용해도가 높은 경우에는 가장 안정한 적층형 구조를 형성하지만, 용해도가 낮은 경우에는 적층형 구조로 자랄 수 없고 침전 과정에서 물 분자가 방해해 엇갈린 구조로 자라게 된다는 것을 확인했다.

연구팀은 “본 연구를 통해 폴리이미드 유기골격체를 친환경적인 수열 합성법으로 세계 최초로 합성했으며, 그 과정에서 전구체에 따른 올리고머 중간체의 용해도가 유기 골격체의 결정성에 영향을 미치는 메커니즘을 정교하게 제시함으로써 추후 새로운 폴리이미드 유기 골격체를 개발함에 있어 친환경적인 방법으로 합성하는 것에 큰 도움을 줄 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구 결과는 독일화학회(Gesellschaft Deutscher Chemiker, GDCh)에서 발행하는 저명한 국제 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 10월 28일 온라인 게재됐다. 

논문정보

● 논문제목: Geomimetic Hydrothermal Synthesis of Polyimide-Based Covalent Organic Frameworks

● 논문주소: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202113780