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[2021. 11. 11.] 연세대 김병수 교수팀, 친환경적 폴리이미드 유기 골격체 합성법 개발 2021.11.11

신촌 홍보팀

연세대 김병수 교수팀, 친환경적 폴리이미드 유기 골격체 합성법 개발

- 수열 반응에서 다공성 골격체 형성과 전구체에 따른 결정성 차이 원인 제시 -

- 세계적인 학술지 ‘Angewandte Chemie’ 게재 -

연세대학교 김병수 교수(화학과) 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.

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.

붙임 1. 연구자 증명사진 2장.

2. 논문 대표 이미지 1장.

논문 제목: Geomimetic Hydrothermal Synthesis of Polyimide-Based Covalent Organic Frameworks

(사진 설명)

사진 1. 김병수(지도교수)

사진 2. 김태형(제1저자)

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