(Schematic image of CO2 reduction using a MOF-coated BaTiO3 piezocatalyst. Credit: Yoshifumi Kondo, Tohru Sekino)
금속유기골격체(MOF, Metal-Organic Frameworks)는 금속 이온과 유기 분자가 결합해 내부가 텅 빈 나노 크기의 구멍을 이루는 다공성 신소재로 내부 표면적이 매우 커 기제 포집이나 촉매 등으로 특이하고 유용한 성질을 많이 가지고 있습니다. 그리고 금속과 유기물의 종류를 바꿔 여러 가지 형태의 MOF를 만들 수 있습니다.
과학자들은 MOF를 활용한 촉매를 통해 현재 심각한 문제가 되고 있는 이산화탄소를 더 유용한 물질로 만드는 연구를 진행 중입니다. 지금까지 이 분야에서 많은 발전이 있었지만, 아직도 효율성과 비용 문제를 해결하기 위해서는 많은 추가 연구가 필요한 상황입니다.
오사카 대학 연구팀은 MOF 촉매에 또 다른 기술을 적용해 이산화탄소(CO₂)를 중요한 화학 원료인 일산화탄소(CO)로 전환하는 촉매를 개발했습니다. 일산화탄소는 이산화탄소와 별로 달라 보이지 않을 수 있지만, 산소 원자 하나가 없어진 것 만으로도 반응성이 매우 좋아져 여러 물질을 합성할 수 있습니다.
연구팀은 촉매 가운데서도 압전촉매(piezocatalyst)인 티탄산바륨(BaTiO₃)을 선택했습니다. 이 촉매는 초음파 진동을 받으면 물속의 전하를 분리시켜 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 역할을 합니다. 하지만 이산화탄소가 물에 잘 녹는 것 같아도 최적의 반응을 위한 농도에는 턱없이 미치지 못합니다. 따라서 압전촉매에 의해 생긴 전자는 대부분 반응에 쓰이지 못하고 낭비됩니다.
연구팀은 BaTiO₃ 나노큐브 표면에 소수성 MOF인 ZIF-8을 얇게 코팅했습니다. ZIF-8은 다공성 구조로 CO₂를 잘 흡착·농축하는 성질이 있고, 물이 잘 스며들지 않는 소수성입니다. MOF는 CO₂ 분자를 끌어모아 촉매 표면 근처, 특히 활성 부위 주변에 CO₂ 농도를 크게 높입니다. 이를 통해 반응을 촉진하기 때문에 이것만으로도 반응 속도를 두 배로 높일 수 있습니다.
하지만 그럼에도 여전히 최적 반응에는 부족하기 때문에 연구팀은 MOF 안에 구리 원자를 넣어 환원 반응을 촉진했습니다. 그러면 초음파 진동하에서 반응 속도가 5배 정도 빨라집니다. 연구팀에 따르면 코어-쉘 촉매인 Cu-ZIF-8/BT(구리, ZIF-8, BaTiO₃)는 Cu 반응 부위 근처에 CO₂를 집중시키고 압전 효과로 유도된 전자가 이 부위로 이동하는 것을 촉진합니다.
테스트 결과 초음파 진동을 주면 Cu-ZIF-8/BT는 114 μmol g⁻¹ h⁻¹의 속도로 일산화탄소를 생성했습니다. 순수한 BaTiO₃ 는 동일 조건에서 24 μmol g⁻¹ h⁻¹ 의 속도로 일산화탄소를 생성했습니다. 구리를 첨가하지 않았을 때 속도는 56 μmol g⁻¹ h⁻¹ 정도였습니다.
여전히 상업화를 위해서 갈길이 멀긴 하지만 이산화탄소를 유용한 물질로 합성하기 위한 첫 단계인 일산화탄소 변환은 계속해서 진전을 보이고 있습니다. 앞으로 상업화가 가능할지 주목됩니다.
참고
Jing Cao et al, Unlocking Enhanced Piezocatalytic CO 2 Reduction on BaTiO 3 via Cu Single Atoms within a Hydrophobic Metal−Organic Framework Shell, ACS Catalysis (2026). DOI: 10.1021/acscatal.6c02044
https://phys.org/news/2026-08-mof-coated-catalyst-faster-ultrasonic.html
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