December 11,2019

대기 중에서 ‘물’ 만드는 다공성 물질

이산화탄소 포집해 유용 화학물질도 생성

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‘금속유기구조체(metal organic frameworks, MOF)’라는 물질이 있다. 금속 이온과 유기 분자가 연결되어 골격구조를 형성한 결정성 물질이다.

MOF는 물질 표면에 수많은 기공이 형성되어 있어 가스나 수분을 흡착할 수 있는 기능을 갖고 있다. 이런 특성을 바탕으로 최근 ‘물부족 문제’ 및 ‘기후변화 문제’를 해결해 줄 수 있는 핵심 소재로 떠오르고 있다.

MOF의 분자 구조와 흡착 개요 ⓒ Berkeley.edu

MOF의 분자 구조와 흡착 개요 ⓒ Berkeley.edu

 

다공성 물질인 MOF로 물 문제 해결

다공성의 MOF는 내부에 1∼100 nm 크기의 빈 공간을 갖고 있다. 이 공간에 수분이나 가스 등을 흡착하여 저장하거나 나중에 꺼내서 유용한 물질로 활용할 수 있다.

그렇다면 얼마나 많이 수분이나 가스를 저장할 수 있을까? 1g의 MOF가 갖고 있는 기공을 면적으로 환산하면, 가로 100m, 세로 100m 크기의 운동장을 덮을 수 있을 정도다.

특히 기공들이 포집한 수분이나 가스는 따로 분리해 고농도로 회수할 수 있고, 재가공하여 다른 물질로 변형시킬 수 있다. 때문에 관련 기술을 개발하기 위한 경쟁이 전 세계적으로 치열한 상황이다.

MOF를 이용한 수분 흡착 기술의 선두주자는 미 MIT대와 버클리대의 과학자들로 구성된 공동 연구진이다. 이들은 금속인 산화지르코늄(zirconium oxide)과 유기물인 퓨말레이트(fumarate)로 이루어져 있는 MOF를 새로 개발, 801이라는 모델 번호를 부여했다.

버클리대의 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수가 이끄는 공동 연구진은 MOF-801를 기반으로 한 수분포집기(water harvester)를 제작했다.

그 구조는 간단하다. MOF-801이 들어있는 판이 대기 중의 수분을 포집하고, 태양열을 이용하여 수분을 증발시키면 이를 응축기가 모아 물을 만들도록 설계되었다.

연구진은 제작한 수분포집기의 성능을 점검하기 위해 애리조나주의 사막에서 12시간 동안 테스트를 시행했다. 그 결과 1kg의 MOF-801가 탑재된 포집기에서 약 0.28L 정도의 물을 확보할 수 있었다.

1kg의 MOF로 0.25L 정도의 물을 포집할 수 있다 ⓒ Berkeley.edu

1kg의 MOF로 0.25L 정도의 물을 포집할 수 있다 ⓒ Berkeley.edu

아무리 건조한 사막이라도 공기 중에는 상당량의 물 분자가 기체 형태로 존재하고 있다. 이런 사실을 알고 있던 많은 과학자들이 오래 전부터 대기 중에서 물을 구하는 기술을 개발해 왔지만, 그 양이 너무 적다보니 실생활에서 적용하지는 못했다.

전기를 사용하여 수분을 응축하는 방식이라도 대기 중의 습도가 50% 이하면 효율이 급격하게 떨어지는 것이 일반적이다. 하지만 MOF를 사용한 수분 포집 방식은 습도가 20% 이하의 사막과 같은 지역이라도 얼마든지 물을 포집할 수 있다는 것이 야기 교수의 의견이다.

그는 “우리가 개발한 수분포집기의 구성요소는 MOF-801이 들어있는 판과 태양열 흡수판, 그리고 수분 응축기가 전부”라고 소개하며 “특히 전기 같은 외부 에너지가 필요 없기 때문에 햇빛이 비추는 곳이라면 어디서든지 활용할 수 있다”라고 강조했다.

문제는 경제성이다. MOF-801에 들어가는 지르코늄은 상당히 비싼 금속으로 알려져 있다.

전 세계에서 물 부족 문제에 시달리고 있는 사람들 대부분은 하루 먹고사는 것도 버거운 가난한 사람들이다. 수분포집기를 만들어도 이를 구매하기 어렵다는 의미다.

이 같은 문제에 대해 야기 교수는 “이미 보완방안이 마련되어 있다”라고 밝히며 “지르코늄이 아니라 값이 저렴한 알루미늄 기반의 새로운 MOF인 MOF-303을 만들었다”라고 밝혔다.

그는 “실험실에서 MOF-303을 테스트한 결과 MOF-801에 비해 150배나 더 저렴하면서도 효율은 2배나 높은 수분포집기를 만드는데 성공했다”라고 언급하며 “앞으로 하루에 MOF 1kg당 0.4L의 물을 만들어 내는 것도 가능해질 것으로 보인다”라고 전망했다.

박테리아에 MOF 코팅하여 유용 화학물질 생산

야기 교수는 버클리대 동료인 ‘페이동 양(Peidong Yang)’ 교수와 함께 MOF를 사용하여 대기 중의 이산화탄소를 포집한 다음, 이를 더 유용한 물질로 만드는 연구를 진행하고 있다.

MOF를 박테리아에 코팅하여 이산화탄소를 포집하도록 만든 다음, 이를 유용한 화학 물질로 만드는 기술이다. 이 기술은 식물의 광합성 시스템을 모방한 것으로서, 상용화된다면 향후 우주를 탐사할 때도 유용하게 사용될 것으로 기대를 모으고 있다.

MOF를 박테리아에 코팅하여 유용한 문질을 만들 수 있다 ⓒ Berkeley.edu

MOF를 박테리아에 코팅하여 유용한 문질을 만들 수 있다. ⓒ Berkeley.edu

연구진은 시스템의 실증시험을 위해 ‘모렐라서모아세티카(Morella thermoacetica)’라는 혐기성 세균을 실험대상으로 삼았다. 이 박테리아를 실험대상으로 삼은 이유는 이산화탄소를 아세트산으로 바꾸는데 특화되어 있기 때문이었다.

혐기성 세균이었지만 MOF를 코팅하자 박테리아는 호기성 공기에 노출되었는데도 5배나 오래 사는 놀라운 결과가 나타났다. MOF가 일종의 보호막이 되어 준 것이다. 더 놀라운 사실은 세포가 분열해도 코팅 상태는 그대로 유지된다는 점이었다.

이 같은 결과에 대해 페이동 양 교수는 “MOF로 코팅된 박테리아의 경제성 여부를 판단하기에는 이른감이 있지만, 열악한 환경에서도 유용물질을 만드는 시스템인 것만은 분명하다”라고 주장했다.

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