2차원 고압 나노 반응기를 활용한 고체화학 반응의 새로운 길

- 2차원 소재 두 층 사이의 높은 반데르발스 압력 이용, 새로운 고체화학 반응 최초 발견

에너지학과 신현석 교수(IBS 이차원양자헤테로구조체연구단장) 연구팀이 2차원 소재 사이에 형성된 고압을 이용해 새로운 고체화학 반응을 발견했다. 이 연구는 복잡한 고압 장치 없이도 2차원 적층 구조만으로 고압 화학 반응을 유도할 수 있음을 보여준다.

연구팀은 그래핀이나 육방정계질화붕소(h-BN) 같은 2차원 소재의 두 층 사이에 형성된 반데르발스 힘이 최대 7GPa에 달하는 높은 압력을 만들어낸다는 사실을 밝혀냈다. 이 압력을 이용해 촉매 없이도 유기 화합물의 탈수소 고리화 반응(cyclodehydrogenation reaction)을 성공적으로 유도했다. 일반적으로 이 반응은 용액 상태에서 촉매와 산화제가 필요하지만, 이번 연구에서는 고체 상태에서도 반응이 가능함을 처음으로 증명한 것이다.

실험에서는 헥사페닐벤젠(HPB)을 그래핀 또는 h-BN 적층 구조 사이에 넣어, 탈수소 고리화 반응을 유도했다. 그 결과, HPB가 헥사벤조코로넨(HBC)으로 변환되는 것을 확인했으며, 이는 고체 상태에서의 유기 화학 반응의 새로운 가능성을 제시한 사례다. 또한, 도파민 분자를 반응물로 사용해 실험한 결과, 도파민 분자가 그래핀 사이에서 압력에 의해 평평해지면서 결정성 올리고머 중합체가 형성되는 새로운 반응을 확인했다. 일반적으로 용액에서 도파민을 중합할 경우 비정질 고분자가 형성되지만, 이번 연구에서는 층상 구조의 고분자가 만들어졌다.

▲ [연구그림] 2차원 고압 나노 반응기의 반응 모식도. 그래핀/반응물/그래핀, h-BN/반응물/h-BN 적층 구조 사이에 삽입된 HPB 분자의 고압 반응을 통한 HBC 분자로의 합성 및 구조 결과 (점선 라인 위) 및 삽입된 도파민 분자의 다 결정성 올리고도파민 분자로의 정렬 구조 결과 (점선 라인 아래).

신현석 교수는 “2차원 소재의 적층 구조가 고압 나노 반응기 역할을 함으로써, 새로운 고체화학 반응 경로를 열 수 있다”며, “특히 기존 고압 화학 반응에서 복잡한 장치 없이도 간단한 방법으로 고압을 구현할 수 있는 가능성을 제시했다”고 설명했다. 하지만 그는 “아직 대량 생산에 적용하기에는 한계가 있어 추가 연구가 필요하다”고 덧붙였다.

이번 연구는 울산과학기술원(UNIST) 이종훈(IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더), 민승규, 박영석 교수 연구팀 및 영국 캠브리지 대학교 매니쉬 초왈라 교수와 공동으로 진행되었으며, 세계적 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재되었다.

※ 논문명: Pressure enabled organic reactions via confinement between layers of 2D materials

※ 저널: Science Advances(IF: 11.7)

※ 논문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp9804