성균관대 화학과 장종산 교수(화학과 학연교수, 한국화학연구원 연구위원)는 최근에 하이브리드 나노세공체 소재에서의 질소의 선택적 배위에 대한 새로운 개념과 초저온 냉각에너지를 절감할 수 있는 질소 함유 혼합기체의 에너지 절약형 흡착분리 기술을 개발하여 '네이처 머티리얼즈 (Nature Materials, IF=38.891)’지에 속보 형태의 논문(doi:10.1038/nmat4825)을 게재하였다.

질소는 대기 중에 가장 흔한 기체로서 공기, 천연가스, 셰일가스, 바이오가스, 제철 부생가스 등의 혼합 기체에 광범위하게 포함되어 있다. 자연계에서는 뿌리혹 박테리아의 효소가 전이금속 활성성분을 이용하여 공기 중의 질소를 이용하여 암모니아를 생산하고 식물에게 제공하여 자연계의 중요한 질소 순환 과정을 이끌어준다. 또한 공기로부터 산소 제조, 천연가스 액화, 도시가스 메탄의 제조 등 질소 제거 분리 정제 기술은 가스 산업은 물론 해양 조선업에서 매우 중요한 분야로 알려져 있다. 그러나 흡착분리나 막분리 등 다른 분리기술들은 아직까지 흡착제나 분리막 소재의 성능이 미흡하여 사용되지 못하고 있고 그 대신에 에너지 소비가 과다함에도 불구하고 상압 기준 –161℃ 이하의 초저온 증류법이 산업적으로 널리 사용되고 있다.

질소가 함유된 공기에서 산소를 정제하거나 천연가스에서 메탄을 정제하는데 소모되는 초저온 냉각 에너지를 절약하기 위해서는 선택적인 질소 흡착제와 이를 이용한 상온의 흡착분리 기술의 개발이 필요하다. 그러나 질소의 비활성 특성 때문에 효과적인 질소 흡착제를 개발하는 것은 매우 어렵고 오랫동안 학문적으로 뿐만 아니라 기술적으로도 중요한 도전 과제로 알려져 있다.

장종산 교수 연구팀은 질소 고정화 효소의 전이금속 이온에 의한 질소 배위 개념을 흡착제 설계에 적용하여 하이브리드 나노세공체의 3가 크롬이온의 결합 빈자리(또는 불포화배위자리)가 질소 분자를 선택적으로 배위할 수 있으며, 질소/메탄 및 질소/산소 분리에 효과가 있다는 것을 최초로 발견하였다. 또한 하이브리드 나노세공체의 골격 구조 내 불포화배위자리의 3가 크롬 이온과 질소 분자와의 역결합 상호작용에 의해 질소 흡착량을 증가시키고 산소 및 메탄보다 질소에 대해 훨씬 더 선택적으로 흡착한다는 것을 분자 전산모사 및 분광 분석을 통해 입증하였다. 이러한 개념은 산업적으로는 기체분리용 에너지 절약형 흡착제, 기체 분리 및 정제용 멤브레인 등의 소재, 액화천연가스 생산을 위한 해양 조선업과 산업용 분리공정에 활용될 수 있고, 기술적으로는 다양한 질소 함유 혼합기체의 질소 분리제거용 흡착제와 질소 고정화를 위한 생체모방형 촉매의 설계에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.