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Aug 08, 2023

GTUB3는 최초의 미세다공성 금속입니다.

2022년 12월 14일 베를린 공과대학 베를린 공과대학 연구원들이 미세 다공성 MOF(금속-유기 골격) 화합물 종류에서 새로운 재료를 개발했습니다. 한편으로는 그러한

2022년 12월 14일

베를린 기술 대학교

TU Berlin의 연구원들은 미세다공성 금속-유기 골격(MOF) 화합물 종류에서 새로운 물질을 개발했습니다. 한편으로, 그러한 화합물은 수소, CO2 또는 독소와 같은 작은 분자와 가스를 저장할 수 있습니다. 반면에, 높은 기공 부피로 인해 표면적이 크다는 것은 기존 배터리보다 훨씬 빠르게 충전할 수 있는 슈퍼커패시터와 같은 전극용 재료로도 적합하다는 것을 의미합니다.

이 연구를 설명하는 연구는 Advanced Optical Materials 저널에 게재되었습니다.

현재까지의 문제는 대부분의 MOF가 매우 열악한 전기 전도체라는 것입니다. 연구진이 개발한 GTUB3이라는 새로운 물질은 우수한 전도체일 뿐만 아니라 화학적, 열적으로 매우 안정적입니다. 이 제품의 독특한 점은 광발광성(photoluminescent)이라는 점입니다. 즉, 빛을 받으면 빛을 발합니다. 결과적으로 광전자 응용 분야와 태양 전지에도 사용할 수 있습니다.

금속-유기 프레임워크(MOF)는 현대 화학에서 가장 흥미로운 재료 중 하나로 간주됩니다. 그들은 유기 분자에 직접 결합된 금속 원자로 구성됩니다. "과거에는 이러한 결정 구조를 미적 아름다움으로만 평가했습니다. 그 중 일부는 실제로 모로코 타일을 연상시킵니다."라고 TU Berlin 공정 과학 학부 III의 Gündoğ Yücesan 박사는 설명합니다. "오늘날 이를 흥미롭게 만드는 것은 미세 다공성 MOF를 이상적인 저장 매체로 만드는 많은 구멍과 반응을 촉진하는 넓은 표면입니다."

무엇보다도 이 물질 종류의 새로운 화합물은 분자의 모듈식 구조로 인해 매우 체계적인 방식으로 개발될 수 있습니다.

무기 건물 단위(IBU)는 긴 사슬 유기 지지대, 즉 링커를 통해 서로 연결됩니다. 이를 통해 대규모 기본 구조가 형성될 수 있으며, 그런 다음 층으로 반복되거나 빌딩 블록으로 쌓여 결정을 형성합니다.

이미 100,000개가 넘는 MOF가 있지만 이 연구 분야의 일부 영역에서는 아직 개발이 거의 이루어지지 않았습니다. 특히 지금까지 50개 미만인 인을 함유한 미세 다공성 MOF에 관해 Yücesan은 말했습니다.

"처음으로 알려진 인 MOF가 열적, 화학적으로 매우 안정적인 것으로 밝혀졌기 때문에 그들은 우리의 관심을 불러일으켰습니다." 이는 반응 중에 뜨거워지는 경우를 포함하여 전해질이나 산에서 장기간 견딜 수 있어야 하는 전극 재료에 이상적인 특성입니다.

주요 문제는 MOF가 일반적으로 절연체라는 것입니다. 즉, 전하 캐리어가 흐르기 위해 필요한 전극의 기본 특성이 좋지 않습니다. 이에 대응하여 2020년 Yücesan과 그의 팀은 다른 대학 및 연구 기관과 협력하여 더 높은 전도성을 가진 두 개의 미세 다공성 인 MOF인 "TUB75" 및 "TUB40"(TU Berlin 이름을 따서 명명)을 설계했습니다.

GTUB3의 탄생은 터키 게브제 기술대학교(Gebze Technical University)의 공헌을 기리는 기회를 제공했습니다. 포스폰산 외에도 새로운 화합물에는 금속 구리와 아연, 그리고 4개의 탄소 고리로 구성된 포르피린이 포함되어 있습니다. 이러한 모든 출발 물질은 저렴하고 대량으로 구입할 수 있으며 인간과 환경에 무독성입니다. 이전 두 제품과 달리 GTUB3 반도체는 세 공간 방향 모두에서 동일한 전도성을 가지며 최대 섭씨 400도까지 견딜 수 있습니다.

Yücesan은 버스와 기차는 물론 일부 자동차의 제동 에너지 회수 시 단기 전기 저장에 사용되는 것과 같은 슈퍼커패시터의 개선에서 GTUB3의 큰 잠재력을 보고 있습니다.

이러한 슈퍼커패시터는 전력 밀도가 매우 높아 기존 배터리보다 몇 배 더 빠르게 충전할 수 있는 전기화학적 에너지 저장 장치입니다. 그러나 같은 질량의 배터리보다 훨씬 적은 에너지를 저장합니다. GTUB3와 같은 새로운 전극 재료는 이러한 격차를 줄이기 위해 고안되었습니다. "새로운 화합물은 기판에 적용하기 위해 업계에서 자주 사용되는 박막 공정에도 적합합니다"라고 Yücesan은 설명합니다.