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금속 유기 골격체

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1. 개요

금속 유기 골격체(MOF)는 무기 금속 클러스터와 유기 분자(링커)로 구성된 하이브리드 재료로, 구조, 합성법, 명명법 등이 연구되고 있다. MOF는 높은 표면적, 조절 가능한 다공성, 다양한 금속 및 작용기를 활용하여 가스 저장 및 분리, 촉매, 생체 응용, 전기 촉매, 방사성 폐기물 처리 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 특히 수소 저장, 탄소 포집 및 저장, 약물 전달, 광발광, 전기 촉매, 센서, 멤브레인, 제습 분야에서 잠재력을 보이며, 멀티페로익스 물질로도 연구되고 있다.

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금속 유기 골격체
개요
금속-유기 골격체의 결정 구조 모델
금속-유기 골격체의 결정 구조 모델
일반 정보
유형다공성 물질
하위 유형배위 중합체
구성 요소금속 이온 또는 클러스터
유기 링커
구조1차원
2차원
3차원
특성높은 표면적
조절 가능한 기공 크기
결정성
열적 안정성
활용
응용 분야기체 저장
분리
촉매 작용
약물 전달
센서
추가 정보
관련 물질제올라이트
활성탄
공유 유기 골격체
역사 및 용어
명칭금속-유기 골격체 (MOF)
다공성 배위 중합체 (PCP)
IUPAC 정의금속 이온 또는 클러스터와 유기 링커로 구성된 무한 배위 중합체
관련 용어망상 화학 (retikular keomihak, reticular chemistry)
특성 및 설계
다공성높은 표면적과 조절 가능한 기공 크기를 가짐
구성 요소금속 이온/클러스터와 유기 링커의 조합
구조적 다양성다양한 금속과 링커 조합을 통해 다양한 구조 설계 가능
결정성대부분 결정성 구조를 가짐
비정질 MOF비정질 형태의 MOF도 존재함
열적/화학적 안정성다양한 조건에서 안정성을 나타냄
기능화특정 응용 분야에 맞게 기공 표면 기능화 가능
응용 분야
기체 저장수소
메탄
이산화탄소
분리기체 분리
액체 분리
촉매 작용균일 촉매
불균일 촉매
약물 전달제어 방출 시스템
센서화학 센서 및 바이오 센서
환경 정화수질 정화 및 대기 정화
합성
방법용매열 합성
수열 합성
전기화학적 합성
기계화학적 합성
스프레이 건조
마이크로파 합성
추가 정보
유사체제올라이트 이미다졸레이트 골격체 (ZIF)
공유 유기 골격체 (COF)

2. 구조

금속 유기 골격체(MOF)는 무기 금속 클러스터(2차 빌딩 유닛 또는 SBU라고도 함)와 유기 분자(링커)라는 두 가지 주요 구성 요소로 구성된다. 이러한 이유로 이 재료는 종종 하이브리드 유기-무기 재료라고 불린다.[4] 유기 단위는 일반적으로 단가, 이가, 삼가 또는 사가 리간드이다.[11] 금속과 링커의 선택은 MOF의 구조, 즉 특성을 결정한다. 예를 들어, 금속의 배위 선호도는 금속에 결합할 수 있는 리간드의 수와 방향을 결정하여 기공의 크기와 모양에 영향을 미친다.

차원에 따른 하이브리드 재료의 분류[12]
colspan="2" rowspan="2" |무기의 차원
0123
rowspan="4" |0분자 복합체하이브리드 무기 사슬하이브리드 무기 층3차원 무기 하이브리드
1사슬 배위 고분자혼합 무기-유기 층혼합 무기-유기 3차원 골격
2적층 배위 고분자혼합 무기-유기 3차원 골격
33차원 배위 고분자



금속 유기 골격체는 유기 배위자가 배위할 수 있는 방향이 규정된 금속 클러스터가 강직 유기 배위자로 가교되도록 착체 형성을 하면, 금속 원자들이 서로 유기 부위로 가교된 구조를 갖는 주기성이 높은 결정화합물이다. 활성탄이나 제올라이트에서는 세공 구조 및 비표면적을 정밀하게 제어하는 것이 어려웠지만, 금속 유기 골격체는 기존의 다공성 재료에 비해 특성이 우수할 뿐만 아니라 분자 설계를 배위 결합에 정밀하게 도입함으로써 세공 구조, 비표면적, 형태 등을 인위적으로 설계할 수 있으며, 매우 복잡한 구조체의 구축 및 고차 기능의 발현이 가능해지고 있다. 특히 금속 착체의 활용으로 유기 화합물과 무기 화합물의 경계를 넘어선 새로운 개념의 물질군 창출(다공성 재료, 나노 캡슐 등) 및 기존 방법으로는 합성이 어려웠던 메조 스케일 물질군(2~50 nm 정도)의 정밀 구축도 가능해지고 있다.[226]

2. 1. MOF의 명명법

MOF의 구조를 설명하고 정리하기 위해 명명법 시스템이 개발되었다. MOF의 서브유닛은 2차 빌딩 유닛(SBU)이라고 하며, 여러 구조에 공통적인 위상으로 설명할 수 있다. 각 위상, 즉 망은 굵은 글씨의 세 개의 소문자로 구성된 기호가 할당된다. 예를 들어, MOF-5는 '''pcu''' 망을 가지고 있다.[12]

SBU에는 브릿징 리간드가 부착된다. MOF의 경우 일반적인 브릿징 리간드는 이염기성 및 삼염기성 카르복실산이다. 이러한 리간드는 일반적으로 강성 골격을 가지고 있다. 예를 들어, 벤젠-1,4-디카르복실산(BDC 또는 테레프탈산), 바이페닐-4,4'-디카르복실산(BPDC) 및 삼카르복실산 트리메식산이 있다.

SBU는 종종 아세트산 아연의 기본 구조에서 파생되며, 아세테이트는 강성 이카르복실산 및 삼카르복실산으로 대체된다.

2. 2. 일반적인 브릿징 리간드

MOF의 일반적인 브릿징 리간드는 이염기성 및 삼염기성 카복실산이다. 이러한 리간드는 일반적으로 강성 골격을 가지고 있다. 예를 들어, 벤젠-1,4-디카복실산(BDC 또는 테레프탈산), 바이페닐-4,4'-디카복실산(BPDC) 및 삼카복실산 트리메식산이 있다.[4]

3. 합성

금속 유기 골격체는 유기 배위자가 배위할 수 있는 방향이 규정된 금속 클러스터와 강직 유기 배위자의 착체 형성을 통해 금속 원자들이 서로 유기 부위로 가교된 구조를 갖는 주기성이 높은 결정화합물이다. 활성탄이나 제올라이트와 같은 기존의 다공성 재료는 세공 구조 및 비표면적을 정밀하게 제어하기 어려웠지만, 금속 유기 골격체는 분자 설계를 배위 결합에 정밀하게 도입하여 세공 구조, 비표면적, 형태 등을 인위적으로 설계할 수 있다. 또한, 금속 착체를 활용하여 유기 화합물과 무기 화합물의 경계를 넘어선 새로운 개념의 물질군(다공성 재료, 나노 캡슐 등) 및 기존 방법으로는 합성이 어려웠던 메조 스케일 물질군(2~50 nm 정도)의 정밀 구축도 가능하다.[226]

3. 1. 일반적인 합성법

금속 유기 골격체(MOF) 연구는 배위화학 및 고체 무기 화학에서 시작되었지만, 새로운 분야로 발전했다. MOF는 합성 과정에서 손상되지 않고 유지되는 가교 유기 리간드로 구성된다.[13] MOF에서 골격체는 SBU(2차 빌딩 유닛)와 유기 리간드에 의해 주형된다.[14][15] 기체 저장을 위한 MOF에 유용한 주형 접근법은 ''N'',''N''-디에틸포름아미드 및 물과 같은 금속 결합 용매를 사용하는 것이다. 이러한 경우, 용매가 제거되면 금속 부위가 노출되어 수소가 이러한 부위에 결합할 수 있다.[16]

MOF 화학 발전에 특히 중요한 4가지 발전은 다음과 같다.[17]

번호내용
(1)금속 함유 유닛을 견고한 형태로 유지하는 기하학적 구조 원리. 초기 MOF는 이중배위 리간드에 연결된 단일 원자를 포함했다. 이 접근 방식은 설계된 합성에 적용할 수 있는 소수의 선호하는 토폴로지를 식별했을 뿐만 아니라 영구적인 다공성을 달성하는 데 중심적인 역할을 했다.
(2)토폴로지를 변경하지 않고 구조의 크기와 특성이 변하는 등축원리의 사용은 초고 다공성과 비정상적으로 큰 기공 개구를 가진 MOF로 이어졌다.
(3)MOF의 후합성 변형은 유기 단위체와 금속-유기 복합체를 링커와 반응시켜 기능을 향상시켰다.
(4)다기능 MOF는 단일 골격체에 여러 기능을 통합했다.



MOF의 리간드는 일반적으로 가역적으로 결합하기 때문에, 결정의 느린 성장은 종종 결함이 재용해되어 밀리미터 규모의 결정과 평형에 가까운 결함 밀도를 가진 물질을 생성할 수 있다. 용매열 합성은 구조 결정에 적합한 결정을 성장시키는 데 유용하며, 결정은 수 시간에서 수일에 걸쳐 성장한다. 그러나 MOF를 소비재 저장 물질로 사용하는 것은 합성에 대한 엄청난 규모 확대를 요구한다. MOF의 규모 확대는 널리 연구되지 않았지만, 여러 그룹에서 마이크로파를 사용하여 용액에서 MOF 결정을 빠르게 핵형성할 수 있음을 시연했다.[18][19] "마이크로파 보조 용매열 합성"이라고 하는 이 기술은 제올라이트 문헌에서 널리 사용되며,[13] 수 초에서 수 분 만에 마이크론 규모의 결정을 생성하며,[18][19] 느린 성장 방법과 유사한 수율을 보인다.

다공성 MIL-100(Fe)과 같은 일부 MOF는[20] 실온 및 친환경 용매 (물, 에탄올)에서 확장 가능한 합성 방법을 통해 온화한 조건에서 얻을 수 있다.

결정성 MOF의 용매가 없는 합성이 설명되었다.[21] 일반적으로 금속 아세테이트와 유기 전리간드를 혼합하여 볼 밀로 분쇄한다. Cu3(BTC)2는 이러한 방식으로 정량적인 수율로 빠르게 합성할 수 있다. Cu3(BTC)2의 경우, 용매가 없는 합성된 생성물의 형태는 산업적으로 제조된 Basolite C300과 동일했다. 볼 밀의 높은 충돌 에너지로 인해 성분의 국소적인 용융이 반응을 돕는 것으로 생각된다. 볼 밀에서 반응의 부산물로 아세트산이 생성되는 것은 볼 밀에서 용매 효과[22]를 갖는 반응을 돕는 데 기여할 수도 있다. Cu3(BTC)2의 기계화학적 합성을 위해 소량의 에탄올을 첨가하면 얻어진 물질의 구조적 결함의 양이 상당히 감소하는 것으로 나타났다.[23]

MOF 필름 및 복합체의 용매가 없는 제조에 대한 최근 발전은 화학 기상 증착에 의한 합성이다. 이 공정(MOF-CVD)[24]은 ZIF-8에 대해 처음 시연되었으며 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계에서는 금속 산화물 전구체 층을 증착한다. 두 번째 단계에서는 이러한 전구체 층을 승화된 리간드 분자에 노출시켜 MOF 결정 격자로의 상 변환을 유도한다. 이 반응 중에 물이 생성되는 것은 변환을 지시하는 데 중요한 역할을 한다. 이 공정은 산업용 마이크로 제작 표준을 준수하여 통합된 클린룸 공정으로 성공적으로 확장되었다.[25]

배향된 박막으로 MOF를 성장시키는 다양한 방법이 보고되었다. 그러나 이러한 방법은 소수의 MOF 토폴로지의 합성에만 적합하다. 그러한 예는 여러 UiO형 MOF의 박막 합성에 사용할 수 있는 증기 보조 변환(VAC)이다.[26]

가상형 광물 치환 현상은 광물 상이 평형 상태가 아닌 유체와 접촉할 때 발생한다. 재평형은 자유 에너지를 줄이고 초기 상을 열역학적으로 더 안정적인 상으로 변환하여 용해 및 재침전 하위 과정을 포함하는 경향이 있다.[31][32]

이러한 지질학적 과정에서 영감을 받아, MOF 박막은 적절한 기판(예: FTO)에 원자층 증착 (ALD)으로 산화 알루미늄을 증착하고, 후속 용매열 마이크로파 합성을 조합하여 성장시킬 수 있다. 산화 알루미늄 층은 구조 지향제와 MOF 구조의 골격을 위한 금속 공급원 역할을 한다.[33] 다공성 3D 금속-유기 골격체의 구축은 마이크로파 합성 중에 일어나며, 원자층 증착된 기판이 승온된 온도에서 DMF/H2O 3:1 혼합물(v/v)에서 필요한 링커 용액에 노출된다. 이와 유사하게, Kornienko와 동료들은 2015년에 수성 를 CO로 전기 촉매 변환하기 위해 구축된 최초의 MOF 촉매인 코발트-포르피린 MOF (Al2(OH)2TCPP-Co; TCPP-H2=4,4,4,4‴-(porphyrin-5,10,15,20-tetrayl)tetrabenzoate)의 합성을 설명했다.[34]

3. 2. 고속 합성 (High-throughput synthesis)

고속 처리(HT) 방법은 조합 화학의 일부이며 효율성을 높이는 도구이다. HT 방법 내에는 두 가지 합성 전략이 있다. 조합 접근 방식에서는 모든 반응이 하나의 용기에서 일어나 생성물 혼합물을 생성한다. 병렬 합성은 반응이 서로 다른 용기에서 일어난다. 또한 박막 방법과 용매 기반 방법 간의 구별이 있다.[27]

용매열 합성은 대류 오븐의 테플론 반응기 또는 마이크로파 오븐의 유리 반응기(고속 처리 마이크로파 합성)에서 기존 방식으로 수행할 수 있다. 마이크로파 오븐을 사용하면 반응 매개변수가 부분적으로 크게 변경된다.

용매열 합성 외에도 연속 흐름 반응기에서 초임계 유체를 용매로 사용하는 방법이 발전했다. 초임계수는 2012년에 구리 및 니켈 기반 MOF를 단 몇 초 만에 합성하는 데 처음 사용되었다.[28] 2020년에는 초임계 이산화탄소가 초임계수 기반 방법과 동일한 시간 척도로 연속 흐름 반응기에서 사용되었지만, 이산화탄소의 낮은 임계점으로 인해 지르코늄 기반 MOF인 UiO-66을 합성할 수 있었다.[29]

고속 용매열 합성은 (예: 24개의 테플론 반응기 구멍이 있는) 용매열 반응기를 사용한다. 이러한 반응기는 때때로 멀티클라브라고 불린다. 반응기 블록 또는 반응기 삽입물은 스테인리스강으로 제작되며 4열로 배열된 24개의 반응 챔버를 포함한다. 소형화된 테플론 반응기를 사용하면 최대 2ml 부피까지 사용할 수 있다. 반응기 블록은 스테인리스강 오토클레이브에 밀봉된다. 이를 위해 채워진 반응기를 반응기 바닥에 삽입하고, 테플론 반응기는 두 개의 테플론 필름으로 밀봉하며, 반응기 상단 측면을 덮는다. 그런 다음 오토클레이브는 유압 프레스에서 닫힌다. 밀봉된 용매열 반응기는 온도-시간 프로그램에 적용될 수 있다. 재사용 가능한 테플론 필름은 기계적 스트레스를 견디는 데 사용되며, 일회용 테플론 필름은 반응 용기를 밀봉한다. 반응 후, 생성물은 진공 필터 장치에서 병렬로 분리 및 세척할 수 있다. 필터 용지에서 생성물은 소위 샘플 라이브러리에 개별적으로 존재하며, 이후 자동화된 X선 분말 회절을 통해 특성화될 수 있다. 얻어진 정보는 추가 합성을 계획하는 데 사용된다.[30]

3. 3. 후합성 변형 (Post-synthetic modification)

이론적으로는 노드와 유기 연결 그룹을 적절히 선택하여 기공의 3차원 구조와 내부 환경을 제어할 수 있지만, 금속 유기 골격체(MOF) 시스템의 높은 민감성 때문에 원하는 기능을 가진 재료를 직접 합성하는 것은 어려울 수 있다. 열 및 화학적 민감성, 그리고 반응 물질의 높은 반응성은 원하는 생성물을 형성하는 것을 어렵게 만들 수 있다. 게스트 분자 및 반대 이온의 교환과 용매의 제거는 추가적인 기능을 허용하지만, 여전히 골격의 필수 부분으로 제한된다.[35] 유기 연결체와 금속 이온의 후합성 교환은 이 분야에서 확장되는 영역이며, 보다 복잡한 구조, 증가된 기능, 그리고 더 큰 시스템 제어의 가능성을 열어준다.[35][36]

사후 합성 수정 기법은 리간드 교환 또는 부분 리간드 교환을 통해 기존에 제작된 금속 유기 골격체(MOF)의 유기 연결 그룹을 새로운 연결체로 교환하는 데 사용될 수 있다.[36][37] 이러한 교환을 통해 다공성, 경우에 따라 MOF의 전체 골격을 특정 목적에 맞게 조정할 수 있다. 이러한 용도 중 일부는 선택적 흡착, 기체 저장 및 촉매 작용을 위해 물질을 미세 조정하는 것을 포함한다.[36][16] 리간드 교환을 수행하기 위해 미리 제작된 MOF 결정을 용매로 세척한 다음 새로운 연결체의 용액에 담근다. 교환에는 종종 열이 필요하며 며칠에 걸쳐 발생한다.[37] 사후 합성 리간드 교환을 통해 온도, pH 또는 기타 반응 조건으로 인해 MOF 합성이 생존하지 못하거나, 대여 리간드의 공여체 그룹과의 경쟁으로 인해 합성 자체를 방해하는 작용기를 MOF에 통합할 수도 있다.[36]

후합성 변형 기술은 또한 금속 이온 교환을 통해 조립된 MOF 내의 기존 금속 이온을 새로운 금속 이온으로 교환하는 데 사용될 수 있다. 프레임워크의 완전한 금속 메타테시스는 MOF의 프레임워크 또는 기공 구조를 변경하지 않고 달성되었다. 후합성 리간드 교환과 유사하게, 후합성 금속 교환은 조립된 MOF 결정을 용매로 세척한 다음 새로운 금속 용액에 결정을 담가 수행한다.[38] 후합성 금속 교환을 통해 동일한 프레임워크를 가지면서도 금속 이온이 다른 MOF를 간단하게 형성할 수 있다.[35]

MOF의 리간드와 금속 자체의 기능 수정 외에도, 후합성 변형을 사용하여 MOF의 구조를 확장할 수 있다. 후합성 변형을 사용하면 MOF를 고도로 정렬된 결정질 물질에서 불균일한 다공성 물질로 변환할 수 있다.[39] 후합성 기술을 사용하면 독특한 구조적 및 기능적 특성을 나타내는 도메인을 MOF 결정 내에 제어하여 설치하는 것이 가능하다. 코어-쉘 MOF 및 기타 적층 MOF가 제조되었으며, 여기서 층은 고유한 기능화를 가지지만 대부분의 경우 층 간에 결정학적으로 호환된다.[40]

일부 경우에 금속 유기 골격체(MOF)의 금속 노드는 불포화된 환경을 가지며, 다양한 기술을 사용하여 이 환경을 수정하는 것이 가능하다. 리간드의 크기가 기공의 크기와 일치하는 경우, 기존 MOF 구조에 추가 리간드를 설치할 수 있다.[41][42] 때때로 금속 노드는 무기 종에 대한 좋은 결합 친화성을 갖는다. 예를 들어, 금속 노드가 확장을 수행하여 우라닐 양이온과 결합을 형성할 수 있음이 밝혀졌다.[43]

4. 응용

금속 유기 골격체(MOF)는 높은 표면적, 조절 가능한 다공성, 금속 및 작용기의 다양성으로 인해 불균일 촉매로서 큰 잠재력을 가지고 있지만, 아직 상업화되지는 않았다.[46] MOF는 제올라이트보다 다양한 배위 기하학과 리간드를 가질 수 있으며, 온화한 합성 조건 덕분에 섬세한 작용기를 골격 구조에 직접 통합할 수 있다는 장점이 있다.

MIL-101은 전이 금속을 포함하는 촉매 작용에 많이 사용되는 MOF 중 하나이지만,[48] 일부 MOF 광촉매는 수성 매질 및 강한 산화 조건에서 안정성이 낮다는 단점이 있다.[49][50]

MOF는 비대칭 합성에 활용될 수 있으며, 반도체 제작에도 유용할 수 있다. 또한, 다른 불균일 촉매에 비해 반응 후 분리 및 재활용이 용이하고, 향상된 촉매 안정성을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

MOF 기반 촉매 작용의 초기 예시로는 Cd(4,4'-bpy)2(NO3)2에 의한 알데히드 시아노실릴화,[51] Pd(II) 이온을 포함한 2D MOF에 의한 알코올 산화, 올레핀 수소화, 스즈키 C-C 커플링,[52] MOF-5에 의한 프리델-크래프츠 tert-부틸화 반응[53] 등이 있다.

[Cu3(btc)2(H2O)3] (HKUST-1)는 루이스 산 자리를 통해 벤즈알데히드 또는 아세톤의 시아노실릴화를 촉매할 수 있으며,[55] MIL-101[56] 역시 시아노실릴화 촉매로 사용될 수 있다.

MOF는 Fe(포르피린)[58], Mn(포르피린)[59] 시스템에 의한 산화 촉매작용에도 활용될 수 있으며,[60] 아미노산과 디피리딜을 사용한 니켈, 구리 함유 MOF는 에폭사이드 고리 열림 반응을 촉진한다.[61]

키타가와 연구팀의 MOF는 벤즈알데히드와 말론나이트릴의 Knoevenagel 축합을 염기 촉매화할 수 있으며,[69] 페레이 연구팀은 MIL-101을 개질하여 Knoevenagel 축합 반응의 브뢴스테드 염기성 촉매로 사용했다.[73] 김기문 연구팀의 POST-1은 트랜스에스테르화 반응을 촉매한다.[62]

MOF 구조 내 금속은 루이스 산으로 작용하여 유기 기질을 활성화할 수 있으며,[63] 기능성 링커 또한 촉매 부위로 활용될 수 있다.[69] MOF의 불포화 금속 부위에 작용기를 그래프팅하여 귀금속을 포획할 수도 있다.[73]

MOF는 기공 크기와 형태를 조절할 수 있어 광화학 반응 및 중합 반응에도 유용하며,[76] 호모키랄 MOF를 구성하는 다양한 전략이 존재한다.

일부 MOF는 효소와 유사한 특성을 보이며,[89] 광촉매 작용 부위로 사용될 수 있다. 이론적으로 MOF는 밴드갭을 조절할 수 있는 반도체 또는 절연체이다.[98]

MOF는 높은 표면적과 원자 금속 부위를 특징으로 전기 촉매에도 적합하며,[153] 물 전기분해, 이산화탄소 환원, 산소 환원 반응 등에 활용될 수 있다.

MOF는 광발광을 이용한 생물학적 이미징 및 감지,[159] 약물 전달,[178] 방사성 오염 문제 해결,[43][169] 전도성 박막, 반도체 등 전자 재료,[186] 탄소 포집 및 저장, 담수화 및 수처리, 공기 중 수분 포집, 실온 냉각, 강유전체 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 연구되고 있다.

4. 1. 가스 저장 및 분리

분자 수소는 모든 연료 중에서 가장 높은 비에너지를 가지고 있다. 그러나 수소 가스를 압축하지 않으면 부피 에너지 밀도가 매우 낮으므로, 수소의 운송 및 저장은 에너지 집약적인 압축 및 액화 공정을 필요로 한다.[121][122][123] 따라서 실용적인 부피 에너지 밀도에 필요한 압력을 줄이는 새로운 수소 저장 방법의 개발은 활발한 연구 분야이다.[121] 금속 유기 골격체(MOF)는 높은 비표면적과 표면 대 부피 비율, 그리고 화학적으로 조절 가능한 구조로 인해 흡착 수소 저장 재료로 주목받고 있다.[44]

MOF-177


빈 가스 실린더와 비교하여 MOF가 채워진 가스 실린더는 주어진 압력에서 더 많은 수소를 저장할 수 있는데, 이는 수소 분자가 MOF 표면에 흡착되기 때문이다. 또한, MOF는 데드 볼륨이 없으므로 접근할 수 없는 부피에 의한 공간 차단으로 인한 저장 용량 손실이 거의 없다.[11] 수소 흡수는 주로 물리 흡착에 기반하기 때문에 많은 MOF는 완전히 가역적인 흡수-방출 거동을 보인다. 흡착된 수소를 방출할 때 큰 활성화 장벽이 필요하지 않다.[11] MOF의 저장 용량은 수소가 기체 상태일 경우에만 MOF가 제공하는 이점을 실현할 수 있기 때문에 수소의 액체상 밀도에 의해 제한된다.[11]

가스가 MOF 표면에 흡착되는 정도는 가스의 온도와 압력에 따라 달라진다. 일반적으로 흡착은 온도가 감소하고 압력이 증가함에 따라 증가한다 (최대값에 도달할 때까지, 일반적으로 20-30 bar, 그 후 흡착 용량이 감소한다).[11][44][123] 그러나 수소 저장에 사용될 MOF는 자동차 연료 전지에서 자동차 적용에 안전하다고 간주되는 값인 1~100 bar 사이의 주변 온도 및 압력에서 효율적으로 작동해야 한다.[44]

미국 에너지부(DOE)는 경량 연료 전지 차량용 온보드 수소 저장에 대한 연간 기술 시스템 목표 목록을 발표했다 (2017년까지 5.5 wt %/40 g L−1; 최종 7.5 wt %/70 g L−1).[124] MOF와 같이 다공성이 높고 표면적이 큰 물질은 이러한 목표를 달성하기 위해 설계 및 합성되었다. 이러한 흡착성 물질은 일반적으로 분자 수소의 큰 HOMO-LUMO 갭과 낮은 HOMO 에너지 준위로 인해 화학 흡착보다는 물리 흡착을 통해 작동한다. 이를 위한 벤치마크 물질은 MOF-177로, 77 K 및 70 bar에서 7.5 wt %의 수소를 저장하고 부피 용량은 32 g L−1인 것으로 밝혀졌다.[125] MOF-177은 1,3,5-벤젠트리벤조산 유기 링커로 상호 연결된 [Zn4O]6+ 클러스터로 구성되어 있으며, 측정된 BET 표면적은 4630 m2 g−1이다. 또 다른 예시 물질은 35 bar 및 77 K에서 6.24 wt % 및 42.5 g L−1, 대기압에서 2.25 wt %의 수소 흡수를 나타내는 PCN-61이다.[126] PCN-61은 5,5,5-벤젠-1,3,5-트리일트리스(1-에티닐-2-이소프탈레이트) 유기 링커를 통해 연결된 [Cu2]4+ 패들휠 유닛으로 구성되어 있으며, 측정된 BET 표면적은 3000 m2 g−1이다. 이러한 유망한 MOF 예시에도 불구하고 실용적인 수소 저장에 가장 높은 성능을 보이는 합성 다공성 물질의 종류는 활성탄과 공유 유기 골격체(COF)이다.[127]

실용적인 수소 저장용 금속 유기 골격체 (MOF)의 적용은 몇 가지 과제에 직면해 있다. 실온 근처에서 수소 흡착을 위해서는 수소 결합 에너지를 상당히 증가시켜야 한다.[44] 여러 종류의 MOF가 연구되었는데, 여기에는 카복실산염 기반 MOF, 헤테로고리 아졸레이트 기반 MOF, 금속-시안 MOF 및 공유 유기 골격체가 포함된다.

카복실산염 기반 MOF는 다음과 같은 이유로 가장 많은 주목을 받았다.

# 상업적으로 이용 가능하거나 쉽게 합성할 수 있다.

# 높은 산도(pKa ~ 4)를 가지고 있어 용이한 ''in situ'' 탈양성자화가 가능하다.

# 금속-카복실산염 결합 형성이 가역적이어서 잘 정렬된 결정성 MOF의 형성을 촉진한다.

# 카복실산염 그룹의 가교 이치환체 배위 능력은 골격 연결성이 높고 용매를 기공에서 제거하는 데 필요한 조건 하에서 MOF 구조를 유지하는 데 필요한 강한 금속-리간드 결합을 선호한다.[44]

카복실산염 기반 골격체에 사용되는 가장 일반적인 전이 금속은 Cu2+와 Zn2+이다. 가벼운 주족 금속 이온도 연구되었다. 최초로 성공적으로 합성되고 구조적으로 특징지어진 MOF인 Be12(OH)12(BTB)4는 높은 수소 저장 능력을 보이지만 실용적으로 사용하기에는 독성이 너무 강하다.[128] Mg4(BDC)3의 마그네슘과 같은 다른 가벼운 주족 금속 이온으로 구성된 MOF를 개발하기 위한 상당한 노력이 진행되고 있다.[44]

2012년 5월 현재 수소 저장에 가장 적합한 특성을 가진 것으로 간주되는 MOF
이름화학식구조수소 저장 능력비고
MOF-210[129]Zn4O(BTE)(BPDC), 여기서 BTE3−=4,4,4-[벤젠-1,3,5-트라이일-트리스(에타인-2,1-디일)]트리벤조에이트이고 BPDC2−=바이페닐-4,4-디카복실레이트77 K에서: 80 bar에서 8.6 초과 wt% (총 17.6 wt%).
80 bar 및 77 K에서 44 총 g H2/L.[129]
298 K에서: 298 K 및 100 bar에서 2.90 전달 wt% (1–100 bar).
MOF-200[129]Zn4O(BBC)2, 여기서 BBC3−=4,4,4-[벤젠-1,3,5-트라이일-트리스(벤젠-4,1-디일)]트리벤조에이트77 K에서: 80 bar에서 7.4 초과 wt% (총 16.3 wt%).
80 bar 및 77 K에서 36 총 g H2/L.[129]
298 K에서: 298 K 및 100 bar에서 3.24 전달 wt% (1–100 bar).
MOF-177[130]Zn4O(BTB)2, 여기서 BTB3−=1,3,5-벤젠트리벤조에이트사면체 [Zn4O]6+ 단위는 크고 삼각형 모양의 삼카복실레이트 리간드로 연결되어 있다. 지름이 10.8Å인 6개의 다이아몬드 모양 채널은 모이어티가 겹쳐진 BTB3−를 포함하는 기공을 둘러싸고 있다.77 K 및 40 bar에서 7.1 wt%; 78 bar 및 77 K에서 11.4 wt%.MOF-177은 더 큰 기공을 가지고 있으므로 수소가 표면에 흡착되기보다는 구멍 안에 압축된다. 이로 인해 MOF-5에 비해 총 중량 흡수량은 높지만 부피 저장 밀도는 낮다.[44]
MOF-5[131]Zn4O(BDC)3, 여기서 BDC2−=1,4-벤젠디카복실레이트사각형 개구부는 방향족 고리의 방향에 따라 13.8 또는 9.2Å이다.77 K 및 40 bar에서 7.1 wt%; 100 bar에서 10 wt%; 부피 저장 밀도 66 g/L.MOF-5는 MOF 표면의 부분 전하로 인해 이론가들로부터 많은 주목을 받았는데, 이는 쌍극자 유도 분자 간 상호 작용을 통해 수소 결합을 강화하는 수단을 제공하기 때문이다. 그러나 MOF-5는 실온에서 성능이 좋지 않다(100 bar에서 9.1 g/L).[44]
Mn3[(Mn4Cl)3(BTT)8]2, 여기서 H3BTT=벤젠-1,3,5-트리스(1H-테트라졸)[132]잘린 팔면체 케이지로 구성되어 정사각형 면을 공유하여 지름이 약 10Å인 기공을 형성한다. 열린 Mn2+ 배위 부위를 포함한다.77 K 및 90 bar에서 60 g/L; 298 K 및 90 bar에서 12.1 g/L.이 MOF는 열린 금속 배위 부위가 수소 흡착 강도를 증가시켜 298 K에서 성능을 향상시키는 최초의 시연이다. 이는 스핀 상태 변화 또는 고전적인 쿨롱 인력으로 인해 비교적 강한 금속-수소 상호 작용을 갖는다.[44]
Cu3(BTC)2(H2O)3, 여기서 H3BTC=1,3,5-벤젠트리카복실산[133]팔면체 케이지로 구성되어 패들휠 단위를 공유하여 지름이 약 9.8Å인 기공을 정의한다.높은 수소 흡수는 여러 구리 패들휠 단위의 중첩된 매력적인 전위에서 기인한다. 각 Cu(II) 중심은 축 위치에 결합된 말단 용매 리간드를 잠재적으로 잃어 수소 결합을 위한 열린 배위 부위를 제공할 수 있다.[44]



흡착은 표면에 충돌하는 원자 또는 분자를 가두는 과정이며, 따라서 물질의 흡착 용량은 표면적에 따라 증가한다. 3차원에서 최대 표면적은 고도로 다공성인 구조에 의해 얻어지며, 원자와 분자가 내부 표면에 접근할 수 있다.

흡착은 크게 물리 흡착과 화학 흡착의 두 가지 유형으로 분류될 수 있다. 물리 흡착은 약한 반 데르 발스 상호 작용으로 특징지어지며, 결합 엔탈피는 일반적으로 20 kJ/mol 미만이다. 반대로 화학 흡착은 더 강한 공유 결합이온 결합으로 정의되며, 결합 엔탈피는 250~500 kJ/mol이다. 두 경우 모두, 피착물 원자 또는 분자 (즉, 표면에 부착되는 입자)는 표면에서 점유되지 않은 결합 위치로 인해 발생하는 표면 에너지 때문에 흡착제(고체) 표면에 끌린다. 그런 다음 궤도 중첩 정도가 상호 작용이 물리 흡착 또는 화학 흡착이 될지 결정한다.[146]

MOF에서 분자 수소의 흡착은 물리 흡착이다. 분자 수소는 전자가 두 개뿐이므로 분산력은 약하며, 일반적으로 4~7 kJ/mol이며 298 K 미만의 온도에서 흡착에만 충분하다.[44]

금속 유기 골격체의 수소 저장 특성을 평가하기 위해 중량법과 체적법이 사용된다. 총 수소량을 구하기 위해서는 표면에 흡착된 수소량과 기공 내에 존재하는 수소량을 모두 고려해야 한다. 절대 흡착량(''N''abs)은 표면 초과 흡착량(''N''ex)에 수소의 벌크 밀도(ρbulk)와 금속 유기 골격체의 기공 부피(''V''pore)의 곱을 더하여 계산한다.[149]

: N_{\rm abs}=N_{\rm ex} + \rho_{\rm bulk} V_{\rm pore}

수소의 가역적 저장을 위해 사용할 수 있는 6가지 방법이 있으며, 부피 및 중량 밀도가 높다. 다음 표에 요약되어 있다. (여기서 은 중량 밀도, 는 부피 밀도, ''T''는 작동 온도, ''P''는 작동 압력이다.):[152]

저장 방법 (질량%) (kg H2/m3)T (°C)P (bar)비고
고압 가스 실린더13<4025800경량 복합 실린더에 압축된 H2 가스
극저온 탱크에 액체 수소크기에 따라 다름70.8−2521액체 H2; 25 °C에서 하루에 몇 퍼센트의 H2가 지속적으로 손실됨
흡착된 수소~220−80100물질에 대한 H2의 물리적 흡착
호스트 금속의 간극 부위에 흡착~2150251원자 수소가 호스트 금속에 가역적으로 흡착됨
복합 화합물<18150>1001복합 화합물 ([AlH4] 또는 [BH4]); 승온에서 탈착, 고압에서 흡착
금속 및 복합물과 물 함께<40>150251금속의 물과의 화학적 산화 및 H2 방출



이 중 고압 가스 실린더와 극저온 탱크의 액체 수소는 수소 가스 저장을 위해 매우 ''높은'' 압력이 필요하거나 수소 액체 저장을 위해 매우 ''낮은'' 온도가 필요하기 때문에 연료 목적으로 수소를 저장하는 가장 실용적이지 않은 방법이다. 나머지 방법은 모두 광범위하게 연구 및 개발되고 있다.[152]

MOF의 작고 조절 가능한 기공 크기와 높은 공극률은 CO2를 포집하는 흡착제로서 유망하다.[196] MOF는 석탄 화력 발전소에서 CO2를 포집하는 데 있어 전통적인 아민 용매 기반 방법에 대한 보다 효율적인 대안을 제공할 수 있다.[197]

MOF는 석탄 화력 발전소에 대한 주요 세 가지 탄소 포집 구성, 즉 연소 전, 연소 후 및 산소 연소 각각에 사용될 수 있다.[198] 연소 후 구성은 기존 발전소에 개조할 수 있는 유일한 구성으로, 가장 많은 관심과 연구를 받고 있다. 배기가스는 충전층 반응기 설비에서 MOF를 통해 공급된다. 배기가스는 일반적으로 40~60 °C이며 CO2의 분압은 0.13 – 0.16 bar이다. CO2는 물리 흡착 ( 반 데르 발스 힘을 통해) 또는 화학 흡착 ( 공유 결합 형성을 통해)을 통해 MOF 표면에 결합될 수 있다.[199]

MOF가 포화되면 온도 변화 또는 압력 변화를 통해 CO2가 MOF에서 추출된다. 이 과정을 재생이라고 한다. 온도 변화 재생에서 MOF는 CO2가 탈착될 때까지 가열된다. 아민 공정과 비교 가능한 작동 용량을 달성하려면 MOF를 약 200 °C까지 가열해야 한다. 압력 변화에서는 CO2가 탈착될 때까지 압력이 감소한다.[200]

또 다른 관련 MOF 특성은 낮은 열용량이다. 선도적인 포집 방법인 모노에탄올아민 (MEA) 용액은 대부분 물이기 때문에 3~4 J/(g⋅K)의 열용량을 갖는다. 이 높은 열용량은 용매 재생 단계, 즉 흡착된 CO2가 MEA 용액에서 제거될 때 에너지 손실의 원인이 된다. CO2 포집을 위해 설계된 MOF-177은 실온에서 0.5 J/(g⋅K)의 열용량을 갖는다.[198]

MOF는 진공 압력 변화 공정을 사용하여 CO2의 90%를 흡착한다. MOF Mg(dobdc)는 21.7 wt%의 CO2 로딩 용량을 갖는다. 대규모 발전소에 적용하면 에너지 비용이 65% 증가하는 반면, 미국의 NETL 기준 아민 기반 시스템은 81% 증가할 것이다 (목표는 35%). 포집 비용은 톤당 57달러인 반면, 아민 시스템의 비용은 톤당 72달러로 추정된다. 이러한 비율로 580 MW 발전소에서 이러한 프로젝트를 구현하는 데 필요한 자본은 3.54억달러가 될 것이다.[201]

MOF는 또한 흡착[209] 또는 기체 돌파/확산[210] 특성을 활용한 계산 고속 스크리닝을 통해 낮은 에너지 비용으로 기체를 분리하는 데 매우 효과적인 매개체로 예측된다. 한 예로 KAUST-7로도 알려진 NbOFFIVE-1-Ni는 거의 100% 선택도로 프로판과 프로필렌을 확산을 통해 분리할 수 있다.[211]

4. 2. 촉매

금속 유기 골격체(MOF)는 불균일 촉매로서 잠재력이 크지만, 아직 상업화되지는 않았다.[46] 높은 표면적, 조절 가능한 다공성, 금속 및 작용기의 다양성은 MOF를 촉매로 사용하기에 특히 매력적으로 만든다. 제올라이트는 촉매 작용에 매우 유용하지만,[47] 그 구조적 한계 때문에 200개 미만의 종류만 알려져 있다. 반면, MOF는 더 다양한 배위 기하학, 다원자 링커 및 부가적인 리간드를 가질 수 있다. 또한, 제올라이트는 1 nm보다 큰 기공을 얻기 어려워, 비교적 작은 유기 분자에만 응용이 제한된다. MOF 합성은 온화한 조건에서 이루어지기 때문에 섬세한 작용기를 골격 구조에 직접 통합할 수 있다. 이는 제올라이트 합성에 사용되는 가혹한 조건에서는 불가능하다.

MIL-101은 다양한 전이 금속을 포함하는 촉매 작용에 가장 많이 사용되는 MOF 중 하나이다.[48] 그러나 일부 MOF 광촉매는 수성 매질 및 강한 산화 조건에서 안정성이 낮다.[49][50]

제올라이트는 거울상 이성질체 순수한 형태로 얻을 수 없어, 비대칭 합성에 적용할 수 없다. 그러나 키랄 리간드 또는 금속 복합체를 MOF에 통합하면 효율적인 비대칭 촉매를 생성할 수 있다. 일부 MOF는 분리된 다핵 사이트, 동적 호스트-게스트 반응 및 소수성 공동 환경을 결합하여 제올라이트효소 사이의 간극을 메울 수 있다. MOF는 반도체 제작에도 유용할 수 있으며, 이론적 계산에 따르면 리간드의 공액 정도를 변경하여 1.0 ~ 5.5 eV 사이의 밴드갭을 가진 반도체 또는 절연체가 될 수 있어 광촉매 가능성을 시사한다.

MOF-5의 예시


제올라이트 촉매의 예시


다른 불균일 촉매와 마찬가지로, MOF는 균일 촉매보다 반응 후 분리 및 재활용이 더 용이하고, 향상된 촉매 안정성을 제공할 수 있다. 또한, 기질 크기 선택성을 제공하지만, 이는 비생물 촉매 작용에서는 가치가 제한적이다.

MOF 기반 촉매 작용의 초기 보고 중 하나는 Cd(4,4'-bpy)2(NO3)2의 2D MOF에 의한 알데히드의 시아노실릴화였다.[51] 두 번째 예는 Pd(II) 이온을 노드로 하는 2D MOF로, 알코올 산화, 올레핀 수소화 및 스즈키 C-C 커플링을 촉매한다.[52] MOF-5는 톨루엔바이페닐의 프리델-크래프츠 tert-부틸화 반응을 촉매하며, 파라 알킬화가 오르토 알킬화보다 선호된다.[53]

[Cu3(btc)2(H2O)3] (HKUST-1)는 벤즈알데히드 또는 아세톤의 시아노실릴화를 촉매할 수 있는 루이스 산 자리를 가지고 있다. HKUST-1의 무수 형태는 산 촉매이며,[55] 브뢴스테드 및 루이스 산 촉매 경로를 비교했을 때, [Cu3(btc)2]가 주로 루이스 산 촉매로 기능함을 알 수 있다. 시클로프로판화와 같은 반응의 생성물 선택성 및 수율은 결함 부위에 의해 영향을 받는다.[23]

MIL-101은 시아노실릴화 촉매이며,[56] 배위된 물 분자를 제거하면 Cr(III) 자리가 노출된다. MIL-101은 HKUST-1보다 활성이 높고, 촉매 부위가 벤즈알데히드에 의한 환원에 면역이다. Long과 동료들은 Mn3[(Mn4Cl)3BTT8(CH3OH)10] MOF를 사용하여 방향족 알데히드의 루이스 산 촉매 시아노실릴화를 수행했다.[57] 이 촉매는 높은 전환 수율과 우수한 기질 크기 선택성을 보인다.

MOF 캡슐화 접근 방식은 Fe(포르피린)[58]Mn(포르피린)[59] 시스템에 의한 산화 촉매작용과 비교할 수 있다. 이 방법은 포르피린을 옥소-브릿지된 이량체 형성과 산화적 분해로부터 분리하고 안정화하는 유망한 방법이다.[60]

Rosseinsky와 동료들은 아미노산과 디피리딜을 사용한 니켈구리 함유 MOF를 합성했다.[61] 니켈 기반 화합물은 약간 다공성이며, 구리 버전은 다공성이다. 카복실산은 브뢴스테드 산성 촉매로 작용하여 에폭사이드의 고리 열림 메탄올 분해를 촉진한다.

키타가와와 동료들은 [Cd(4-BTAPA)2(NO3)2] MOF를 보고했다.[69] 이 MOF는 아미드 기능을 가지며, 벤즈알데히드와 말론나이트릴의 Knoevenagel 축합을 염기 촉매화할 수 있다. 그러나 더 큰 니트릴과의 반응은 가속화되지 않아, 촉매 작용이 채널 내부에서 발생함을 의미한다.

페레이와 동료들은 에틸렌디아민 분자를 Cr(III)에 배위시켜 MIL-101 내부를 수정했다.[73] 에틸렌디아민의 자유 말단은 Knoevenagel 축합을 위한 브뢴스테드 염기성 촉매로 사용되었다.

김기문과 동료들은 피리딘 작용기를 갖는 타르타르산 유도체와 Zn(II) 소스를 사용하여 POST-1을 합성했다.[62] 비배위 피리딜 그룹은 트랜스에스테르화 반응을 촉매한다.

MOF 촉매 작용의 개략도


MOF 구조 내 금속은 종종 루이스 산으로 작용한다. 불포화 금속 중심의 루이스 산성은 유기 기질을 활성화하여 유기 변환을 가능하게 한다. Fujita와 동료들은 알데히드 및 이민의 시아노실릴화에서 이를 입증했다.[63] {[Cd(4,4'-bpy)2(H2O)2] • (NO3)2 • 4H2O} MOF의 Cd(II) 중심은 물 분자 제거 후 루이스 산성을 띤다. Kaskel과 동료들은[64] 3D MOF [Cu3(btc)2(H2O)3] (HKUST-1)를 사용하여 유사한 반응을 수행했다. 그러나 이 전략은 골격 분해, 용매 억제 효과, 골격 불안정성 등의 문제점을 겪는다. 다른 그룹들도 MOF 내 금속 중심을 촉매로 사용하는 것을 보고했다.[57][66] Mori와 동료들은[67] Cu2 패들 휠 단위를 알코올 산화 촉매로 사용하는 MOF를 보고했다. Hill 등은[68] 바나듐-옥소 클러스터를 기반으로 한 MOF를 사용하여 티오에테르의 설폭시화를 시연했다.

기능성 링커는 촉매 부위로도 활용될 수 있다. {[Cd(4-BTAPA)2(NO3)2] • 6H2O • 2DMF} MOF는 Knoevenagel 축합 반응을 촉매한다.[69] Ferey 등은[70] 에틸렌다이아민 (ED)을 Cr(III) 부위에 접합한 MOF를 보고했다. ED의 비배위 말단은 염기 촉매 부위 역할을 할 수 있다. 링커 변형의 또 다른 예는 다이올의 촉매 산화를 위한 요오도 작용기를 가진 Al 및 Zr 기반 MOF이다.[71][72]

MOF의 불포화 금속 부위에 작용기를 그래프팅하여 귀금속을 포획할 수 있다. 에틸렌디아민(ED)은 Cr 금속 부위에 그래프팅될 수 있으며, Pd를 캡슐화하도록 추가 변형될 수 있다.[73] 포획된 Pd는 Heck 반응에서 촉매 활성을 보인다. 루테늄 나노입자는 MOF-5 골격 내에 포획될 때 다양한 반응에서 촉매 활성을 나타낸다.[74] 결함이 있는 HKUST-1 골격 내에 삽입된 Pd 나노입자는 루이스 염기 부위 생성을 가능하게 한다.[75]

MOF는 기공 크기와 형태를 조절할 수 있어 광화학 반응 및 중합 반응에 유용하다. Li와 동료들은 {[Co(bpdc)3(bpy)] • 4DMF • H2O} MOF를 합성했다.[76] 이 MOF를 사용하여 ''o''-메틸 디벤질 케톤의 광화학 반응을 연구했다. MOF는 제한된 공간에서 중합 반응을 연구하는 데 사용되어 왔다. 스티렌, 디비닐벤젠, 치환된 아세틸렌, 메틸 메타크릴레이트, 비닐 아세테이트는 키타가와와 동료들에 의해 라디칼 중합을 위한 단량체로 연구되었다.[77][78]

호모키랄 MOF를 구성하는 전략에는 비대칭 링커 리간드로부터 자기 분해, 결정 성장 과정 제어, 키랄 보조 리간드 도입, 키랄 양이온을 갖는 이온성 액체 사용 등이 있다.

키랄 MOF는 린(Lin)과 동료들이 키랄 리간드 BINAP와 BINOL을 사용하여 만들었다.[84] 링커 리간드의 길이를 변경하여 MOF의 다공성 및 골격 구조를 조절할 수 있다.

린(Lin)과 연구진은 MOF의 후처리 과정을 통해 에난티오 선택적 호모키랄 MOF를 생산할 수 있음을 보였다.[85] MOF의 촉매 활성은 골격 구조에 따라 달라질 수 있다.[86]

활성 촉매 또는 전구촉매인 키랄 금속 복합체를 골격 구조에 직접 통합하는 방법도 있다. Hupp와 공동 연구자들은[87] 키랄 리간드와 bpdc를 결합하여 3차원 네트워크를 얻었다. Lin과 공동 연구자들은[88] Ru-BINAP 시스템을 보고했다.

일부 MOF 물질은 효소의 특성을 닮을 수 있다.[89] MOF 구조의 다공성 채널은 광촉매 작용 부위로 사용될 수 있다. 이론적 계산에 따르면 MOF는 1.0에서 5.5 eV 사이의 밴드 갭을 갖는 반도체 또는 절연체이다.[98] 항염증 치료를 위해 통합된 MOF 나노자임이 개발되었다.[100]

MOF는 높은 표면적과 원자 금속 부위를 특징으로 하여, 전기 촉매에 적합하다. MOF는 물 전기분해, 이산화탄소 환원 및 산소 환원 반응의 전기 촉매로 사용되어 왔다.[153] MOF를 전구체로 사용하거나 직접 전기 촉매로 사용할 수 있다.[154][155][156] 그러나 일부 MOF는 전기화학적 환경에서 안정적이지 않다.[157] MOF의 전기화학적 변환은 실제 촉매 물질을 생성할 수 있다.[158]

MOF의 작고 조절 가능한 기공 크기와 높은 공극률은 CO2를 포집하는 흡착제로서 유망하다.[196] MOF는 아민 용매 기반 방법에 대한 효율적인 대안을 제공할 수 있다.[197] MOF는 연소 전, 연소 후 및 산소 연소 탄소 포집에 사용될 수 있다.[198] 배기가스는 MOF를 통해 공급되며, CO2는 물리 흡착 또는 화학 흡착을 통해 MOF 표면에 결합된다.[199] MOF가 포화되면 온도 또는 압력 변화를 통해 CO2가 추출된다.[200] MOF는 낮은 열용량을 갖는다. CO2 포집을 위해 설계된 MOF-177은 실온에서 0.5 J/(g⋅K)의 열용량을 갖는다.[198] MOF는 진공 압력 변화 공정을 사용하여 CO2의 90%를 흡착한다. Mg(dobdc)는 21.7 wt%의 CO2 로딩 용량을 갖는다. 대규모 적용 시 에너지 비용이 65% 증가하는 반면, 아민 기반 시스템은 81% 증가한다.[201] 포집 비용은 톤당 57달러로 추정된다.

프로필렌옥사이드가 로딩된 MOF는 촉매로 작용하여, CO2를 고리형 탄산염으로 전환하거나 바이오가스에서 탄소를 제거할 수 있다.[202] 이 MOF는 란타넘족을 기반으로 하여 화학적 안정성을 제공한다. 트리아미노구아니디늄 기반 POF와 Zn/POF는 환경 정화 및 생물 의학적 응용 분야를 위한 다기능 재료이다.[203]

4. 3. 생체 응용

촉매로 사용되는 금속 유기 골격체(MOF)는 대부분 금속 이온이나 원자를 활성 부위로 사용하지만, 니켈구리를 포함하는 MOF는 예외적으로 아미노산과 디피리딜을 스트럿으로 사용한다.[61] 이 MOF에서 아스파르트산카복실산은 브뢴스테드 산성 촉매 역할을 하여 에폭사이드 고리 열림 반응을 촉진한다.

키타가와 연구팀은 카드뮴 이온과 피리딜 질소, 아미드 기능기를 포함하는 촉매 MOF를 합성했다.[69] 이 MOF는 벤즈알데히드와 말론나이트릴의 Knoevenagel 축합 반응을 염기 촉매화하며, MOF 구조가 촉매 활성을 유도한다.

페레이 연구팀은 Cr(III)에 에틸렌디아민을 배위시켜 MIL-101을 개질하고, 자유 비배위 말단을 Knoevenagel 축합 반응의 브뢴스테드 염기성 촉매로 사용했다.[73]

김기문 연구팀은 피리딘 작용기를 갖는 타르타르산 유도체와 Zn(II)을 사용하여 POST-1이라는 2D MOF를 합성했다.[62] POST-1의 비배위 피리딜 그룹은 트랜스에스테르화 반응을 촉매한다.

일부 MOF는 효소의 특성을 닮을 수 있는데,[89] 이는 다핵 사이트, 동적 호스트-게스트 반응, 소수성 공동 환경 때문이다. MOF의 다공성 채널은 광촉매 작용 부위로 사용될 수 있으며, 링커의 공액 정도를 조절하여 밴드갭을 조절할 수 있다.[98]

MOF-76 결정. 산소, 탄소, 란타넘 원자는 각각 적갈색, 검은색, 파란색 구체로 표시됨. 금속 노드 연결성(파란색 다면체), 무한 로드 SBU, MOF-76의 3D 표현이 포함됨.


MOF는 광발광을 통한 생물학적 이미징 및 감지에 응용될 수 있다. 특히 란타넘족 원소를 포함하는 발광 MOF는 이미징 분야에 이상적인 특성을 갖는다.[159] 란타넘족 방출은 "안테나 효과"를 통해 간접적으로 감작될 수 있다.[160] MOF-76은 란타넘족 방출을 효과적으로 감작하는 예시이다.[161]

생물학적 이미징을 위해서는 나노 스케일 MOF 합성과 적절한 흡수 및 방출 파장 조절이 필요하다. 후합성 개질(PSM)은 흡수 파장을 적색 편이시키는 유망한 전략이다.[167] MOF를 사용한 생물학적 이미징은 여러 연구 그룹에서 실현되었다.[168]

저독성, 생체 적합성 MOF는 약물 관련 연구에서 의료 분야에 잠재력을 보인다. 다양한 약물 방출 유도 방법이 존재한다.[178]

2010년, 스말도네(Smaldone) 연구팀은 식용 천연물에서 CD-MOF-1이라는 생체 적합성 MOF를 합성했다.[179] CD-MOF-1은 사이클로덱스트린 고리로 구성되어 약물 분자와 포함 복합체를 생성할 수 있다.[180] 2017년, 하트립(Hartlieb) 연구팀은 CD-MOF-1에 이부프로펜을 캡슐화하는 연구를 수행하여 생체 이용률을 높였다.[181]

이후 여러 연구팀이 수용성, 생체 적합성 MOF를 사용한 약물 전달 연구를 수행했다.[182] 2018년, 사라 로하스(Sara Rojas) 연구팀은 모의 피부 투여를 통해 다양한 생체 적합성 MOF에서 이부프로펜아스피린의 로딩 및 방출을 연구했다.[183]

최근 연구는 이부프로펜아스피린 외에도 항종양 연구 등 다양한 분야로 확장되고 있다. 2018년, 첸(Chen) 연구팀은 MOF를 사용하여 항종양제의 방출을 조절하는 연구 결과를 발표했다.[185]

생체 분자는 MOF 결정화 과정 중에 통합될 수 있으며, 효소는 가혹한 조건에서도 안정성과 활성을 유지할 수 있다.[195]

MOF는 가스 흡착, 분리, 촉매, 센서 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.[226]

4. 4. 기타 응용

금속 유기 골격체(MOF)는 가스 흡착(수소, 메탄, 이산화탄소 등), 분자 및 이온의 선택적 저장 및 분리(이성질체 분리, p-자일렌, m-자일렌, 에틸벤젠 등), 고체 촉매(산화 반응, 부가 반응, 수소화 반응 등), 서방 방출, 격리, 수송, 나노 합성 용기, 연료 전지의 전해질센서 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.[226]

대부분의 MOF 기반 촉매는 활성 부위로 금속 이온 또는 원자를 사용하지만, Rosseinsky와 동료들이 합성한 니켈구리 함유 MOF처럼 예외적인 경우도 있다. 이 화합물은 아미노산(L- 또는 D-아스파르트산)과 디피리딜을 스트럿으로 사용하며, 아스파르트산카복실산은 브뢴스테드 산성 촉매로 작용하여 에폭사이드의 고리 열림 메탄올 분해를 촉진한다.[61]

키타가와와 동료들은 카드뮴 이온을 포함한 촉매 MOF를 합성했는데, 이 물질은 게스트 접근 가능한 아미드 기능이 있어 벤즈알데히드와 말론나이트릴의 Knoevenagel 축합을 염기 촉매화할 수 있다.[69] 페레이와 동료들은 Cr(III)을 에틸렌디아민 분자에 배위시켜 MIL-101 내부를 수정했고, 에틸렌디아민의 자유 비배위 말단은 벤즈알데히드와 니트릴의 Knoevenagel 축합을 위한 브뢴스테드 염기성 촉매로 사용되었다.[73] 김기문과 동료들은 피리딘 작용기를 갖는 타르타르산 유도체와 Zn(II)을 사용하여 POST-1이라는 2D MOF를 합성했으며, 비배위 피리딜 그룹은 트랜스에스테르화 반응을 촉매한다.[62]

MOF를 산업에 적용하기 위해서는 기계적 특성에 대한 이해가 필수적이다. MOF는 압축 하중에서 비정질화, 과충전, 압력 유도 상전이 등의 과정을 거친다.[101] 제올라이트 이미다졸레이트 골격체(ZIF)는 기계적 특성 연구가 많이 진행된 MOF 중 하나이며,[102] 카르복실레이트 MOF, 지르코늄 기반 MOF 등도 연구가 진행되고 있다.

MOF는 방사성 오염 문제 해결에도 활용될 수 있다. 악티나이드 격리 및 분리가 가능한 MOF는 원자력 폐기물 분야에서 유망한 물질이다.[43][169] 또한, MOF는 전도성 박막, 반도체, 광 검출 장치 등 전자 재료 분야에도 응용될 수 있다.[186][187][188][189][190][191]

탄소 포집 및 저장, 담수화 및 수처리, 공기 중 수분 포집, 실온 냉각, 강유전체 등 다양한 분야에서 MOF의 활용 가능성이 연구되고 있다.

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