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클라스레이트 화합물

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목차

1. 개요

클라스레이트는 다양한 분야에서 연구되는 화합물로, 기체 저장, 기체 생산, 기체 분리, 담수화, 열전 재료, 태양 전지, 배터리 등에 활용된다. 클라스레이트는 게스트 분자를 포함하는 호스트 골격을 특징으로 하며, 열전 장치에 사용되는 A8B16X30 조성을 갖는 화합물은 포논 유리 전자 결정 설계를 따른다. 메탄 클라스레이트는 물에서 수소 결합 골격을 가지며, 영구 동토층과 해양 해저에 메탄이 얼어 있는 형태로 존재한다. 호프만 클라스레이트는 작은 방향족 게스트와 결정화되며, 금속 유기 골격(MOF)도 클라스레이트를 형성한다. 메탄 하이드레이트, 멜라노플로자이트, 지바석 등이 클라스레이트의 예시이다.

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클라스레이트 화합물
일반 정보
유형화학 물질
구조격자 구조 내에 분자를 가두거나 포함하는 화합물
화학식M·nH (M은 주 host 분자, H는 guest 분자, n은 분수)
다른 이름포접 화합물
클라스레이트 화합물 (영어식 발음)
성질
형성 조건적절한 크기의 공간을 가진 결정 구조 및 게스트 분자와 호스트 분자 간의 약한 상호 작용 필요
안정성게스트 분자가 격자 내에 갇혀 있어 안정화되지만, 온도나 압력 변화에 따라 불안정해질 수 있음
게스트 분자기체 (예: 메탄, 이산화 탄소)
액체 (예: 물)
할로젠
희가스
호스트 분자물 (수화물 형태)
유기 분자 (예: 페놀, 사이클로덱스트린)
제올라이트
활용
에너지메탄 하이드레이트 형태의 클라스레이트는 미래 에너지원으로 주목받음
분리 및 저장특정 분자를 선택적으로 가두어 분리하거나 저장하는 데 사용
촉매특정 반응에 대한 촉매로 사용
약물 전달약물을 클라스레이트 내에 봉입하여 안정성을 높이고 제어 방출을 가능하게 함
역사
발견1810년, 험프리 데이비에 의해 발견
명명1949년, H. M. 파월에 의해 명명 (라틴어 "clatratus"에서 유래, "격자로 둘러싸인" 의미)
관련 용어
유사 용어포접 화합물
격자 화합물
관련 화합물메탄 하이드레이트
수화물
제올라이트

2. 클라스레이트의 예시 및 활용



클라스레이트는 기체 저장, 기체 생산, 기체 분리, 담수화, 열전 재료, 태양 전지, 배터리 등 다양한 분야에서 연구되어 왔다.

''A''8''B''16''X''30의 조성을 갖는 클라스레이트 화합물은 열전 장치에 대해 연구되어 왔으며, 여기서 ''A''는 알칼리 토금속, ''B''는 붕소족 원소, ''X''는 탄소족 원소이다. 열전 재료는 ''포논 유리 전자 결정''이라는 설계 전략을 따른다.[6][7] 낮은 열전도율과 높은 전기 전도율은 제베크 효과를 생성하는 데 필요하다. 게스트와 호스트 골격이 적절하게 조절되면 클라스레이트는 낮은 열전도율, 즉 ''포논 유리'' 거동을 보일 수 있으며, 호스트 골격을 통한 전기 전도도는 방해받지 않아 클라스레이트가 ''전자 결정''을 나타낼 수 있다.

메탄 클라스레이트는 물에서 기여하는 수소 결합 골격과 메탄의 게스트 분자를 특징으로 한다. 이 형태의 많은 양의 메탄이 영구 동토층 형성 및 해양 해저에 자연적으로 얼어 있다.[8] 다른 수소 결합 네트워크는 하이드로퀴논, 요소, 티오요소에서 파생된다. 많이 연구된 호스트 분자는 다이닌 화합물이다.

Cd(CN)2·CCl4: 시안화 카드뮴 클라스레이트 골격(파란색)은 사염화 탄소 (C 원자는 회색, 불규칙한 Cl 위치는 녹색)를 게스트로 포함한다.


호프만 클라스레이트는 Ni(CN)4·Ni(NH3)2(arene)의 조성을 갖는 배위 고분자이다. 이 재료는 작은 방향족 게스트(벤젠, 특정 자일렌)와 결정화되며, 이러한 선택성은 이러한 탄화수소의 분리를 위해 상업적으로 이용되어 왔다.[2] 금속 유기 골격 (MOF)은 클라스레이트를 형성한다.

MOF-5, 금속 유기 골격의 예: 노란색 구는 게스트 공동을 나타낸다.


예를 들어, 메탄 하이드레이트(물 분자 사이에 메탄 분자가 들어간 고체) 등이 있다. 천연 가스 하이드레이트 중의 물 분자를 규소와 산소로 치환한 구조에 상당하는 광물 (멜라노플로자이트/멜라노플로자이트영어, 지바석[9])도 확인되었다.

2. 1. 메탄 하이드레이트



메탄 클라스레이트는 물에서 기여하는 수소 결합 골격과 메탄의 게스트 분자를 특징으로 한다. 이 형태의 많은 양의 메탄이 영구 동토층 형성 및 해양 해저에 자연적으로 얼어 있다.[8]

예를 들어, 메탄 하이드레이트(물 분자 사이에 메탄 분자가 들어간 고체) 등이 있다. 천연 가스 하이드레이트 중의 물 분자를 규소와 산소로 치환한 구조에 상당하는 광물 (멜라노플로자이트/멜라노플로자이트영어, 지바석[9])도 확인되었다.

2. 1. 1. 천연 가스 하이드레이트

예를 들어, 메탄 하이드레이트(물 분자 사이에 메탄 분자가 들어간 고체) 등이 있다. 천연 가스 하이드레이트 중의 물 분자를 규소와 산소로 치환한 구조에 상당하는 광물 (멜라노플로자이트/멜라노플로자이트영어, 지바석[9])도 확인되었다.

2. 1. 2. 멜라노플로자이트 및 지바석

예를 들어, 메탄 하이드레이트(물 분자 사이에 메탄 분자가 들어간 고체) 등이 있다. 천연 가스 하이드레이트 중의 물 분자를 규소와 산소로 치환한 구조에 상당하는 광물 (멜라노플로자이트/멜라노플로자이트영어, 지바석[9])도 확인되었다.

2. 2. 열전 재료

클라스레이트는 기체 저장, 기체 생산, 기체 분리, 담수화, 열전 재료, 태양 전지, 배터리 등 다양한 분야에서 연구되어 왔다.

  • ''A''8''B''16''X''30의 조성을 갖는 클라스레이트 화합물은 열전 장치에 대해 연구되어 왔으며, 여기서 ''A''는 알칼리 토금속, ''B''는 붕소족 원소, ''X''는 탄소족 원소이다. 열전 재료는 ''포논 유리 전자 결정''이라는 설계 전략을 따른다.[6][7] 낮은 열전도율과 높은 전기 전도율은 제베크 효과를 생성하는 데 필요하다. 게스트와 호스트 골격이 적절하게 조절되면 클라스레이트는 낮은 열전도율, 즉 ''포논 유리'' 거동을 보일 수 있으며, 호스트 골격을 통한 전기 전도도는 방해받지 않아 클라스레이트가 ''전자 결정''을 나타낼 수 있다.

2. 3. 기타 클라스레이트

클라스레이트는 기체 저장, 기체 생산, 기체 분리, 담수화, 열전 재료, 태양 전지, 배터리 등 다양한 분야에서 연구되어 왔다.

  • ''A''8''B''16''X''30의 조성을 갖는 클라스레이트 화합물은 열전 장치에 대해 연구되어 왔으며, 여기서 ''A''는 알칼리 토금속, ''B''는 붕소족 원소, ''X''는 탄소족 원소이다. 열전 재료는 ''포논 유리 전자 결정''이라는 설계 전략을 따른다.[6][7] 낮은 열전도율과 높은 전기 전도율은 제베크 효과를 생성하는 데 필요하다. 게스트와 호스트 골격이 적절하게 조절되면 클라스레이트는 낮은 열전도율, 즉 ''포논 유리'' 거동을 보일 수 있으며, 호스트 골격을 통한 전기 전도도는 방해받지 않아 클라스레이트가 ''전자 결정''을 나타낼 수 있다.


메탄 클라스레이트는 물에서 기여하는 수소 결합 골격과 메탄의 게스트 분자를 특징으로 한다. 이 형태의 많은 양의 메탄이 영구 동토층 형성 및 해양 해저에 자연적으로 얼어 있다.[8] 다른 수소 결합 네트워크는 하이드로퀴논, 요소, 티오요소에서 파생된다. 많이 연구된 호스트 분자는 다이닌 화합물이다.

호프만 클라스레이트는 Ni(CN)4·Ni(NH3)2(arene)의 조성을 갖는 배위 고분자이다. 이 재료는 작은 방향족 게스트(벤젠, 특정 자일렌)와 결정화되며, 이러한 선택성은 이러한 탄화수소의 분리를 위해 상업적으로 이용되어 왔다.[2] 금속 유기 골격 (MOF)은 클라스레이트를 형성한다.

예를 들어, 메탄 하이드레이트(물 분자 사이에 메탄 분자가 들어간 고체) 등이 있다. 천연 가스 하이드레이트 중의 물 분자를 규소와 산소로 치환한 구조에 상당하는 광물 (멜라노플로자이트영어, 지바석[9])도 확인되었다.

2. 4. 응용 분야

클라스레이트는 기체 저장, 기체 생산, 기체 분리, 담수화, 열전 재료, 태양 전지, 배터리 등 다양한 분야에서 연구되어 왔다.[5]

''A''8''B''16''X''30의 조성을 갖는 클라스레이트 화합물은 열전 장치에 대해 연구되어 왔으며, 여기서 ''A''는 알칼리 토금속, ''B''는 붕소족 원소, ''X''는 탄소족 원소이다. 열전 재료는 ''포논 유리 전자 결정''이라는 설계 전략을 따른다.[6][7] 낮은 열전도율과 높은 전기 전도율은 제베크 효과를 생성하는 데 필요하다. 게스트와 호스트 골격이 적절하게 조절되면 클라스레이트는 낮은 열전도율, 즉 ''포논 유리'' 거동을 보일 수 있으며, 호스트 골격을 통한 전기 전도도는 방해받지 않아 클라스레이트가 ''전자 결정''을 나타낼 수 있다.

메탄 클라스레이트는 물에서 기여하는 수소 결합 골격과 메탄의 게스트 분자를 특징으로 한다. 이 형태의 많은 양의 메탄이 영구 동토층 형성 및 해양 해저에 자연적으로 얼어 있다.[8] 다른 수소 결합 네트워크는 하이드로퀴논, 요소, 티오요소에서 파생된다. 많이 연구된 호스트 분자는 다이닌 화합물이다.

호프만 클라스레이트는 Ni(CN)4·Ni(NH3)2(arene)의 조성을 갖는 배위 고분자이다. 이 재료는 작은 방향족 게스트(벤젠, 특정 자일렌)와 결정화되며, 이러한 선택성은 이러한 탄화수소의 분리를 위해 상업적으로 이용되어 왔다.[2] 금속 유기 골격 (MOF)은 클라스레이트를 형성한다.

참조

[1] 웹사이트 Latin dictionary http://lysy2.archive[...] 2012-04-14
[2] 서적 Inclusion Compounds Wiley-VCH, Weinheim
[3] 문서 clathrates
[4] 학술지 Inorganic and methane clathrates: Versatility of guest–host compounds for energy harvesting 2015-02
[5] 학술지 Β-Hydroquinone xenon clathrate
[6] 학술지 Semiconducting Ge clathrates: Promising candidates for thermoelectric applications 1998-07-13
[7] 학술지 Better thermoelectrics through glass-like crystals 2015
[8] 뉴스 Ice on fire: The next fossil fuel https://www.newscien[...] 2009-06-27
[9] 웹사이트 天然ガスを含む新鉱物『千葉石』 https://www.aist.go.[...] 2011-02-16


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