화학계의 새로운 샛별, COF
- 편집팀
- 2월 16일
- 3분 분량
여러분은 COF-999라는 신물질에 대해 들어보신 적이 있으신가요? 언론에서 일명 ‘마법의 물질’로 불리고 있는 물질로, 높은 안정성과 우수한 이산화탄소 흡착 능력으로 인해 주목받고 있는 물질입니다. 먼저 COF-999에 대해 알아보기 전에, 이 물질의 종류인, COF 자체에 대해 알아보아야 합니다.
COF란
COF는 Covalent Organic Framework의 줄임말로, 분자들을 공유결합을 통해 이어 붙여 만든 일종의 ‘분자 건축물’이라고 할 수 있습니다. 2005년 Omar M. Yaghi에 의해 처음 제시된 이래로 활발히 연구되고 있는 분야입니다. COF를 어떤 분자로 구성하는지에 따라서 무궁무진한 종류의 물질을 만들 수 있고, 기존에 COF와 비슷한 역할을 하던 화학 구조체인 MOF보다 더 뛰어난 안정성을 가지고 있기 때문에 각광받고 있습니다.
COF의 시작점: MOF
COF에 대해서 본격적으로 알아보기 전에, COF의 원조라 할 수 있는 MOF에 대해 알아볼 필요가 있습니다. MOF는 metal organic framework의 줄임말로, 금속 이온 클러스터와 유기 리간드를 이어붙여 규칙적인 구조를 지니게 한 화학 구조물입니다. COF와 마찬가지로 엄청나게 다양한 무기 물질과 유기 물질을 조합시켜 셀 수 없는 수의 다양한 MOF를 만들 수 있습니다. MOF는 촉매, 수소 기체나 이산화탄소와 같은 기체 저장 및 흡착과 분리, 센서, 에너지 수확 및 저장 등 다양한 분야에서 이용 가능합니다. 그러나 MOF는 습기와 온도에 대해 매우 취약하다는 단점이 있습니다.
COF, MOF의 단점을 해소하다
이러한 MOF의 단점을 해소하기 위해 등장한 물질이 COF입니다. COF는 쉽게 말해 MOF에서 금속 이온을 빼고, 대신 리간드를 넣었다고 생각하면 됩니다. 그렇다면 이 차이는 어떤 변화를 가져오는 것일까요? 분자 간에 배위 결합을 하는 MOF와 달리 분자 간에 공유결합이 이루어집니다. 공유결합은 배위결합보다 훨씬 더 강한 결합이기 때문에 당연히 더 안정적인 구조를 형성하게 되고, 이는 COF가 MOF보다 습기에 대해 더 안정적이고, 시간이 지나도 구조가 붕괴되지 않게 해줍니다. 보다 더 견고한 건축물이 된 것이죠.
COF의 발전 및 현황
COF는 2005년 첫 발견 이후 꾸준히 학술적으로 구체화 되어왔습니다.
COF의 첫 시작점은 오마 야기와 Adrien P Cote가 2005년 발표한 논문 Porous, Crystalline, Covalent Organic Frameworks였습니다. 두 저자는 이 논문에서 COF-1, COF-와 같은 여러 2차원 COF, 2D COF들을 제시합니다.
2차원이 아닌 부피를 가진 3D COF는 2007년에 Omar M. Yaghi와 그의 동료들에 의해 처음 합성됩니다. COF-103과 COF-108가 그 주인공이죠.
이렇게 COF 분야의 막이 오른 이후로 가스 흡착 및 저장, 촉매, 화학 센서, 전기 전도 매개체 등 여러 방면에서 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 그중 가장 널리 알려진 연구는 아마 COF-999를 통한 대기 중 이산화탄소 흡착 연구일 것입니다. COF-999는 CO2를 흡착할 수 있는 기능을 가진 화합물로, 100번 이상의 흡착을 할 수 있을 만큼 뛰어난 안정성을 지닌 물질입니다. COF는 TCPB와 BPDA-N3 두 물질로 이루어져 있습니다. 이 두 물질을 결합시켜 육각형 구조를 형성하고, BPDA-N3의 곁사슬(side-chain)에 아민을 부착해 구조를 완성시킵니다. 이 구조를 통해 기본적인 TCPB와 BDPA-N3에 이산화탄소를 끌어들여 붙잡는 물리적 흡착도 하고, 아민과 이산화탄소가 화학적 결합을 이루어 고정이 되는, 화학적 흡착도 하는 것입니다.
COF의 미래
이렇게 활발히 연구되고 있는 분야임에도 불구하고 아직 COF는 해결해야 할 과제들이 존재합니다. COF의 본질적인 딜레마는 바로 결정성, 안정성, 그리고 기능성을 한 번에 잡는 COF를 만들기 쉽지 않다는 점입니다. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 정말 많은 연구들을 진행하고 있습니다. 그중 하나를 예시로 들자면, 결정을 만드는 과정과 결정을 안정화시키는 과정을 분리시켜 COF의 구조를 더욱 강한 결합으로 이루어지게 하는 연구들이 이루어지고 있습니다. 무궁무진한 가능성을 지닌 COF 연구들은, 현재 진행형으로 계속되고 있습니다.
최승우 학생기자 | Chemistry & Biology | 지식더하기
참고자료
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첨부 이미지 출처
[2] El-Kaderi, H. M., Hunt, J. R., Mendoza-Cortés, J. L., Côté, A. P., Taylor, R. E., O'Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (2007). Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks. Science, 316(5822), 268-272.
[3] Nikiforov, A. I., Kravchenko, V. D., Chesnokov, E. A., Nikiforov, I. A., & Popov, A. G. (2023). Optimization of Metal-Organic Framework MOF-5 Synthesis for Use in Cryo-Adsorption Hydrogen Storage. Petroleum Chemistry, 63(7), 805-813.
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