광주과학기술원(GIST)은 박지웅 신소재공학부 교수 연구팀이 원하는 크기와 모양으로 재단할 수 있는 필름 형태의 나노반응기를 개발했다고 23일 밝혔다.

연구팀이 개발한 ‘다공성 멤브레인 필름형 나노반응기’는 반응물질이 나노 다공성 필름을 통과하면서 생성물질로 전환되게 하는 기능을 갖추고 있다. 수 나노미터에서 수십 나노미터까지의 너비를 가진 기공이 삼차원 미로처럼 연결된 채널 구조를 가지며, 고온이나 유기용매에서 변형되거나 함몰되지 않고 잘 유지된다. 금속 전구체의 나노 기공 내벽 표면 흡착량이 정밀하게 조절되는 특성을 이용해 나노 반응기 안에 형성되는 금속 나노입자의 양과 밀도를 정밀하게 제어할 수 있다.

기존 나노반응기의 단점인 복잡한 제조 방법이나 조절하기 어려운 촉매의 양과 입자 크기, 사용 후 회수 및 재사용의 단점은 해결했다.

연구팀은 삼차원으로 연결되고, 팔라듐 전구체에 친화적인 화학작용기가 코팅된 기공 채널을 가진 나노다공성 고분자 필름을 합성했다고 설명했다. 이를 통해 기공 내벽에 팔라듐 전구체를 정량적으로 균일하게 흡착한 후, 환원을 거쳐 팔라듐 나노입자가 탑재된 나노반응기를 제조했다.

교반식 반응기에서는 필름형 나노반응기를 용기 안에 담근 채 반응용액을 휘저으면 반응·생성물이 삼차원적인 채널을 따라 쉽게 드나들며 화학반응이 일어난다. 반응이 끝나면 필름을 집어내어 새 반응 용액에 넣어 반복 사용할 수 있다.

연속 흐름 반응기에서는 반응 용액을 나노반응기 필름의 한 면에서 가압해 투과하도록 하면 생성물의 용액이 반대면으로 흘러나온다. 이 경우, 용액의 농도와 유속 등을 제어하여 반응 수율 및 선택성 등을 제어할 수 있다.

박지웅 신소재공학부 교수는 “필름 형태의 나노반응기는 다른 종류의 금속 촉매 또는 효소도 쉽게 탑재할 수 있으며, 효율적이고 친환경적인 화합물 제조법을 개발하거나 원하는 모양으로 만들어 화학 센서나 반응기로서 휴대용 기기에 내장하는 데 활용될 수 있다”고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받았으며 재료과학 분야 상위 10% 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 지난 18일 표지 논문으로 게재됐다.