2025년 노벨 화학상: MOF란 무엇인가요?

스웨덴 왕립과학원은 금속-유기 골격체(MOF)에 대한 미래 지향적인 연구로 스스무 키타가와, 리처드 롭슨, 오마르 M. 야기에게 2025년 노벨 화학상을 수여했습니다. 거대한 내부 표면적, 조정 가능한 기공 구조, 단일 설계를 갖춘 이 혁신적인 소재는 에너지 저장, 환경 오염 제거, 분자 공학 분야에서 획기적인 용도로 사용되며 재료 화학의 초석임을 입증했습니다.

그림 1 2025년 노벨 화학상 수상자

MOF 소개

MOF는 금속 이온 또는 유기 리간드와 결합된 클러스터로 구성된 3차원 고체 결정으로, 고도로 조정 가능한 기공 구조를 가진 3차원 구조를 생성합니다. 높은 표면적, 광밀도, 탄성 구조의 시너지 효과로 인해 화학자들은 예측 가능한 기공 크기, 화학적 기능 및 기계적 특성을 가진 프레임워크를 맞춤화할 수 있습니다.

특정 MOF는 내부 표면적이 7,000m²/g 이상으로 활성탄보다 훨씬 뛰어나며, 분자 저장 및 분리에 대한 탁월한 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 MOF의 모듈성은 가스 분리 및 저장에서 약물 전달 및 촉매에 이르기까지 다양한 응용 분야에 맞게 기능화할 수 있습니다.

MOF의 역사와 발전

금속-유기 프레임워크(MOF) 는 1989년 리처드 롭슨이 구리 이온과 4개의 팔을 가진 유기 링커를 연결하여 정확하게 정의된 공동을 가진 결정 네트워크를 생성하는 이론을 처음 고안하면서 시작되었습니다. 이는 빠르게 발전하는 연구 분야가 될 수 있는 길을 열었습니다.

그 후 스스무 키타가와는 구조 변형을 통해 프레임워크가 게스트 분자에 따라 '호흡'할 수 있는 MOF의 다재다능함을 보여주었습니다.

이후 오마르 야기는 3,000m²/g 이상의 놀라운 표면적과 우수한 가스 흡수 능력을 갖춘 MOF-5를 합성하여 이 분야를 더욱 확장함으로써 실제 응용 분야에서 이 물질의 실용적인 유용성을 보여주었습니다.

이들의 공헌을 종합하면, MOF는 응용 가능성과 고유한 관심을 가진 신비한 다공성 결정성 고체 계열로 자리매김했습니다.

그림 2 보고된 주요 MOF의 도식적 표현

MOF의 합성 방법

솔보써멀은 여전히 가장 널리 사용되는 MOF 합성 방법입니다. 여기서 금속염과 유기 리간드는 포름아미드 기능화 프로틱 또는 아프로틱 유기 용매에 혼합됩니다. 반응은 일반적으로 오토클레이브에서 용매의 끓는점보다 높은 자생 압력 하에서 수행되며, 결정 성장이 허용되고 매우 질서 정연한 구조가 달성됩니다. 일반적으로 최적의 내부 표면적을 가진 결함 없는 큰 결정을 얻으려면 느린 결정 성장이 필요합니다.

용융 열 합성이 전통적이고 확실한 방법이지만, 제품 구조를 조정하고 효율성을 향상시키는 몇 가지 다른 방법이 등장했습니다. 마이크로파 보조, 초음파 화학, 기계 화학, 전기 화학 및 이온 열 합성과 같은 기술이 점점 더 광범위하게 적용되고 있습니다.

예를 들어 기계화학적 합성은 용매 대신 연삭과 기계 에너지를 사용하여 환경 부담을 최소화하고 프레임워크 개발을 빠르게 진행할 수 있습니다. 마이크로파를 이용한 합성은 또한 몇 시간이 아닌 몇 분 안에 비슷한 결정성을 가진 MOF를 생성하는 것으로 나타났습니다. 이러한 모든 발전은 MOF의 대량 생산과 새로운 아키텍처를 결정하는 데 중요합니다.

그림 3 MOF 구조의 기존 용융열 합성 방식

MOF의 잠재적 응용 분야

낮은 밀도, 높은 표면적, 다공성이지만 조절 가능한 다공성, 구조적 유연성 등 MOF의 고유한 특성은 매우 다양한 잠재적 응용 분야를 제공합니다:

• 가스 저장 및 전달: MOF는 수소, 메탄, 이산화탄소 저장 분야에서 고유한 응용 가치를 지니고 있습니다. 예를 들어, MOF-5는 77K 및 1bar에서 20wt% 이상의 수소를 흡착하고, MOF-177은 1bar에서 298K에서 6mmol/g 이상의 CO₂를 흡착합니다. 이러한 특성으로 인해 MOF는 수소 연료 전지 및 메탄 자동차와 같은 청정 에너지 저장 소재로 각광받고 있습니다.
• 환경 개선: MOF는 물과 공기에서 오염 물질을 제거하는 데 사용되어 왔습니다. 일부 MOF는 폐수에서 PFAS("영구 화학물질")를 선택적으로 흡착하는 반면, 일부는 이산화탄소와 친화력이 있어 탄소 포집을 가능하게 합니다. 예를 들어, Mg-MOF-74는 실온 조건에서 최대 8mmol/g의 CO₂ 흡착 용량을 가지고 있어 배출 제어에 적용할 수 있습니다.
• 물 수확: 특정 MOF는 건조한 공기에서 물을 수확할 수 있습니다. 건조한 환경에서의 현장 테스트에서 지르코늄 기반 MOF-801은 낮은 습도(상대 습도 20~30%)에서 하루에 MOF 킬로그램당 2.8리터의 물을 수집했습니다.
• 약물 전달: MOF 다공성 구조는 치료 분자를 캡슐화하여 방출을 제어할 수 있습니다. 실험 연구에서 MIL-100(Fe) 매트릭스는 향상된 안정성과 표적 방출 특성으로 항암제를 방출하여 전신 독성을 감소시켰습니다.
• 에너지 저장 및 전자: MOF는 슈퍼 커패시터, 배터리, 촉매 등의 응용 분야를 위해 연구되고 있습니다. MOF는 고용량 및 전도성 전극 재료 또는 촉매 활성 금속 나노입자를 위한 촉매 지지체로 사용될 수 있습니다.

이러한 용도는 MOF가 더 이상 실험실의 호기심이 아니라 이미 수많은 응용 분야에서 정량화 가능한 실제 성능을 입증하고 있다는 증거입니다. 실험실보다 더 큰 규모의 상용화는 여전히 어려운 과제이지만 안정성, 재현성, 경제성을 향상시키기 위한 연구는 계속되고 있습니다.

그림 4 에너지, 약물 전달 및 폐수 처리 분야의 애플리케이션

결론

키타가와, 롭슨, 야기에게 수여되는 2025년 노벨 화학상은 MOF의 혁신적 크기를 가장 주목할 만합니다. 획기적인 구조적 개념부터 첨단 합성 방법과 미래의 미개척 응용 분야까지, MOF는 기초 화학과 실용적 유용성의 결합에 대한 찬사입니다. 더 많은 산업 뉴스와 기술 지원은 Stanford Advanced Materials(SAM)에서 확인하세요.

참고 문헌

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). 결정성 금속-유기 프레임워크(MOF): 합성, 구조 및 기능. Acta Crystallographica 섹션 B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (nd). 금속-유기 프레임 워크 (MOF)는 상업적 전환점에 있습니까? CAS 인사이트.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). 금속-유기 프레임 워크: 합성 방법 및 잠재적 응용. 재료 (바젤), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. 샌더스, R. (2025, 10월 8일). UC 버클리의 오마르 야기, 2025년 노벨 화학상 수상. 버클리 뉴스.
5. 스웨덴 왕립 과학 아카데미. (2025). 스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2025 년 노벨 화학상을 수여하기로 결정했습니다. 노벨상 보도 자료.
6. 유수프, V. F., 말렉, N. I., & 카일라사, S. K. (2022). 금속-유기 프레임워크 분류, 합성 접근법 및 영향 요인에 대한 검토: 에너지, 약물 전달 및 폐수 처리에서의 응용. ACS 오메가, 7(49), 44507-44531. (https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05310)