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2024. 7. 22.(월)
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신소재공학부
박지웅 교수
062-715-2357
GIST, 원하는 크기와 모양으로 재단하고
반복 사용 가능한 필름 형태 나노반응기 개발
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신소재공학부 박지웅 교수팀, 새로운 삼차원 나노다공성 고분자 필름 제조 방법 및 기공의 
내벽 따라 일정한 밀도로 금속 나노입자를 고르게 형성하는 기술로 기존 나노반응기 단점 극복
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한정된 나노 공간 안에서 화학반응 일으켜 수율 및 선택성을 향상할 수 있는 
멤브레인 촉매 반응기 소재 분야 개척… 국제학술지「Small」표지 논문 선정
□ 최근 나노 기공을 가진 구조 안에 촉매를 넣어 두고 이 공간 안에서 
화학반응을 일으켜 수율이나 선택성을 올리기 위한 연구가 활발히 진
행되고 있다.
□ 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 신소재공학부 박지웅 교수 연구
팀이 원하는 크기와 모양으로 재단할 수 있고, 반복하여 재사용할 수 
있는 필름 형태 나노반응기*를 개발했다고 밝혔다.
  ∘ 이번 연구 성과는 제약  정밀화학 분야를 비롯해 화학반응을 매개로 
하는 소자 분야에서의 활용이 기대된다.
   나노반응기: 수 나노미터에서 수백 나노미터 정도인 크기를 가진 공간 안에 촉
매를 함유하고 있으며 외부에서 반응물이 유입되어 화학반응이 일어난 다음 생
성물이 방출될 수 있도록 만든 나노구조.
□ 연구팀이 개발한 ‘다공성 멤브레인 필름형 나노반응기’는 반응물질
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이 나노 다공성 필름을 통과하면서 생성물질로 전환되게 하는 기능을 
가지며, 촉매를 함유한 나노 공간 안에서 화학반응이 일어나게 하여 수
율과 선택성을 높일 수 있는 나노반응기의 특징을 가지면서, 기존 나노
반응기의 단점인 ▴복잡한 제조 방법 ▴조절하기 어려운 촉매의 양과 
입자 크기 ▴사용 후 회수 및 재사용의 어려움을 해결하였으며, 스케일
업이 용이하고 교반식 반응뿐만 아니라 연속 흐름 반응 시스템에도 효
과적으로 적용할 수 있다는 장점이 있다.
□ 나노반응기는 주로 촉매를 함유한 다공체 입자를 반응 용액에 분산시
켜 만든 콜로이드 형태와 고체 기질 위에 촉매를 함유한 다공성 구조
를 만든 고체지지체 형태로 나눌 수 있다.
  ∘ 콜로이드 형태는 회수와 재사용이 어렵고, 고체지지체 형태는 과량의 
금속 전구체 용액에 담가 촉매를 형성하므로 고가의 금속 원료가 낭
비될 수밖에 없으며 촉매 침출로 인해 성능이 저하되고 반복 사용이 
어렵다는 문제점이 있다.
  ∘ 따라서 과량의 전구체를 사용하지 않으면서 정량적으로 촉매를 탑재
하고 촉매 입자의 크기 및 분포를 제어할 수 있는 방법으로 제조할 
수 있으며회수와 반복 사용 등이 용이한 나노반응기 구조의 개발이 
필요하다.
□ ‘다공성 멤브레인 나노반응기’는 수 나노미터에서 수십 나노미터까
지의 너비를 가진 기공이 삼차원 미로처럼 연결된 채널 구조를 가지며, 
고온이나 유기용매에서 변형되거나 함몰되지 않고 잘 유지된다.
  ∘ 이 멤브레인을 금속 전구체*의 용액에 담그면 그 농도에 따라 나노 기
공 내벽 표면에 흡착되는 금속 전구체의 흡착량이 정밀하게 조절되는 
특성을 이용하여 나노 반응기 안에 형성되는 금속 나노입자의 양과 
밀도를 정밀하게 제어할 수 있다.
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  ∘ 이때 나노 기공 내벽에 고르게 형성된 금속 나노입자는 기공 안에 유
입되는 반응물의 화학반응에 촉매로 작용한다. 분자의 확산이나 외부 
물질의 유입이 나노 기공에 의해 제한되는 환경에서 일어나는 화학반
응은 큰 반응용기에서와는 다르게 반응 생성물의 수율이 향상되거나 
조성이 다르게 나타날 수 있다.
    * 전구체: 화학반응에 의해 어떤 물질로 변하기 전 단계의 화합물
□ 연구팀은 삼차원으로 연결되고, 팔라듐 전구체에 친화적인 화학작용기
가 코팅된 기공 채널을 가진 나노다공성 고분자 필름을 합성하여 기공 
내벽에 팔라듐 전구체를 정량적으로 균일하게 흡착한 후, 환원을 거쳐 
팔라듐 나노입자가 탑재된 나노반응기를 제조하였다.
  ∘ 교반식 반응기에서는 이 필름형 나노반응기를 용기 안에 담근 채 반
응용액을 휘저으면(攪拌) 반응물/생성물이 삼차원적인 채널을 따라 쉽
게 드나들며 화학반응이 일어나고, 반응이 끝나면 필름을 집어내어 새 
반응 용액에 넣어 반복 사용할 수 있다.
  ∘ 연속 흐름 반응기에서는 반응 용액을 나노반응기 필름의 한 면에서 
가압하여 투과하도록 하면 생성물의 용액이 반대면으로 흘러나온다. 
이 경우, 용액의 농도와 유속 등을 제어하여 반응 수율 및 선택성 등
을 제어할 수 있다.
□ 연구팀은 수질오염물질인 유기염소화합물의 탈염소화반응*을 진행한 결
과, 10회 이상 교반식 반응에 재사용하거나 200시간 이상 연속흐름반응
을 지속해도 촉매의 활성이 감소하지 않고 유지됨을 확인하였다.
    탈염소화반응: 염소(Cl) 가 달린 유기화합물의 염소를 제거하는 촉매반응
□ 이 합성법의 특징은 고분자 필름의 기공 내벽을 따라 흡착되는 금속 
전구체의 양을 정밀하게 조절할 수 있고, 흡착된 전구체를 환원시켜 생
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성된 금속 나노입자의 사이즈를 1~2 나노미터 수준으로 유지하면서 균
일하게 기공 내벽에 분포시킬 수 있다는 것이다.
  ∘ 또한, 기존 합성법과 달리 전구체를 흡착한 후에 남은 전구체 용액을 
재사용할 수 있어 금속 남용을 예방할 수 있어 친환경적이다.
□ 박지웅 교수는 “필름 형태의 나노반응기는 다른 종류의 금속 촉매 또
는 효소도 쉽게 탑재할 수 있으며, 효율적이고 친환경적인 화합물 제조
법을 개발하거나 원하는 모양으로 만들어 화학 센서나 반응기로서 휴
대용 기기에 내장하는 데 활용될 수 있다”고 설명했다.
□ 신소재공학부 박지웅 교수가 지도하고 정다운 박사과정생과 오왕석 박
사가 수행한 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원
을 받았으며, 재료과학 분야 상위 10% 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 
2024년 7월 18일 표지 논문(Back Cover)으로 게재됐다.  <끝> 
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사 진 설 명
[사진1] (오른쪽부터) 신소재공학부 박지웅 교수, 정다운 박사과정생
[사진2] 우수성을 인정받아 ‘Small’표지 논문(Back Cover)에 선정
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그 림 설 명
[그림1] 금속 나노입자가 탑재된 고분자 필름 기반 나노반응기. 합성된 
나노반응기는 교반식뿐만 아니라 연속 흐름식 반응 시스템에도 
효과적으로 적용할 수 있다. 
[그림2] 고분자 필름 내 탑재된 금속 나노입자의 담지량에 따른 필름의 단
면적 투과 전자 현미경 사진. (가-라) 담지된 금속의 양이 증가 할
수록 나노입자의 사이즈(1~2nm)를 균일하게 유지하면서 개수를 조
절할 수 있음. (마,바) (라)의 확대된 그림. 정교한 사이즈의 나노입
자가 고르게 분포됨.
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[그림3] 금속 나노입자가 탑재된 필름형 나노반응기의 촉매 성능 테스트. 
(가,나) 교반식 반응에서 재사용 실험 과정과 8번의 재사용 테스트 
후에도 촉매 성능 유지. (다-마) (다) 연속 흐름 반응 모식도 및 
(라,마) 유체의 유량 조절에 따른 활성 변화와 100시간 가량의 장시
간 반응 테스트 결과.
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논문의 주요 정보
1. 논문명, 저자정보
 - 저널명 : Small (IF: 13.3, 2024년 기준)
 - 논문명 : 3D-Continuous Nanoporous Covalent Framework Membrane 
Nanoreactors with Quantitatively Loaded Ultrafine Pd 
Nanocatalysts
 - 저자 정보 : 정다운 (GIST 박사과정, 제1저자), 오왕석 (일리노이 대학 
어바나-샴페인, 공동저자), 박지웅 (GIST, 교신저자)