본 연구실은 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOF)의 새로운 구조를 설계하고 합성하는 데 중점을 두고 있습니다. MOF는 금속 이온과 유기 리간드가 결합하여 형성되는 3차원 다공성 결정체로, 기존의 제올라이트와 비교했을 때 합성이 용이하고, 결정성이 높으며, 기공 크기와 화학적 성질을 다양하게 조절할 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 특성 덕분에 MOF는 재료과학, 촉매, 에너지 저장, 환경 정화 등 다양한 분야에서 주목받고 있습니다. 연구실에서는 미지의 금속-유기 골격체 및 분자 기반 다공성 고체를 합성하고, 이들의 삼차원 결정구조를 규명하는 연구를 수행합니다. 이를 위해 엑스선 결정구조 분석, 분광법, 열분석, 기체 흡착 실험 등 다양한 첨단 분석기법을 활용하여, 합성된 물질의 구조적 특성과 물리화학적 성질을 심도 있게 탐구합니다. 특히, 기존에 보고된 적 없는 새로운 골격구조의 MOF를 설계 및 합성하는 것을 가장 중요한 목표로 삼고 있으며, 이를 통해 창의적이고 논리적인 사고방식을 강조합니다. 이러한 연구는 단순히 새로운 물질을 합성하는 데 그치지 않고, 구조적 다양성과 기능적 특성을 극대화하여, 미래의 에너지, 환경, 촉매 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 혁신적인 소재 개발로 이어집니다. 궁극적으로는 학계 최고 권위의 학술지에 연구 결과를 발표함으로써, 전 세계적으로 MOF 분야의 발전에 기여하고자 합니다.

분자기반 다공성 고체는 미세한 나노미터 크기의 기공을 갖는 구조로, 기체의 저장 및 분리에 탁월한 성능을 보입니다. 본 연구실에서는 무기화학과 유기화학의 지식을 융합하여, 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 연결된 3차원 네트워크를 구축하고, 이를 위상기하학적으로 분석합니다. 이러한 구조적 분석을 바탕으로, 기체 저장 및 분리 소재로서의 응용 가능성을 평가하고 있습니다. 특히, 다양한 금속과 리간드의 조합을 통해 기공 크기, 표면 특성, 화학적 친화성 등을 정밀하게 조절함으로써, 수소, 이산화탄소, 메탄, 수증기 등 다양한 기체의 선택적 흡착 및 분리가 가능한 소재를 개발하고 있습니다. 최근에는 대기 중 수증기 포집, 이산화탄소의 직접 공기 포집(DAC), 수소 저장 등 환경 및 에너지 문제 해결에 직접적으로 기여할 수 있는 연구도 활발히 진행 중입니다. 또한, 기체 흡착 거동의 동적 특성, 주인-손님 상호작용, 기공 내 이온 교환 등 미시적 메커니즘을 규명하여 소재의 성능을 극대화하고 있습니다. 이러한 연구는 실험적 접근뿐만 아니라, 이론적 모델링과 시뮬레이션을 병행하여, 소재의 설계부터 응용까지 전 과정을 아우르는 통합적 연구를 지향합니다. 궁극적으로는 고효율, 고선택성, 내구성이 뛰어난 기체 저장 및 분리 소재를 개발하여, 친환경 에너지 및 자원 순환 사회 실현에 기여하고자 합니다.

본 연구실은 전통적인 MOF 합성에서 한 걸음 더 나아가, 이종 금속(예: Ti, Zr, Hf, Zn 등) 및 규소(Si)를 포함한 새로운 유형의 MOF를 개발하는 데 주력하고 있습니다. 예를 들어, 규소 산화물을 빌딩블럭으로 갖는 SiMOF와 같은 신개념 골격체를 합성하여, 기존 MOF와 제올라이트의 장점을 동시에 갖는 소재를 창출하고 있습니다. 이러한 소재는 열적 안정성, 소수성, 내화학성 등에서 기존 MOF를 능가하는 특성을 보입니다. 또한, Zr-Formate와 같은 거대고리 클러스터 및 슈퍼케이지 구조, Group 4 금속 기반 MOF 등 다양한 이종 금속 조합을 활용하여, 기체 흡착, 이온 교환, 슈퍼이온 전도 등 새로운 기능을 구현하고 있습니다. 이러한 연구는 단순한 구조적 다양성 확보를 넘어, 실제 환경 및 에너지 응용에 적합한 고성능 소재 개발로 이어집니다. 예를 들어, 대기 중 수증기 포집, 수소 감지, 이산화탄소 포집 등 다양한 실용적 문제 해결에 기여할 수 있습니다. 이와 같은 연구는 합성 화학, 결정구조 분석, 물성 평가, 응용 테스트 등 다학제적 접근을 통해 이루어지며, 국내외 유수 연구기관 및 산업체와의 협력을 통해 실용화 가능성도 적극적으로 모색하고 있습니다. 미래에는 이러한 이종 금속 및 규소 기반 MOF가 차세대 에너지, 환경, 센서, 촉매 등 다양한 분야에서 핵심 소재로 자리매김할 것으로 기대됩니다.