물질을 분자 수준에서 조립해 나가는 정밀 합성법은 고가의 금속 촉매와 다단계 화학반응이 필요한 경우가 많다. 귀금속 촉매를 쓰지 않고, 반응 단계를 줄이는 합성법 개발이 중요한데, 울산과학기술원(UNIST) 화학과 공동연구팀이 이러한 화학 합성법을 개발했다.

UNIST 홍성유·얀 로데 교수 연구팀은 라디칼(Radical) 연쇄 반응으로 '질소 함유 나노 그래핀 조각'을 합성하는 방법을 개발했다고 4일 밝혔다.

이 물질은 정밀화합물, 차세대 고분자·에너지 소재로 주목받는 물질이다.

개발한 합성법은 라디칼이 촉매 역할을 대신해 고가의 희귀 금속 촉매를 쓰지 않아도 된다. 라디칼은 홀전자(unpaired electron)를 갖는 물질의 총칭으로, 홀전자의 짝을 이루려는 성질 때문에 반응성이 뛰어나 촉매 역할을 대신할 수 있다.

또 기존에는 촉매 효율을 높이기 위해 탄소 고리에 화학 작용기를 붙이는 전처리 과정이 필요했는데, 이 같은 전처리도 필요 없다.

연구팀은 이 합성법으로 아진 계열 분자(탄소 고리에 질소가 끼어 있는 분자)와 디아릴요오도늄염을 화학적으로 조립해 질소 함유 나노그래핀 조각을 합성해냈다. 또 라디칼 홀전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 분광기법 분석을 통해 정확한 합성 과정도 규명했다.

홍성유 교수는 "낮은 반응성을 갖는 것으로 알려진 아진 전구체를 귀금속(팔라듐) 촉매를 이용하지 않고도 라디칼 반응을 이용해 효과적으로 활용한 사례"라며 "이 같은 방식은 새로운 화학 합성개발에도 활용할 수 있을 것"이라고 내다봤다.

연구의 합성 부문은 화학과 이재빈 박사, 정서영, 전지환 박사과정 연구원이 참여했다.

연구팀 관계자는 "원료를 잘게 분해해 내려오는 방식보다 훨씬 정교하면서도 시간과 비용이 많이 드는 까다로운 단계적 반응 없이 한 단계 반응만으로 질소 함유 나노 그래핀 조각을 만들 수 있는 획기적인 합성법"이라고 설명했다.

분광학 분석은 김건하 박사과정 연구원이 주도했다. 김건하 연구원은 "홀전자의 존재를 직접 관측할 수 있는 전자 상자기 공명법(EPR Spectroscopy)으로 연쇄 라디칼 반응으로 이뤄진 합성법의 원리를 밝혀낼 수 있었다"고 설명했다.

얀 로데 교수는 "전문 분야가 다른 두 연구그룹이 긴밀히 상호 협력해 새로운 화학 반응의 개발한 훌륭한 사례"라고 평했다.

연구 수행은 한국연구재단, 한국전자통신연구원(ETRI)의 지원으로 이뤄졌으며 연구 결과는 다학제 분야 전문 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 공개됐다.