깨끗한 물은 건강한 삶을 영위하는 데 필수적이다. 하지만 농약, 제초제, 의약품 및 기타 화학화합물과 같은 다양한 오염 물질은 지하수 내 잔재해 우리의 건강을 위협한다. 현존하는 기술로는 이러한 오염 물질을 완전히 제거할 수 없으며, 새로운 오염 물질은 갈수록 증가하고 있다. 그 중 세간을 떠들썩하게 한 오염 물질이 있다. 바로, 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 제초제의 활성 성분인 글리포세이트(Glyphosate)다.

글리포세이트는 인간과 환경에 잠재적인 위험을 초래할 수 있어 제거가 필수적이다. 이에  오스트리아 빈 공과대학교(Vienna University of Technology, TU Wien) 재료화학연구소(Institute of Materials Chemistry)의 도미니크 에더(Dominik Eder)교수가 이끈 공동 연구팀은 지하수에서 글리포세이트를 기존 기술보다 효율적으로 제거할 수 있는 금속-유기 구조(Metal-Organic Frameworks, MOF)의 신소재를 개발했다. 이 연구는 재료 분야의 대표 권위지인 『어드벤스트 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)』에 게재됐다.

넓은 표면, 작은 부피

MOF는 유기 분자로 연결된 작은 금속 산화물 클러스터(Cluster)로 구성된 물질로, 다공성이 높고 스펀지와 같은 연결 조직(Network)을 형성하며, 최대 7천㎡/g의 매우 넓은 표면적을 갖고 있는 것이 주요 특징이 있다. 도미니크 에더 교수는 “MOF는 많은 분자들이 기공 내 흡착될 수 있어 이산화탄소(CO2), 무기염 및 유기 오염 물질과 같은 공기와 물로부터 분자들을 직접 포획하는 데 이상적인 소재다”라고 설명했다.

MOF의 주목할 만한 점은 응용 프로그램에 따라 사용자 지정할 수 있다는 것이다. 본 연구의 수석 저자인 샤하예 나그디(Shaghayegh Naghdi) 빈 공과대학 박사후 연구원은 “MOF를 개별적인 작은 블록으로 구성된 큰 건물로 생각해 보면, 각각의 블록은 금속 원자나 유기 분자로 구성돼 있고 우리는 이 블록을 원하는 기능대로 퍼즐처럼 묶을 수 있다”라고 설명했다.

큰 분자를 위한 중간 기공

하지만 액체 매체(Liquid Media)에서 MOF를 사용하는 데 결정적인 한계가 있다. 흡착 과정과 화학 반응이 일어나는 활성 부분이 물질 내부 깊숙이 위치해 접근성이 떨어지기 때문이다. 활성 부분에 도달하기 위해서는 대상 분자가 분자 자체의 크기인 1나노미터 미만의 직경을 가진 미세 기공을 통해 확산돼야 한다. 액체 매체에서 용매 분자는 이러한 확산 과정을 상당히 늦추고 기공을 막을 수 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 최대 10나노미터 직경을 가진 추가 기공, 이른바 중간 기공(Mesopores)을 MOF에 통합시키는 방법을 개발했다. 이 방법에는 전체 미세 기공 구조의 붕괴를 방지하기 위해 선택적으로 유기 화합물 분자의 특정 부분을 연소시키는 과정이 수반된다. 연구팀은 액체 매체의 다양한 응용 프로그램에서 이 방법을 테스트했다.

글리포세이트 성공적으로 제거

도미니크 에더 교수 연구팀은 캐나다 노던브리티시컬럼비아대학교(University of Northern British Columbia)의 호세인 카제미안(Hossein Kazemian) 교수를 주축으로 한 연구원들과 함께 지하수 내 글리포세이트의 흡착력을 실험했다. 그 결과, MOF는 기존 고성능의 흡착제보다 80%의 소요 시간을 줄이고 3배 많은 글리포세이트를 제거할 수 있다고 밝혔다.

또한 이스라엘의 테크니온 공과대학교(Technion-Israel Institute of Technology)에서 수행된 컴퓨터 시뮬레이션의 도움으로, 연구팀은 유기 링커(Organic Linkers) 제거 시 새로운 금속 사이트(Metal Sites)가 생성된다는 사실도 발견했다. 금속 사이트는 글리포세이트와 화학 결합해 표적 분자를 더 빠르게 확산시킨다. 이러한 결합은 글리포세이트와 유사한 유기 화합물을 매우 빠르고 효율적으로 흡착할 수 있을 만큼 충분히 강력하다. 그러나 단순한 염화나트륨 염 용액으로 글리포세이트를 정량적으로 제거할 수 있을 정도로 약하기 때문에 이러한 MOF를 여러 번 사용할 수 있다.

연구팀은 다른 오염 물질을 흡착하거나 변환하는 데 사용할 수 있는 MOF를 추가로 개발할 계획이다.

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The glyphosate filter

Clean drinking water is essential. Therefore, an international research team led by Dominik Eder has now shown how groundwater can be efficiently freed from pollutants such as glyphosate.

Contaminated drinking water poses a major threat to our health. However, various pollutants such as pesticides, herbicides, hormones, medicines and other chemical compounds cannot be completely removed from groundwater with the methods currently available. At the same time, contamination by these substances is steadily increasing. A current example is glyphosate, which is used worldwide for weed control and poses potential dangers to humans and the environment.

A team led by Prof. Dominik Eder (TU Wien, Institute of Materials Chemistry) has now developed a new class of materials ? so-called metal-organic frameworks (MOFs) ? which can be used to selectively and efficiently remove the herbicide glyphosate from groundwater. The researchers recently published their results in the scientific journal "Advanced Functional Materials".

Small volume, large surface

MOFs are materials consisting of tiny metal oxide clusters connected by organic molecules to form a highly porous, sponge-like network. They have an extremely large surface area of up to 7000 m²/g. " This means that you can fit an entire football field within just one gram of MOFs," Dominik Eder illustrates. "Consequently, a lot of molecules can adsorb within the pores, making MOFs ideal materials for directly capturing molecules from air and water, such as CO2, inorganic salts and organic pollutants."

The special thing about MOFs is that they can be customised depending on the application. Shaghayegh Naghdi, lead author of the study, explains: "Think of MOFs as a large building consisting of individual tiny blocks. Each block is made up of metal atoms or organic molecules and you put them together like a puzzle to achieve the desired functions.''

Mesopores for large molecules

However, a crucial limitation of MOFs for their use in liquid media is the accessibility of active sites deep inside the material, where the adsorption processes and chemical reactions take place. To reach these sites, the target molecules must diffuse through micropores with diameters of less than 1 nanometre, which is often the size of the molecules themselves. In liquid media, solvent molecules can significantly slow down this diffusion process and clog the pores.

To solve this problem, the research group has developed a strategy to incorporate additional pores with a diameter of up to 10 nanometres, so-called mesopores, into the MOFs. How does this work? "We selectively burn away a certain part of the organic compound molecules," Naghdi explains. "However, we need to do this very carefully, in order to avoid collapse of the overall micropore structure.” The team has already tested this strategy for various applications in liquid media.

Successful removal of glyphosate

In collaboration with researchers from the University of Northern British Columbia in Canada, Dominik Eder's team finally investigated the adsorption of glyphosate from groundwater. Remarkably, the new material was able to remove three times as much glyphosate in only 20% of the time as the currently best adsorbent.

With the help of computer simulations carried out at the Technion in Israel, the group also discovered that the removal of the organic linkers creates new metal sites. These allow the formation of chemical bonds with glyphosate and thus faster diffusion of the target molecule. These bonds are strong enough to adsorb glyphosate and similar organic compounds very quickly and efficiently. Yet, they are weak enough to remove glyphosate quantitatively with a simple sodium chloride salt solution, so that these MOFs can be used multiple times,” Dominik Eder explains.

The research group plans to develop further MOFs that can be used to adsorb or convert other pollutants.

Original publications

Naghdi, S., Brown, E., Zendehbad, M., Duong, A., Ipsmiller, W., Biswas, S., ... & Eder, D. (2023). Glyphosate Adsorption from Water Using Hierarchically Porous Metal?Organic Frameworks, opens an external URL in a new window. Advanced Functional Materials, 2213862.

Naghdi, S., Cherevan, A., Giesriegl, A., Guillet-Nicolas, R., Biswas, S., Gupta, T., ... & Eder, D. (2022). Selective ligand removal to improve accessibility of active sites in hierarchical MOFs for heterogeneous photocatalysis., opens an external URL in a new windowNature Communications, 13(1), 282.

[출처 = TU Wien(https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/der-glyphosat-filter) / 2023년 4월 12일]