미국 MIT공대와 King Fahd 석유광물대학교(King Fahd University of Petroleum and Minerals, KFUPM), 오크리지 국립실험실(Oak Ridge National Laboratory) 연구원들이 그래핀에 생성된 결함 및 구멍을 채우는 새로운 방법을 개발했다.

그래핀은 독특한 특성을 가지고 있어 담수화 공정의 여과막으로 사용되기에 이상적인 재료이다. 그러나 단일 원자 하나만큼의 크기와 두께를 가지고 있어 여과막을 제조하는 세밀한 공정에서 찢어질 수 있으며, 이에 따라 결점이 있는 막이 만들어지고 오염물질을 잘 분리하기가 어렵게 되기도 한다.

이번 연구에서 기술자들은 ‘중합반응(polymerization)’과 ‘화학적 침적(chemical deposition)’, 두 반응을 혼합하고, 매우 작은 그래핀을 만들 수 있는 기존의 방법을 활용했다. 그러나 그래핀이 워낙 작은 탓에 물분자만 통과할 수 있도록 그래핀 내에 균일한 기공을 만드는 데에는 어려움이 있었다.

 

이에 기술자들은 새로운 방법을 사용해 구멍이나 금이 나지 않는, 보다 큰 크기의 그래핀 막을 만들었다. 결함이 없는 그래핀 막은 페니(penny) 동전만한 크기로, 여과막의 크기 조건에 부합하거나 그보다 더 큰 크기로 제조된다.

먼저 금이 간 부분을 메우고 기공이 생기는 공정이 끝나면 물이 그래핀 막으로 주입되며, 기존 담수화 혹은 여과막과 같은 속도로 물을 여과할 수 있다. 황화 마그네슘 및 덱스트란 분자와 같은 대형 불순물들은 그래핀 막에 의해 성공적으로 제거될 수 있다.

연구원인 Karnik는 “우리는 적어도 실험실 규모에서 그래핀의 대형 면적 내 분자 여과를 이해하기 위해 결함을 봉인할 수 있었는데 이는 이전에는 가능하지 않았던 것”이라고 말했다.

Karnik는 이어 “만약 우리가 공정을 보다 잘 조절할 수 있다면 아마도 앞으로 우리는 결함이 없는 봉인을 필요로 하지 않을 것이다. 그러나 결함이 없는 완벽한 그래핀을 얻는 것은 매우 어려운 관계로 새는 현상을 조절하는 것은 필수이다. 이들 두 기술은 여과를 가능케 하는 예이다.

 

현재 염수로부터 담수를 생산하는 공정에 사용되는 분리막은 두께가 200㎚(나노미터) 정도로 상당히 두껍다. 이렇듯 수백㎚의 두께를 가지는 분리막 대신, 그래핀 분리막의 우수한 특성에 의해 기존 분리막 두께의 600배 가량 얇은, 3Å(옹스트롬)의 크기를 가지는 분리막을 만들 수 있으며 이는 같은 면적에서 흐름 비를 훨씬 높게 만든다”고 O’Hern는 덧붙였다.

여과막으로 작용할 수 있는 그래핀의 잠재성은 O’Hern과 Karnik에 의해 몇 년 동안 연구되어 왔다. 이 연구진은 지난 2009년 구리 기지체 위에 성장시킨 그래핀을 사용해 분리막을 만든 바 있지만, 구리가 비침투성인 까닭에 제조된 그래핀이 다공성 기지체로 이송될 필요성이 있었다.

 

연구진은 이러한 이송 과정에서 원재료 내 불순물에 의해 그래핀에 결함이 생성된다는 점을 확인했다.
따라서 연구진은 그래핀 내에 원래의 결함을 고정하기 위해 ‘원자층 침적(atomic layer deposition)’을 사용했다. 그래핀 막은 진공 챔버 내 하프늄을 포함하는 화학물질 안에서 일시적으로 중지됐다. 비록 화학반응이 그래핀과 일상적인 환경에서 일어나지는 않았지만 표면에너지가 상대적으로 높은 그래핀의 작은 기공에 달라붙을 수 있었다.

이러한 원자 층 침적을 여러번 반복한 후 산화 하프늄은 그래핀 내 모든 나노 크기의 원래 구멍을 메웠다. 그러나 O’Hern은 이 과정이 시간 소모가 너무 많아 같은 방법으로는 그래핀에 있는 보다 큰 구멍들을 채우기에 무리가 있다는 점을 깨달았고, 이후 연구진은 그래핀 내의 보다 큰 구멍들을 채우기 위해 ‘계면 공중합(interfacial polymerization)’ 방법을 사용했다.

 

미국 MIT공대·King Fahd 석유광물대·오크리지 국립실험실 합동 연구원들은 두 단계 공정에서 성공적으로 그래핀 내의 새는 틈을 봉합했다. 먼저 표면에 갈라진 틈처럼 보이는 그래핀 내에 본래의 결함들을 만드는 공정으로 구리 표면에 그래핀을 제조하고(위쪽 왼편), 이후 그래핀을 올리고 이를 기공이 있는 표면에 침적시켰다(위쪽 오른편). 이송은 보다 큰 구멍들과 갈라진 틈을 만들었다. 첫 번째 단계(아래 왼쪽)에서 연구팀은 갈라진 틈을 봉합하기 위해 하프늄(회색)을 침적시키고자 원자 층 침적을 사용고, 남은 구멍을 나일론(빨간색)으로 계면 중합해 플러그했다(아래 왼쪽).

 

일단 원래의 결합들이 공정되면 그래핀 막은 물 또는 혼합되지 않는 유기 용매, 두 액체의 경계에 잠기게 되는데, 각각과 반응해 나일론을 형성할 수 있는 두 개의 다른 분자들이 두 용액에 첨가되면 나일론 플러그가 그래핀 내의 찢어진 부분이나 구멍에서만 생기게 된다.   

 

 이 부분들은 두 개의 분자가 반응을 보이고 나일론을 만들 수 있는 유일한 부분으로, 이들 플러그들은 그래핀 내에서 보다 큰 결함들을 봉인하게 된다. 연구원들은 여기에 이전에 그들이 개발한, 그래핀 막 내에 아주 작지만 균일한 구멍을 내는 기술을 적용했다. 이 구멍들은 선택적으로 물을 통과시키고 보다 큰 불순물을 걸러낼 수 있다.

마지막으로 연구원들은 물을 펌핑해 그래핀 막에서 염과 다른 분자들이 통과되는지를 시험한 결과, 비록 염이 물보다 훨씬 빠른 속도로 통과되기는 하지만 보다 큰 분자들의 90% 이상이 분리막에 의해 보유되는 것을 관찰했다. 이러한 초기 실험은 그래핀 막이 현재 사용되는 여과막을 대신해 사용될 수 있다는 사실을 입증했다.

Karnik은 봉인과 투과 조절 기술이 주요 요소라는 점을 강조했다. “해수담수화와 나노여과는 응용 분야가 매우 넓으며, 만약 이 기술이 실제 실험에서 다른 요구사항들에 대해 잘 적응할 수 있으면 그 효과도 매우 클 것이다. 아울러 분리막 기술은 정밀화학 혹은 생물학적인 공정 기술 등 많은 분야에 유용하게 응용할 수 있다. 이번 연구는 센티미터 크기의 그래핀 막을 분자 여과막에 사용한 첫 번째 보고이며 매우 놀라운 결과”라고 말했다.

캘리포니아 리버사이드 대학 화학과 조교수인 De-en Jiang은 결함-봉합 기술을 “그래핀 여과막을 실용화가 되도록 만드는 큰 발전”이라고 평가했다. “결함을 봉합함과 동시에 여과를 위한 원하는 기공을 유지할 수 있는 이 두 단계의 기술은 매우 우수하다. 이는 보다 쉽게 사이즈를 크게 만들 수 있으며, 이번 연구를 통해 결함이 없고 후에 봉합할 수 있는 큰 그래핀 막을 처음으로 생산할 수 있게 됐다”고 Jiang은 말했다.

MIT 기계공학과 조교수 Rohit Karnik에 의하면 이번 MIT 연구는 그래핀 내의 구멍을 처음으로 성공적으로 봉합한 연구로, MIT와 KFUPM 청정수 및 깨끗한 에너지 센터, 국립과학재단 및 미국에너지부에서 지원했다.

 
MIT Researchers Enable Durable Filtration Membranes by Plugging Up Graphene Defects

 

Researchers from MIT, King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) and Oak Ridge National Laboratory have come up with a novel method to fill the defects or holes in graphene.

The unique properties of graphene make it ideal for use as water desalination or filtration membranes. However, graphene is only one-atom-thick and the detailed manufacturing process of membrane filters can tear it causing defective membranes that fail to trap all the contaminants.

In this work, the engineers employed a mix of ‘polymerization’ and ‘chemical deposition’ and with the help of an existing method created very small, but uniform pores in graphene, which are so tiny that only water molecules can pass through them.

Using this novel method, the engineers have created a large graphene membrane without any cracks or holes. The defect-free graphene membrane was about the size of a penny, which is significant as graphene needs to be produced at the centimeter or larger scale so as to meet the size requirements of filtration membranes.

Once the crack-sealing and pore creation processes were over, water was pumped into the graphene membrane, and it was able to filter water at the same rate as that of existing desalination or filtration membranes. Large impurities such as magnesium sulfate and dextran molecules were successfully removed by the graphene membrane.

“We’ve been able to seal defects, at least on the lab scale, to realize molecular filtration across a macroscopic area of graphene, which has not been possible before,” Karnik says.

“If we have better process control, maybe in the future we don’t even need defect sealing. But I think it’s very unlikely that we’ll ever have perfect graphene ­ there will always be some need to control leakages. These two [techniques] are examples which enable filtration.”

“The current types of membranes that can produce freshwater from saltwater are fairly thick, on the order of 200 nanometers,” O’Hern says.

“The benefit of a graphene membrane is, instead of being hundreds of nanometers thick, we’re on the order of three angstroms ­ 600 times thinner than existing membranes. This enables you to have a higher flow rate over the same area.”

The potential of graphene to act as a filtration membrane was being studied for a few years now by O’Hern and Karnik. Although the group produced membranes using graphene grown on copper substrate in 2009, copper being impermeable, the fabricated graphene needed to be transferred to a porous substrate. The team noted that cracks were created in graphene during this transfer and also that these defects were caused by impurities in the original material.

The research group used “atomic layer deposition” to fix intrinsic defects in graphene. The graphene membrane was pulsed in a chemical containing hafnium inside a vacuum chamber. Although the chemical does not interact with graphene under normal circumstances, it can stick to the tiny openings in graphene, where the surface energy is relatively high. After many cycles of atomic layer deposition, the hafnium oxide filled up all nanometer-scale intrinsic holes in graphene.

However, since O’Hern knew that it would be too time-consuming to fill in larger defects in graphene using the same method, the research team used “interfacial polymerization” to fill in larger holes in graphene. Once the intrinsic defects were fixed, the graphene membrane was immersed at the interface of two liquids - water and an immiscible organic solvent.

Two different molecules which can form nylon on reaction with each other were added to the two solutions. It was observed that nylon plugs were formed only at the tears and holes in graphene, which are the only areas where the two molecules can react and form nylon. These plugs sealed the larger defects in graphene.

The researchers then used a technique developed by them earlier to engrave minute but uniform holes in the graphene membrane. These holes were tiny enough to selectively let only water pass through and trap larger impurities.

Finally, the researchers tested the graphene membrane thus produced by pumping water having salt and several other molecules through it. They observed that up to 90% of larger molecules were retained by the membrane, though salt was allowed to pass through at a more rapid rate than water.

Although initial testing reveals that graphene can be a feasible alternative to currently used filtration membranes, Karnik feels that further advancement in the sealing and permeability controlling techniques is key.
“Water desalination and nanofiltration are big applications where, if things work out and this technology withstands the different demands of real-world tests, it would have a large impact,” Karnik says.

“But one could also imagine applications for fine chemical- or biological-sample processing, where these membranes could be useful. And this is the first report of a centimeter-scale graphene membrane that does any kind of molecular filtration. That’s exciting.”

De-en Jiang, an assistant professor of chemistry at the University of California at Riverside, sees the defect-sealing technique as “a great advance toward making graphene filtration a reality.”

“The two-step technique is very smart: sealing the defects while preserving the desired pores for filtration,” says Jiang, who did not contribute to the research. “This would make the scale-up much easier. One can produce a large graphene membrane first, not worrying about the defects, which can be sealed later.”

According to associate professor of mechanical engineering at MIT, Rohit Karnik, this MIT study reports the first ever successful sealing of the holes in graphene. The first author of the paper is Sean O’Hern, who is a former graduate research assistant at MIT. MIT graduate student Doojoon Jang, former graduate student Suman Bose, and Professor Jing Kong are the other contributors.

This research work was partially supported by the Center for Clean Water and Clean Energy at MIT and KFUPM, the National Science Foundation, and the U.S. Department of Energy.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015년 5월 12일 / 원문출처 : http://www.azom.com/news]