그래핀 산화물(GO)은 2017년에 500편 이상의 동료 심사 저널 논문에 등장하여 다양한 막 기술 응용 분야를 보여주었습니다. 500편의 논문 중 약 80편은 여과 응용 분야에서 그래핀 산화물의 사용을 연구했습니다(그림 1). 그래핀 산화물 연구는 2012년 Nair 등이 GO 막이 기체 상태의 다른 모든 화합물을 차단하면서 물은 막힘없이 투과시킨다는 것을 처음으로 입증한 이후로 빠르게 성장해 왔습니다. 1

2008년 이후 그래핀 산화물 막 응용 분야를 언급하는 논문 발표 

그래핀 산화물 멤브레인은 해수 담수화, 유수 분리, 가스 분리 및 투과증발 응용 분야에서 광범위하게 연구되어 왔습니다. 이 소재는 또한 상용 멤브레인 제품으로 개발되고 있습니다. 영국에 본사를 둔 G2O는 그래핀 산화물 멤브레인을 사용하여 물에서 기름을 분리하는 특허를 보유하고 있습니다. 이 기술은 석유 산업에서 해수를 담수로 바꾸는 데 적용됩니다. G2O는 현재 여러 산업 및 혁신 파트너와 협력하여 이 기술을 대량 생산하고 시장에 출시하기 위해 노력하고 있습니다 .

왜 그래핀 산화물인가?

높은 기계적 강도와 화학적 불활성, 거의 마찰이 없는 표면, 그리고 용액 내에서의 비용 효율적인 생산 덕분에 산화그래핀(GO)은 새로운 분리막 제조를 위한 나노 소재로서 강력한 가능성을 보여줍니다. 산화그래핀으로 만든 막은 작은 나노입자, 유기 분자, 심지어 큰 염까지도 걸러낼 수 있는 것으로 나타났습니다. 3

기존의 다른 막 소재와 비교했을 때, 원자 두께의 산화그래핀(GO) 층은 균일한 기공 크기 분포를 가지며 쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있어 실제 응용 분야에서 다른 막 소재보다 우위를 점합니다. 이렇게 만들어진 산화그래핀 막은 기존의 고분자 막보다 훨씬 얇기 때문에 더 낮은 에너지 소비로 훨씬 높은 투과 유량을 달성할 수 있습니다.

그래핀 산화물 막에 대한 연구는 앞으로 어떤 방향으로 나아갈까요?

그래핀 산화물 멤브레인을 이용한 해수 담수화 기술의 광범위한 적용을 가로막는 장애물 중 하나는 멤브레인이 물에 담그면 팽창한다는 점입니다. 이렇게 기공이 커지면 염화나트륨과 같은 작은 염 입자가 통과할 수 있게 됩니다. 또한, 그래핀 산화물 멤브레인의 낮은 내구성과 안정성 역시 다양한 응용 분야에서 극복해야 할 과제입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 현재 연구에서는 막 채널 크기를 제어하고 막의 내구성을 향상시키는 방법을 개발하고 있습니다. 4  또한, 담수화, 투과증발 및 기타 분야에 적용할 때 적절하고 조절 가능한 막 성능을 얻기 위해서는 그래핀 산화물 막을 통한 물과 이온의 수송에 대한 심층적인 이해가 필요합니다.

참고문헌:

[1] J. Abraham, KS Vasu, Ch. D.Williams, K.Gopinadhan, Y.Su, Ch. T.Cherian,...RR Nair, “그래핀 산화물 막을 이용한 이온의 조절 가능한 체질”, Nature Nanotechnology, 2017, 12, pp 546–550.

[2] https://g2o.co/

[3] M.Fathizadeh, WL Xu, F.Zhou, Y.Yoon, “그래핀 산화물: 정수를 위한 막 분리에 사용되는 새로운 2차원 물질”, Advanced Materials Interfaces, 2017.

[4] WL Xu, Ch. Fang, F.Zhou, Z.Song,† Q.Liu, R.Qiao 및 M.Yu, "자가 조립: 물 정화를 위한 초박형 고성능 산화 그래핀 멤브레인을 손쉽게 형성하는 방법", Nano Letters, 2017.