금속 유기구조에 증착된 티타늄 원자에 대한 중수소의 흡착

Abstract

TPD(Temperature Programmes Desorption)을 이용하여 티타늄이 흡착된 두 종류의 MOF(IRMOF-3, HCC1)의 수소 흡착 특성에 관하여 연구하였다. 티타늄을 증착시킨 HCC1에 80K에서 중수소를 흡착시킨 뒤 얻은 TPD에서는 두 종류의 결합 형태를 보이고 있다. 이 중 250K(0.67eV) 이상에서 보이는 결합은 티타늄이 올라간 폴리아닐린에서의 수소흡착의 형태와 비교해볼 때 넓은 흡착형태, 동위원소 혼합, 티타늄 한 분자 당 결합한 수소의 적은 양이라는 공통점을 지니므로 티타늄에 중수소가 해리되어 결합된 원자흡착이라 생각된다. 반면, 100K의 피크(0.27eV)에서 보여지는 결합은 동위원소가 혼합되지 않고 중수소만 나오는 결합으로 250K 이상에서 보이는 결합과는 다른 결합형태로 생각된다. 하지만 이 결합이 티타늄과 중수소 사이에 쿠바스 상호작용에 의한 분자결합이라고 판단하기 어려운 것은 여전히 작은 수소의 흡착량에 있다. 이것은 같은 실험을 75K에서 수행하였을 때 저온의 피크가 더 낮은데서 생기며 4배 가량 커지는 것을 보았을 때 실제 티타늄과 수소는 더 낮은 온도에서 결합하는 것을 예상할 수 있다. 이는 IRMOF-3에서 얻은 저온 peak가 HCC1의 저온 피크의 넓이보다 더 큰 것을 볼 때 HCC1의 경우 많은 양의 수소가 흡착온도의 문제로 흡착하지 않았다. 80K, UHV에서 티타늄이 증착된 HCC1은 수소와 중수소간의 동위원소 교환이 일어난다. 이 때 HD에 비하여 나중에 교환한 D2의 양이 3.5배 더 큰 것은 대부분의 교환이 해리를 거치지 않고 분자상태로 교환되어 일어난 현상으로 보인다. 이 현상은 티타늄과 수소가 100K 이하에서는 분자상태로 흡착할 수도 있는 가능성을 보여준다고 생각한다. 증착된 티타늄의 반복성에 대한 실험에서는 100K 부근의 피크의 크기가 1/5 정도 수준으로 작아진 것으로 보아 티타늄과 수소간의 저온에서의 결합은 비가역적이다. 피크의 모양과 위치가 달라지지 않은 것으로 보아 티타늄의 환경이 바뀌어지지는 않은 것으로 보인다. 생각할 수 있는 가능성은 티타늄이 첫 번째 TPD때 가해진 열을 통하여 MOF나 다른 의도하지 않은 물질과 반응하여 수소와 반응할 티타늄의 수가 줄어들었을 가능성이 크다. IRMOF-3와 HCC1의 분해실험을 통하여 실제로 MOF 내부에 solvent가 완전히 제거되지 않았다는 것을 확인하였다