2D material-based thin-film composite (TFC) membranes has been considered as an efficient separation platform for low-cost production of water, fuel, pharmaceuticals and petrochemicals. Most of all, graphene, a 2D carbon material with atomic thickness and excellent physicochemical properties (e.g., mechanical strength, chemical inertness, thermal/electrical conductivity) has been considered as an ideal starting material for high-performance membranes. Since the pristine graphene is extremely impermeable to any molecules due to its densely arranged carbon lattice (sp2-hybridized aromatic framework), creation of molecular transport pathways through the materialis essential for membrane applications. There have been several attempts to introduce micropores (< 2 nm) into the basal plane of graphene via ion bombardment or UV-irradiation, however, it was difficult to simultaneously achieve narrow pore-size distribution and high pore densities because those methods are based on random defect-generation mechanism. In this thesis, zeolite-templated synthesis of novel 2D carbon materials with extremely regular micropore size and high pore density and its membrane application will be discussed. Most zeolites have 3D microporous structures, but very few have 2D microporous structures and sufficiently large micropore sizes which is suitable for the carbon-growth inside the pores. It was found that high-quality 2D microporous carbon materialcan be obtained via carbon deposition inside the 2D porous channel of zeolite followed by the etching treatment of zeolite framework. This novel material possesses extremely regular micropore size (<1 nm) and unexpectedly high pore density (~70 pores/100 nm2), which is approximately several orders of magnitude higher than that of perforated graphene materials prepared through conventional top-down methods (~1 pore/100 nm2). This material can be fabricated into high-performance TFC membranes with the thickness of ~ 500 nm (selective layer) via solution-phase chemical exfoliation followed by vacuum-assisted self-assembly on porous nylon support. Thismembrane showed ultra-high solvent permeance which is up to 21-fold higher than that of conventional graphene oxide-based membrane, with high selectivity (>90% rejection) toward organic molecules larger than 300 g mol-1. This is originated from the unique porous structure of the carbon material, and it is expected that the paradigm-changing membrane which overcomes existing permeability/selectivity trade-off relationship can be realized through further optimization of membrane fabrication method.
2D 물질을 적층한 초박막 형태의 분리막 시스템은 물, 연료, 의약품 및 석유화학제품의 저비용 생산에 응용될 수 있는 분리 플랫폼으로 각광받아오고 있다. 그래핀 기반의 2D 물질들은 촘촘히 배열된 탄소 격자로 인해 물질 투과도가 없으며, 일반적으로 이들을 적층시켜 만들어지는 층간통로를 이용한 분리막이 널리 연구되고 있다. 만약 이러한 2D 탄소층 내부에 균일한 미세기공, 특히 각종 분자 및 이온의 분리에 적합한 초미세기공(<2 nm)을 도입할 수 있다면 높은 투과도와 선택도를 동시에 지니는 새로운 패러다임의 분리막을 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 그래핀에 고에너지 이온빔 처리를 통해 기공을 도입하려는 시도들이 있어왔으나, 균일한 크기를 가지는 미세기공의 도입이 어려워 큰 실효를 거두지 못하였다. 본 학위논문에서는 제올라이트를주형으로 사용한 상향식 탄소 설계를 통해 균일한 초미세기공이 고밀도로 존재하는 2D 탄소 소재를 제조하는 방법에 대해 다룬다. 일반적인 제올라이트는 3D 기공 연결구조를 가지기 때문에 2D 탄소 물질을 합성하려는 본 연구에는 적합하지 않으나, 이들 중 극히 일부는 2D 기공 연결구조를 지니며, 특히 탄소 골격이 형성될 수 있는 충분한 크기의 미세기공을 포함하고 있다. 본 연구에서는 이러한 제올라이트의 2D 기공 구조 내부에 탄소 전구체의 화학 증착법을 통해 탄소골격을 형성시킨 후, 제올라이트 골격을 녹여내면 판상형의 초미세다공성 2D 탄소 물질이 합성됨을 확인하였다. 본 물질은 1 nm 미만의 균일한 초미세기공이 약 70 pores/100 nm2의 매우 높은 밀도로 존재하며, 이러한 기공 밀도는 기존의 하향식 이온빔 처리를 통해 제조된 다공성 그래핀(~1 pore/100 nm2)과 비교하여 수십 배 이상 높은 수치이다. 이렇게 얻어진 2D 탄소 물질을 화학적 박리법을 통해 single- 또는 few-layer로 박리시킨 후, 진공여과법을 통해 약 500 nm의 두께를 지니는 2D 탄소 기반 분리막을 제조하였다. 해당 분리막은 동일한 두께의 산화 그래핀(Graphene oxide) 기반 분리막에 비해 최대 21배 높은 용매 투과율을 보였으며, 300 g mol-1 이상의 분자량을 지니는 용질에 대하여 90% 이상의 높은 제거 효율을 보였다. 이는 초미세다공성 2D 탄소 특유의 균일한 기공 크기와 비약적으로 높은 기공 밀도에 기인한 특성이라 여겨지며, 분리막 제조법의 최적화를 통해 기존의 투과도-선택도 trade-off를 극복한 고투과성/고선택성 분리막의 구현이 가능할 것으로 기대된다.
