Metal-organic frameworks (MOFs) which consist of metal complex and organic ligand with coordination bonding are crystalline nanoporous materials and more than 80,000 MOFs have been synthesized with diverse components. MOFs can be applied to adsorbent, catalyst, sensor, gas storage and separation by virtue of high surface area and high tunability. Composite metal-organic frameworks which consist of MOF and other materials and complement each other have been actively studied for the last 10 years to apply MOFs to realistic applications. However, the number of MOF-MOF composite materials was limited despite the conceivable combinations of MOF-MOF were enormously large. Therefore, it is important to investigate the unexplored material space of MOF-MOF composite, design and synthesize the new composite MOF-MOF. For efficient discovery of new composite materials, a joint computational/experimental approach where computational screening is conducted to find more possible candidiates before experimentalists try to synthesize new materials is necessary. In this thesis, computational design of (1) hetero-interpenetrated MOFs and (2) MOF@MOF or Core-Shell MOF composite were conducted using large MOF database and algorithm to analyze the structural information and identify whether MOF composite can be formed using two different MOF structures. Furthermore, for the real synthesis of polymorphic MOFs which have good properties but are difficult to be directly synthesized, MOF assembly algorithm using top-down approach and algorithm for MOF@MOF screening were combined to obtain the pairs of polymorphic MOF and the seed MOF which can be used to synthesize the polymorphic MOF. As a results, the new types of composite MOFs were computationally designed and the predicted core shell MOFs were successfully synthesized in experiments. The results demonstrate that computational method can be useful tool to accelerate the development of new composite MOF.
금속-유기 구조체(Metal-organic frameworks, 이하 MOFs)는 금속 빌딩블록과 유기 리간드가 서로 배위 결합하여 구조체를 이루는 나노 다공성 물질로 다양한 구성성분을 사용함으로써 지금까지 80,000 여가지 이상의 종류가 합성되었다. MOF는 표면적이 넓고, 합성 후처리 방법으로 다양하게 그 물성을 조절할 수 있어 흡착제, 촉매, 기체 저장 및 분리물질, 센서 등에 다양하게 응용될 수 있는 물질이다. 최근 10년 전부터 MOF를 실제 환경에서 응용하기 위해 장점은 살리면서 단점은 보완하는 복합물질의 형태로 합성하여 사용하려는 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 그러나 지금까지 합성된 MOF의 개수를 고려할 때, MOF-MOF 단순조합으로도 무수한 조합이 가능하나 실제 합성된 MOF-MOF 복합물질은 아직까지 그 수가 많지 않다. 따라서 아직 탐구되지 않은 금속-유기 구조체간 복합물질의 잠재적인 물질 공간을 탐구하여 아직 합성되지 않은 복합물질을 디자인하고 합성하는 연구들은 중요하다. 보다 효율적인 신복합물질 개발을 위해서, 컴퓨터를 사용하여 먼저 물질을 디자인하여 무수한 조합으로부터 합성 가능성이 높은 소수의 조합을 선별하고 이를 실험적으로 시도하는 시뮬레이션-실험 간 협업은 아주 중요하다. 본 연구에서는 잠재적인 MOF-MOF 물질공간을 탐구하기 위해 MOF 구조 데이터베이스와, 구조분석과 새로운 형태의 MOF 복합물질이 생성될 수 있는지 확인하는 간단한 알고리즘 코드를 활용하여 (1) 이종상호 침투된 MOF 복합물질 (Hetero-interpenetrated MOFs)과 (2) 이종 MOF들로 구성된 코어-쉘 (Core-Shell) 또는 MOF@MOF 복합물질을 컴퓨터로 디자인하는 연구를 진행하였다. 더 나아가 코어-쉘 방법론을 응용하여, 우수한 성능을 가질 가능성이 있지만 직접적으로 합성하기 힘든 동질이상 금속-유기 구조체(polymorphic MOFs)를 합성하기 위해 MOF 자가조립 코드와 MOF@MOF 스크리닝 방법을 조합하여, 동질이상 MOF와 이를 합성하기 위한 시드(seed) MOF 쌍을 컴퓨터로 선별하였다. 결과적으로, 기존에 존재하는 물질들의 구조를 분석하여 새로운 형태의 복합물질을 컴퓨터로 미리 디자인하고 실제 합성에도 성공함으로써, 컴퓨터 시뮬레이션 연구가 새로운 MOF 복합물질의 개발을 가속화시켜 효율적인 물질개발에 유용한 도구가 될 수 있다는 것을 증명하였다.
