가스 분리막은 에너지 효율적인 가스 정제와 탄소 포집을 위한 핵심 기술이지만, 기존의 고분자 분리막은 투과도 와 선택도 사이의 상충관계를 피하기 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다공성 소재가 유망한 대안으로 주목받고 있다. 본 리뷰에서는 가스 분리막 분야에서 최근 활발히 연구되고 있는 주요 다공성 소재인 금속-유기 골격체(MOFs), 제올라이트, 그리고 기타 다공성 소재에 대한 연구 동향을 정리한다. 조절 가능한 기공 구조를 갖는 MOF는 혼합매질 막(MMMs)에 필러 또는 단독 막 형태로 적용되어 선택도와 투과도를 향상시킨다. 제올라이트는 우수한 분자체 성능과 높은 내구성을 바탕으로 까다로운 분리 공정에서도 탁월한 성능을 보인다. 또한 다양한 차세대 다공성 소재 는 기존의 한계를 뛰어넘는 성능을 구현 할 수 있는 분리막 재료로 평가된다. 최근 연구들은 다공성 필러를 도입하거나 다공성 구조를 지닌 매트릭스를 설계함으로써, 기존 고분자 분리막의 한계를 넘어서는 높은 선택도와 투과도를 동시에 달성할 수 있음을 보여준다. 본 리뷰는 다공성 소재 기반 고성능 가스 분리막 연구의 최신 동향을 정리하고, 향후 발전 방향에 대한 통찰을 제공하는 데 목적이 있다.

공유결합 유기 구조체(covalent organic framework, COF)는 정밀한 기공 설계와 우수한 구조적 안정성을 동시에 갖춘 새로운 다공성 유기 소재로, 기존 고분자 분리막이 지닌 투과도–선택도 한계를 극복할 수 있는 유망한 대안으로 주목받 고 있다. 본 총설에서는 2차원 COF를 분리막 소재 측면에서 정리하고, 모노머 수준의 분자 설계와 다양한 화학 결합 전략을 통해 기공 크기와 구조를 원자 수준에서 정밀하게 조절함으로써 높은 투과도와 선택도를 동시에 달성할 수 있다는 점을 그 주요 장점으로 논의한다. 용매열 합성, 계면 중합, 나노시트 조립, 혼합 매트릭스 막 등 2차원 COF를 제조하는 방법을 살펴 보며, 이렇게 제조된 2차원 COF 분리막의 응용 분야로서 기체 분리, 수처리 및 유기용매 나노여과, 그리고 이온분리에 대해 다루었다. 마지막으로, COF 분리막의 상용화를 위해 해결해야 할 기술적 과제와 향후 연구 방향을 제시하였다.

분자 각인 막(molecularly imprinted membrane, MIM)은 선택적 분자 인식과 막의 장점을 통합할 수 있는 분리 공 정으로 주목받고 있다. 흡착, 추출, 증류와 같은 기존 기술은 낮은 선택성이나 높은 에너지 요구로 인해 한계가 있다. 반면 MIM은 템플릿 구조를 모방한 결합 부위를 제공함으로써 더 높은 정밀도와 안정성을 구현한다. 최근 연구에서는 약물 정제, 리소자임 회수, 키랄 분리, CO2 포집 등 다양한 분야에서 MIM의 활용 가능성이 입증되었다. 표면 분자각인, 나노필러 도입, 친화력 기반 상호작용과 같은 설계 전략은 이러한 광범위한 시스템에서 높은 선택성과 투과성을 가능하게 한다. 본 리뷰는 이러한 설계 전략들을 최신 동향 중심으로 정리하며, MIM이 다양한 분리 문제를 해결하는 데 있어 점점 더 중요한 역할을 수행하고 있음을 강조한다.

본 연구에서는 α-Al2O3 중공사 지지체 위에 γ-Al2O3, SiO2 산화막 및 Pd 금속막을 각각 증착하여 수소 분리막을 제작하고, 암모니아 열분해 반응 후 생성되는 혼합기체(H2, N2, NH3)에 대한 투과 성능을 비교⋅분석하였다. scanning electron microscope과 atomic force microscope 분석 결과, 산화막 코팅을 통해 표면 조도가 크게 개선되어 Pd 무전해도금 시 결 함 억제에 기여할 수 있음이 확인되었다. 기체투과실험은 450°C, 0.5~2.0 barg 조건에서 수행되었으며, 산화막 기반 분리막은 기공 투과 메커니즘에 의해 최대 수소 순도가 82%에 머무른 반면 금속막 기반 분리막은 용해–확산 기반의 bulk diffusion 메 커니즘을 통해 97% 이상 순도의 수소를 안정적으로 분리하였다. 특히 Pd/α 중공사막은 2 barg에서 15 mL/min 이상의 수소 flux와 1900 이상의 H2/NH3 seperation factor을 기록하며 산화물 기반 분리막보다 월등한 성능을 보였다. 결론적으로 산화물 막은 단독 분리 성능은 제한적이지만 Pd 증착을 위한 전처리 및 중간층으로서 유효함이 확인되었으며, Pd 중공사막은 고온 수소 정제 공정에 가장 적합한 선택지임을 입증하였다.

메탄화 공정은 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술의 하나로, 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이다. 본 연구는 메탄화 반응기 배출가스에서 생성가스인 메탄과 미반응 수소를 분리하기 위한 가스 분리 시스템 설계를 위한 사전 연구로, 소형 막 모듈을 이용한 2단 분리막 시스템을 설계⋅제작하고 시험 가스인 질소-수소 혼합가스에 대한 분리 성능을 실험적으로 평가하 였다. 1단 막 모듈에서는 질소-수소 혼합가스에 대한 혼합 가스 선택도를 측정하였으며, 1단 및 2단 막 모듈 모두에서 잔류 측과 투과 측의 목표 가스 회수율 및 순도를 분석하였다. 본 연구에서 수행한 국내 A사 막 모듈의 성능 분석 결과는 향후 메 탄화 반응 가스 분리 시스템 설계 및 최적화 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.

Covalent organic framework (COF) membranes have emerged as promising candidates for hydrogen purification due to their tunable pore sizes and robust structures. However, achieving high selectivity and permeability simultaneously remains a challenge due to the inherent pore size distribution of COF materials. In this study, we fabricated two distinct COF membranes, TpPa-1 and TpTGCl, with pore sizes of 1.8 nm and 0.39 nm, respectively, using tailored synthesis methods. The TpTGCl membrane, synthesized via room temperature interfacial polymerization and vacuum-assisted filtration, exhibits an ultrathin nanosheet structure with an interlayer π–π stacking distance of 0.33 nm. This unique architecture, combined with its affinity for CO2 adsorption, enables exceptional hydrogen separation performance, achieving a H2/ CO2 selectivity of 52.5 and a H2 permeability of 3.49 × 10– 7 mol m− 2 s− 1 Pa− 1. Molecular dynamics simulations confirmed the steric hindrance effect as the primary mechanism for the selective permeation of hydrogen. The TpTGCl membrane effectively sieves larger gas molecules ( CO2, N2, CH4, etc.) without the need for material modification or excessive membrane thickness. This study demonstrates the potential of COF membranes with tailored pore sizes for high-performance hydrogen purification and offers valuable insights for the development of advanced separation technologies.

Combining CuPc with semiconductor materials as organic‒inorganic hybrid photocatalysts can effectively improve the light absorption capacity and separation efficiency of photogenerated electrons and holes in semiconductor photocatalysts. Herein, a CuPc/Bi2WO6 Z-scheme heterojunction was successfully designed and used for CO2 photoreduction. The separation of photogenerated electrons and holes is greatly enhanced because of the formation of a compact organic‒inorganic heterointerface and the built-in electric field between CuPc and Bi2WO6, which increases the photocatalytic CO2 reduction efficiency. Moreover, the photosensitizer CuPc can effectively enhance the light absorption of Bi2WO6. The optimal 1CuPc/ Bi2WO6 composite exhibits the best photocatalytic performance, with a CO production rate of 2.95 μmol g− l h− 1, which is three times greater than that of Bi2WO6 under visible-light irradiation. This work provides a new idea for the construction of an organic‒inorganic photocatalytic system for CO2 reduction.