▲ 홍석봉 교수(左)와 박민범 박사과정 학생.

국내연구팀이 대표적인 나노다공성 재료인 제올라이트 촉매의 결정화 과정을 실험적으로 규명했다.

POSTECH 화학공학과/환경공학부 홍석봉 교수의 주도하에 박사과정 박민범 씨가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자 지원사업(창의적연구)과 미국 정유 및 석유화학 기업 UOP社의 지원으로 수행됐다. 특히 이번 연구결과는 미국화학회지 JACS(Journal of the American Chemical Society) 최신호 (2월13일자) 표지논문으로 실렸다.

제올라이트(zeolite)는 모래의 주성분 실리카와 알루미늄으로 이뤄진 결정성 광물로 반응분자들이 결정내부에 규칙적으로 뚫려있는 직경 1나노미터 이하의 나노구멍을 드나들 때 촉매반응을 일으킨다.

이러한 제올라이트의 뛰어난 촉매활성으로 인해 가솔린 생산 및 각종 석유화학 공정은 물론 합성세제와 농약, 냉매의 흡착제 등으로 널리 사용된다.

제올라이트의 나노다공성 재료의 결정화는 개별적 구성단위로부터 진행된다는 가설이 있었으나 그 형성과정을 기존의 적외선분광법이나 전자현미경으로 알아내는 데에는 상대적으로 크기가 큰 기본구성단위의 추적이 어려워 한계가 있었다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 연구팀은 핵자기공명법을 이용해 처음으로 제올라이트의 결정화과정을 실험적으로 명확히 입증했다.

연구팀은 전하밀도 비대칭 합성법을 통해 제올라이트를 구성하는 개별 구성단위의 분자수준에서의 결정화 순서를 알아냄으로써 제올라이트 구조형성 메커니즘을 규명해냈다. 연구에는 가장 잘 알려진 제올라이트 중의 하나인 제올라이트 A(LTA)의 일종인 제올라이트 UZM-9이 이용됐다.

이를 통해 LTA 구조를 형성하는 3가지 기본구성단위(lta-, sod-, d4r-cage)중 가장 큰 구성단위(lta-cage)가 핵생성 과정에서 가장 먼저 형성된다는 사실을 실험적으로 입증했다. 기존 크기가 가장 작은 구성단위(d4r-cage)의 자기조립에 의한 LTA 구조의 형성이론과는 다른 결과다.

▲ Journal of the American Chemical Society (JACS) 표지논문그림.

합성시 사용한 유기 구조유도물질과 제올라이트 기본구성단위들과의 상호작용 차이를 탄소 고체 핵자기공명 분광법과 적외선 분광법 등을 통해 관찰함으로써 결정화 과정에 따른 기본구조를 구별할 수 있었다.

또한 핵형성 및 결정 성장 단계에서의 각 구조유도 물질들의 개별적 역할에 대해 명확한 근거도 제시할 수 있었다.

홍 교수는 “상업적으로 중요한 다른 제올라이트 촉매들의 구조형성을 이해하는데 중요한 단서를 제공할 수 있으며 더 나아가 새로운 물성을 갖는 맞춤형 소재를 디자인하기 위한 선행연구로서 매우 중요한 결과라고 할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.