연구성과

환경 홍석봉 교수팀, 거울로 대칭되는 한 쌍의 기본유닛들로 만들어진 독특한 구조의 제올라이트 합성 성공

2018-03-19 487

[새로운 구조의 제올라이트 합성으로 다양하게 활용 전망]

홍석봉교수,서승완씨

제올라이트는 원유정제과정에서 휘발유 및 플라스틱 제품의 원료 생산을 위한 석유화학 촉매제로 널리 사용되고 있다. 아주 작은 구멍이 일정하고 규칙적으로 배열된 나노구조체인 제올라이트는 촉매제뿐 아니라 이온 교환제, 분리제 등의 용도로 널리 사용되고 있는 핵심 소재다. 특히 이들 물질의 물리화학적 성질은 일차적으로 그 세공구조에 따라 달라지는 까닭에 새로운 제올라이트의 합성 및 발견은 화학 관련 학문 및 산업 전반에 큰 파급효과를 가져올 수 있다.

환경공학부 홍석봉 교수팀은 박사과정 서승완 씨와 함께 거울로 대칭되는 한 쌍의 기본구조체로 이루어진 새로운 알루미노포스페이트*1 분자체 PST-13(POSTECH number 13)과 PST-14를 합성 하는데 성공했다.

연구팀은 다이에틸아민을 유기구조유도물질*2로 사용해 새로운 알루미노포스페이트 PST-13을 합성했고, 이 물질을 소성해 지금까지 전혀 보고되지 않은 새로운 구조의 PST-14를 만들어냈다. 스웨덴 스톡홀름 대학교의 샤오동 쩌우(Xiaodong Zou) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 지속적회전전자회절(continuous rotation electron diffraction) 분석법과 포항가속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터 분석을 이용해 PST-13과 PST-14 분자체의 구조 결정에 성공한 것이다.

특히 이 두 분자체는 현재까지 보고된 제올라이트 구조 중 최초로 한 쌍의 거울상 이성질체인 기본구조체로 구성되어 있는 특징을 가지고 있으며 모두 3차원 형태의 작은 세공 구조로 되어 있다고 밝혔다. 거울상 이성질체란 오른손과 왼손의 관계처럼 서로 거울에 비친 모습으로 똑같이 생겼으나 결코 겹쳐지지 않는 특성을 갖고 있으며, 이 두 분자체에서는 한 쌍의 이성질체가 서로 교대로 연결된 것이 주목할 만한 특징이다. 제올라이트를 촉매로 사용하는 반응에서는 세공의 기하학적 구조에 따라서 특정 반응이 빨라지거나 느려지고, 이로 인해 생성물의 조성이 달라지는 형상 선택성이 존재한다. 따라서 새로운 구조를 갖는 제올라이트를 발견한다면 기존 상용공정의 효율성 향상 및 비용 절감을 기대할 수 있다. 이러한 점에서 본 연구팀에서 발견한 제올라이트는 독특한 모양을 갖고 있어 기존의 제올라이트들과는 다른 독특한 형상선택성을 나타낼 것으로 기대된다.

연구팀은 이 제올라이트가 새로운 분리제, 흡착제, 촉매로 다양하게 활용될 것으로 기대된다고 밝히며, 새롭게 합성한 알루미노포스페이트 분자체 PST-14를 국제 제올라이트 협회(International Zeolite Association; IZA)에 세 자리로 구성되는 IZA 코드(POR) 등록을 신청할 예정이라고 밝혔다.

한편 이 연구는 화학분야 저명 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 VIP(Very Important Paper) 논문으로 3월 5일자 온라인판에 게재되었으며, 미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(리더연구자지원) 지원으로 수행되었다.
 


1. 알루미노포스페이트
미국 UOP사가 1980년대 초 처음으로 합성한 제올라이트 유사 물질. 골격이 알루미늄(Al)과 인(P)으로 구성되어 있으며 분리제, 흡착제, 촉매 또는 촉매 지지체로 이용

2. 유기구조유도물질
제올라이트의 구조적 특징에 따라 발생하는 음전하를 보상해주기 위해 합성과정에서 첨가하는 유기 양이온, 제올라이트 세공을 채우는 물질