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| 포스텍 홍석봉 교수팀, 제올라이트 촉매 구조형성 과정 규명 |
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| 제올라이트 결정화 메커니즘 연구에 새로운 비전 제시 |
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한국에너지절약신문 
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| ▲ Journal of the American Chemical Society(JACS) 표지논문 그림. © 한국에너지절약신문 | | 국내 연구팀이 흡착제, 이온교환제, 석유화학 촉매 등으로 널리 사용되고 있는 대표적인 나노다공성 재료인 제올라이트 촉매의 결정화 과정을 실험적으로 규명해냈다.
제올라이트(zeolite)는 모래의 주성분 실리카와 알루미늄으로 이뤄진 결정성 광물이다. 반응분자들이 결정 내부에 규칙적으로 뚫려 있는 직경 1나노미터 이하의 나노구멍을 드나들 때 촉매반응을 일으킨다. 가솔린 생산 및 각종 석유화학산업에서 널리 이용되는 촉매이다.
POSTECH 화학공학과/환경공학부 홍석봉 교수의 주도하에 박사과정 박민범 씨가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 : 이주호)와 한국연구재단(이사장 : 이승종)이 추진하는 리더연구자 지원사업(창의 적연구)과 미국 정유 및 석유화학 기업 UOP사의 지원으로 수행되었다. 특히 이번 연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS) 최신호(2월 13일자) 표지논문(논문명 : Formation Pathway for LTA Zeolite Crystals Synthesized via a Charge Density Mismatch Approach)으로 소개되었고 Spotlights란에 별도로 소개되었다.
제올라이트는 뛰어난 촉매활성으로 인해 석유화학 공정은 물론 합성세제와 농약, 냉매의 흡착제 등으로 널리 사용된다.
이 나노다공성 재료의 결정화는 개별적 구성 단위로부터 진행된다는 가설이 있었으나 그 형성과정을 기존의 적외선분광법이나 전자현미경으로 알아내기에는 상대적으로 크기가 큰 기본 구성 단위의 추적이 어려워 한계가 있었다. 제올라이트의 결정화 과정을 핵자기공명법을 이용해 실험적으로 명확히 입증한 경우는 이번이 처음이다.
연구팀은 전하밀도 비대칭 합성법을 통해 제올라이트를 구성하는 개별 구성단위의 분자 수준에서의 결정화 순서를 알아냄으로써 제올라이트 구조형성 메커니즘을 규명해냈다. 연구에는 가장 잘 알려진 제올라이트 중의 하나인 제올라이트 A(LTA)의 일종인 제올라이트 UZM-9이 이용됐다.
전하밀도 비대칭(Charge density mismatch, CDM) 합성법이란 두 가지 이상의 구조 유도 물질(Structure-directing agent, SDA)의 협력적 구조 배향 능력으로부터 새로운 조성 또는 구조를 갖는 제올라이트를 합성하는 방법이다.
이를 통해 LTA 구조를 형성하는 3가지 기본 구성 단위(lta-, sod-, d4r-cage)중 가장 큰 구성 단위(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 결과이다.
핵생성(nucleation)은 구조유도물질을 중심으로 골격 형성 물질이 모여 제올라이트의 핵이 만들어지는 단계이다.
합성 시 사용한 유기 구조 유도 물질과 제올라이트 기본 구성 단위들과의 상호작용 차이를 탄소 고체 핵자기공명 분광법과 적외선 분광법 등을 통해 관찰함으로써 결정화 과정에 따른 기본구조를 구별할 수 있었다.
유기 구조 유도 물질은 제올라이트의 구조에 따라 발생하는 음전하를 보상해주기 위해 합성 과정에서 첨가하는 유기 양이온, 제올라이트 세공을 채우는 물질이다.
고체 핵자기공명 분광법은 고체 시료에 대한 핵자기공명 기술로서 자기장 내에 놓인 고체 시료를 특정 각도로 기울이고 고속으로 회전 시켜줌으로써 고체 시료의 특성들을 제거하여 물질 안에 존재하는 Si, Al, 또는 C 원자에 대한 해석에 쓰인다.
또한 핵형성 및 결정 성장 단계에서의 각 구조유도 물질들의 개별적 역할에 대해 명확한 근거를 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.
/ 엄재성 기자 news@energysavingnews.kr/
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| 기사입력: 2013/02/20 [17:06] 최종편집: ⓒ 한국에너지절약신문 |
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