정밀화학과 석유화학 등에 촉매제로 활용되는 나노다공성 물질 제올라이트의 골격 원소의 움직임이 처음으로 밝혀졌다.
홍석봉 포스텍(POSTECH) 환경공학부 교수와 신지호 박사, 안락호 박사과정 연구팀은 제올라이트 내 원소의 위치와 분포를 명확히 밝히는 데 성공했다.
이 연구결과는 세계적 화학 학술지인 ‘안게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판을 통해 소개됐다. 이 논문은 상위 5%의 중요도를 갖는 주요논문으로 평가받았다.
연구팀은 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)으로 구성된 ‘NAT 구조’의 제올라이트를 처음으로 합성, 제올라이트의 골격 속 원소의 동역학적 움직임을 밝히는 데 성공했다.
촉매제로 활용되는 제올라이트는 특히 물질의 골격을 이루고 있는 알루미늄의 양에 의해 결정되지만, 양이 같아도 분포가 다르면 제올라이트의 물리화학적 특성이 바뀌어 촉매제로서의 특성이 달라진다.
특히 제올라이트가 결정화된 직후에는 제올라이트의 골격원소들이 무질서하게 분포돼 있다가 시간이 흐름에 따라 이 원소들이 점점 규칙적으로 분포되는 현상에 대해서는 구체적으로 밝혀진 바가 없다.
연구팀은 최근 실리콘과 알루미늄으로 이루어진 NAT 구조의 제올라이트 합성에 성공, 이를 제올라이트의 또 다른 골격 원소로 알려진 갈륨(Ga)을 포함한 화합물과 반응시켰다. 그 후 투과전자현미경과 고체 NMR 분석법을 통해 제올라이트 속 갈륨원자의 분포 변화를 관찰했다.
그 결과, 결정화 초기에는 제올라이트 외부 표면에만 집중적으로 분포되어 있던 갈륨이 시간이 지나면서 차츰 제올라이트 결정 안으로 이동하고, 결국 결정 속에서 균일하게 분포되는 현상을 확인했다. 제올라이트 속 골격원소들이 제올라이트의 세공을 통해 점차 확산되는 것이 아니라 원소들 간의 자리 이동을 통해 열역학적으로 안정한 곳에 규칙적으로 위치하게 된다는 것.
홍석봉 교수는 “이번 연구 성과는 앞으로 제올라이트 속 골격원소의 위치와 분포 특성을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다”며 “원하는 용도에 따라 제올라이트의 물리화학적 특성을 인위적으로 조절해 기존 물질과는 전혀 다른 새로운 물성을 가지는 제올라이트를 개발하기 위한 선행연구로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 포스코(POSCO)의 지원을 받아 수행됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
