가장 큰 단위격자를 갖는 제올라이트의 설계 및 합성

포스텍 환경공학부 홍석봉 교수 연구팀이 최근 독자적인 구조 확장 원리를 이용하여 새로운 제올라이트 구조를 이론적으로 예측하고, 합리적 설계를 통하여 해당 제올라이트 두 종을 실제로 합성하는 데 성공하였다.

이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(리더연구자지원) 지원을 받아 홍석봉 교수의 주도하에 신지호 박사가 제1저자로 참여하였으며, 연구 결과는 화학 분야에서 세계 최고 권위를 지닌 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지에 3월 16일자 온라인판에 게재되었다. 한편 이 논문은 이 학술지에 게재되는 논문 중 상위 5% 이내의 중요도를 갖는 논문으로 평가를 받았다.

(논문명: Targeted Synthesis of Two Super-Complex Zeolites with Embedded Isoreticular Structures)

나노다공성 재료로 대표되는 제올라이트는 현재 화학 및 에너지·환경 분야에서 촉매, 이온교환제, 분리제 등의 용도로 널리 사용되고 있다. 특히 제올라이트는 이론적으로 300 만 종 이상의 서로 다른 구조가 존재하며, 만약 이들의 독특한 기하학적 구조 및 조성에서 기인하는 특성을 활용할 수 있다면 기존 공정의 획기적인 개선은 물론 현존 기술의 한계 또한 극복할 수 있는 무한한 응용 가능성을 지니고 있다. 하지만 2016년 3월 현재까지 발견된 제올라이트 구조의 수는 230여종에 불과하며 대부분 시행착오접근(Trial and error)방식으로 만들어졌다. 따라서 목표로 하는 특정 구조의 제올라이트를 실제로 합성하는 연구는 특히 산업적으로 매우 중요한 의미를 갖는다.

본 연구팀은 일정한 규칙성을 가지고 구조확장을 하는 Rho 제올라이트 군(RHO family)을 기반으로 컴퓨터 모델링을 이용하여 한층 더 확장된 가상의 구조들을 예측 및 설계하였다. 또한 해당 구조를 갖는 제올라이트를 합성하기 위해 기존 제올라이트 합성에 쓰이는 구조유도물질을 선택적으로 적용하고 실리카, 알루미나, 그리고 물 함량을 조절하는 합리적 합성 방법을 이용하여 제올라이트 2 종 합성에 성공하였다. 연구진은 X-선 회절데이터, 투과전자현미경을 이용하여 구조결정에 성공하였으며, 해당 제올라이트의 이름을 각각 ‘PST-26 제올라이트(PoSTech no.26)’와 ‘PST-28’로 명명하였다. 특히 PST-26과 PST-28 제올라이트는 현재까지 알려진 제올라이트 중 가장 큰 단위격자부피(422,655 Å3와 614,912 Å3)를 가짐과 동시에 결정학적으로 가장 복잡한 구조임을 밝혀내었다. 기존에 알려진 가장 큰 구조를 갖는 제올라이트는 본 연구팀이 선행연구에서 합성한 PST-25로서 275,178 Å3 의 단위격자부피를 갖고 있다.

이번 연구성과는 기존 단순한 시행착오접근으로만 행해지던 제올라이트 합성 방식에서 벗어나, 특정구조를 예측하고 설계를 통하여 ‘타깃(target)’ 제올라이트의 합성이 실제로 가능함을 성공적으로 증명하였다는 데 그 의의가 있다.

그림1. Rho 제올라이트 군(RHO family)의 골격구조 단면도. 오른쪽 끝 두 구조(파란색으로 표시)는 본 연구에서 예측하고 설계를 통하여 합성한 PST-26과 PST-28 제올라이트.