포스텍 환경공학부 홍석봉 교수 연구팀이 유기구조유도물질*이 무기골격에 공유결합 되어 있는 새로운 결정성 유무기 혼합 분자체를 발견하고 이 물질의 결정화 메커니즘을 규명해냈다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)의 기초연구사업(리더연구자지원)의 지원을 받아 홍석봉 교수의 주도하에 박사과정 이준규씨가 제1저자로 참여하였으며, 연구 결과는 화학분야에서 세계최고 권위의 학술지인 ‘안게반테케미(Angewandte Chemie)’지 온라인판 8월 5일자(한국시간)에 게재되었다.

(논문명 : A Family of Molecular Sieves Containing Framework-Bound Organic Structure-Directing Agent)

유무기 혼합 분자체는 다공성의 무기골격에 유기물이 결합된 물질로서 이들의 합성은 새로운 촉매 또는 흡착제로서 유기물의 기능성 이용 측면뿐 아니라, 다공성 물질의 내부 표면 선택도를 조절하는 효과적인 방법으로 최근까지도 큰 이목을 끌고 있다.

연구팀은 하이드록실기(OH)를 포함하는 트리스하이드록시에틸메틸암모늄(Tris(2-hydroxyethyl)methylammonium) 또는 비스하이드록시에틸다이메틸암모늄(Bis(2-hydroxyethyl)dimethylammonium))을 유기구조유도물질로써 사용하여 합성되는 보편적인 실리코알루미노포스페이트* 분자체라고 보고되어 왔던 ECR-40*에 대하여 핵자기공명 분광법과 함께, 포항가속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터를 이용하여 구조결정(Rietveld Refinement)을 수행하였다. 그 결과, ECR-40가 골격구조 내 알루미늄(Al)과 유기구조유도물질이 직접적인 공유결합을 이루고 있는 새로운 유무기 혼합 분자체임을 확인하였다. 추가적으로 하이드록실기를 포함하는 새로운 유기구조유도물질들을 합성에 적용하고, 골격 내 게르마늄(Ge)을 동형치환하여 다양한 유무기 혼합 분자체들의 합성에 성공하였으며 이들 부류을 FOMS(Framework-bound Organic Structure-Directing Agent-Containing Molecular Sieve)라고 새롭게 명명하였다. 또한 합성용액 상에서 알루미늄과 유기구조유도물질이 공유결합 된 복합체(Complex)가 미리 생성되며, 이로부터 출발하는 ECR-40의 결정화 메커니즘을 새롭게 규명하였다. 이는 기존 전형적인 다공성 물질들의 메커니즘과는 전혀 다른 새로운 결과이다.

FOMS는 균일한 세공과 함께, 유기분자들이 무기골격에 직접적으로 강하게 공유결합 되어 있기 때문에 이를 이용하여 특정 분자에 대한 분리제, 흡착제 및 촉매로서 매우 유용할 것으로 전망된다. 뿐만 아니라, 이러한 유무기 혼합 분자체의 합성 및 결정화 메커니즘 연구를 바탕으로 새로운 무기골격과 유기물질이 결합된, 보다 큰 세공을 갖는 유무기 혼합 분자체 합성이 가능해진다면 이들을 이용한 새로운 응용분야를 개척할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

* 유기구조유도물질: 제올라이트의 구조적 특징에 따라 발생되는 음전하를 보상해주기 위해 합성과정에서 첨가하는 유기 양이온. 최종 합성된 분자체 내에서 무기골격과 직접적인 공유결합이 아닌, 단순히 세공을 채우며 갇혀있는 형태로 존재함.

* 실리코알루미노포스페이트: 작은 분자들이 드나들 수 있는 직경 1나노미터 이하의 나노구멍들이 규칙적으로 뚫려 있어 가솔린 생산 및 각종 석유화학산업에서 널리 이용되는 촉매인 제올라이트의 유사 물질. 골격이 알루미늄(Al), 인(P), 실리콘(Si)으로 구성되어 있으며 분리제, 흡착제, 촉매 또는 촉매 지지체로 이용.

* ECR-40: Exxon Corporate Research number 40. 1999년에 합성된 MEI 구조의 보편적인 제올라이트 유사물질로서, 최근까지 거대 공극을 갖는 보편적인 실리코알루미노포스페이트로 보고되어 왔음.

홍석봉 교수(왼쪽)와 이준규 박사과정 학생(오른쪽)

ECR-40의 결정 구조