홍석봉(화공) 교수와 박민범(화공 박사과정) 씨 연구팀이 흡착제, 이온 교환제, 석유화학 촉매 등으로 널리 사용되고 있는 대표적 나노 다공성 재료인 제올라이트 촉매의 구조형성 메커니즘을 규명해냈다.
제올라이트는 뛰어난 촉매 활성으로 석유화학 공정은 물론 합성세제와 농약, 냉매의 흡착제 등 화학산업 전체에서 고체 촉매물질의 40%를 차지하는 것으로 알려졌을 만큼 주목받는 물질이다. 하지만 제올라이트의 복잡한 구조의 형성과정에 대해서는 많이 알려지지 않았다. 지금까지 개별적 구성단위부터 결정화가 진행되어 제올라이트의 구조가 형성된다는 가설이 있었지만 이를 실험적으로 명확히 입증한 경우는 처음이다.
연구팀은 전하밀도 비대칭 합성법을 통해 제올라이트 구조형성 메커니즘을 규명해냈다. 실험에서는 제올라이트 A(LTA)의 일종인 제올라이트 UZM-9 이 이용됐으며, 연구팀은 LTA 구조를 형성하는 기본구성단위 중 가장 큰 LTA-cage가 핵생성 과정에서 가장 먼저 형성된다는 사실을 실험적으로 명확히 입증해냈다.
합성 시 사용한 유기 구조유도물질과 LTA 구조를 형성하는 기본구성단위들과의 상호작용 차이를 탄소 고체 핵자기공명 분광법과 적외선 분광법 등을 통해 관찰함으로써 결정화 과정에 따른 기본구조를 구별할 수 있었다. 또한, 핵형성 및 결정 성장 단계에서의 각 구조유도 물질들의 개별적 역할에 대해 명확한 근거를 제시할 수 있었다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자 지원사업(창의적연구)과 정유 및 석유화학 분야의 세계적 기업인 미국 UOP사의 지원으로 수행됐다. 특히 이번 연구결과는 <미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)> 최신호(2월 13일 자) 표지논문으로 소개됐고 같은 호 JACS Spotlights란에 별도로 소개됐다.
홍 교수는 “상업적으로 중요한 다른 제올라이트 촉매들의 구조형성을 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있으며 더 나아가 새로운 물성을 갖는 맞춤형 소재를 디자인하기 위한 선행연구로서 매우 중요한 결과라고 할 수 있다”라고 연구의의를 밝혔다.