연구성과

고효율 CO2 흡착제 개발 및 맞춤형 제올라이트 합성 길 열려

2015-07-16365
 에너지·환경 산업의 핵심소재 설계 및 합성
 
고효율 CO2 흡착제 개발 및 맞춤형 제올라이트 합성 길 열려
 
미래창조과학부(장관 최양희)는 “국내연구진이 국제 공동연구로 고효율 석유화학 공업의 핵심 소재인 제올라이트의 새로운 구조를 직접 설계하고 합성하는 데에 세계 최초로 성공하였다”라고 밝혔다.
 
홍석봉 교수, 신지호 연구원 등은 기존의 시행착오적(Trial&Error) 방식에서 벗어나 제올라이트 구조를 직접 설계하고 합성하는 연구를 샤오동 쩌우(Xiaodong Zou, 스톡홀름대, 스웨덴)교수팀, 폴 라이트(Paul A. Wright, 세인트앤드류스대, 영국)교수팀과 공동으로 수행하였으며, 포항 가속기연구소(PAL, 소장 조무현)와 프랑스 가속기 연구소(ESRF)가 협력했다. 이 연구는 미래창조과학부의 기초연구사업(리더연구자지원)의 지원으로 이루어졌으며, 이번 연구 결과물은 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처(Nature)지 온라인판 7월 16일자(한국시간)에 게재되었다.
 
논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
– 논문명: A zeolite family with expanding structural complexity and embedded isoreticular structures
– 저자 정보: 홍석봉(교신저자, 포항공대 교수), 신지호(제 1저자, 포항공대 박사), 최현준(공동저자, 포항공대 석사과정), 민정기(공동저자, 포항공대 박사과정)
 

논문의 주요 내용은 다음과 같다.


1. 연구의 필요성

가.석유화학, 천연가스 등 에너지 자원 생산 효율을 높이고 기후변화 문제 해결을 위해 이산화탄소
     분리·회수에 대한 관심이 높아짐에 따라, 에너지·환경 산업에서 다용도로 활용되며 개발가능성이
     무궁무진한 핵심소재 ‘제올라이트’에 대한 관심이 증대됨.

제올라이트 : 실리콘과 알루미늄 원자가 산소 원자와 정사면체 구조를 이루며 결합된 결정성 물질로, 무수히 뚫려있는 미세한 구멍을 이용하여 이산화탄소를 흡·탈착하는 흡착제로 각광받고 있음. 이 외에도 화학 및 에너지·환경 관련 사업에서 촉매, 이온 교환제, 분리제 등의 다양한 용도로 널리 쓰이지만 국내에는 원천기술이 전무했음.

 나. 
제올라이트는 재료 및 물의 조성, 유기 구조 유도 물질의 종류와 크기, 합성 온도, 합성 시간 등
     다양한 요인에 의해 영향을 받아 아직 그 정확한 합성 메커니즘이 밝혀지지 않았음. 때문에
     새로운 구조를 갖는 제올라이트를 설계하고 합성하기는 굉장히 어려움. 이론상으로 3백만 종
     이상의 제올라이트 구조가 가능할 것으로 알려져 있지만, 현재 알려진 구조는 229종에 불과하며,
     매년 5종 내외의 새로운 제올라이트가 보고되고 있으나 설계가 아닌 우연(Trial&Error)에 의해
     합성이 이루어지고 있음.


2.
개발 원리:기존에 알려진 제올라이트의 구조를 분석한 결과, 특정 단위의 기본 구조체들이 일정한
   규칙을 가지고 더해지면서 제올라이트 구조가 점점 확장될 수 있는 원리를 발견함* 연구진은
   이 규칙을 활용하면 현재보다 확장된 구조체를 만들 수 있을 거라 예측하여 합성 전략을 세움. 먼저
   기존 제올라이트를 합성할 때 사용되는 TEA(Tetraethylammonium)와 Na+ 이온을 기본적인
   구조유도 물질로 하고, 한 단계 큰 제올라이트를 만드는 데 필요한 특정 구조체들의 형성을 도와줄
   수 있는 무기 양이온(예: Ca2+ 또는 Sr2+)을 추가하여 새로운 구조를 만들어냄
   * 제올라이트 RHO, PAU, ZSM-25가 a-b-a(RHO), a-b-c-b-c-b-a(PAU=RHO+2b+2c),
     a-b-c-b-c-b-c-b-a (ZSM-25=RHO+3b+3c)와 같이 일정한 규칙을 가짐.
 

3. 연구 성과

가. 세계 최초로 설계에 의해 제올라이트 PST-20(POSTECH no. 20), PST-25 합성 성공. 두 제올
       라이트는 현재까지 알려진 모든 무기 소재 중 가장 크고 복잡한 구조로 학계의 큰 관심을 끔.
나. PST-20 제올라이트는 기존 제올라이트보다 이산화탄소를 더 많이, 더 빨리 흡․ 탈착하는
      특성이 있음. 따라서 환경, 에너지 분야 등에서 뛰어난 이산화탄소 흡착제로 활용이 기대됨.
      * 메탄가스 추출 시 포함된 다량의 이산화탄소를 흡착하여 순수한 가스를 손쉽게 얻는 등
        천연가스 산업에 활용될 것으로 기대됨 (세계적인 가스회사인 Air Products와 후속연구
        협의를 진행 중)


이번 연구를 주도한 홍석봉 교수는 “현재 제약분야에서 분자 설계를 통해 신약을 개발하는 것처럼, 우연이 아닌 특정 용도에 필요한 제올라이트 구조를 예측한 후 설계를 통한 ‘타깃(target)’ 제올라이트의 합성이 가능함을 보여준 첫 사례로 나노다공성 재료분야에 새로운 패러다임을 제시하였다”고 밝혔다.