포스텍 환경공학부/화학공학과 홍석봉 교수 연구팀이 최근 그 골격구조가 Si와 Al으로 이루어진 NAT 구조의 제올라이트를 처음으로 합성하여, 제올라이트 골격 내 원소들의 동역학적 거동을 규명하는 데 성공하였다.

이번 연구는 교육과학기술부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 리더연구자 지원사업(창의적연구)과 POSCO의 지원을 받아 홍석봉 교수의 주도하에, 신지호 박사가 제1저자, 화학공학과 박사과정 인락호씨가 제2저자로 참여하였으며, 연구 결과는 화학분야에서 세계최고 권위의 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’지에 6월 16일자 온라인판에 게재되었다. 한편 이 논문은 이 학술지에 게재되는 논문 중 상위 5%이내의 중요도를 갖는 논문으로 평가를 받았다.

(논문명 : Intraframework Migration of Tetrahedral Atoms in a Zeolite)

제올라이트는 현재 정밀화학, 석유화학 등 다양한 분야에서 이온교환제, 촉매 또는 촉매지지체로서 광범위하게 사용되고 있다. 제올라이트의 산촉매, 분리제로서의 중요한 특성은 일차적으로 그 골격을 이루고 있는 Al의 양에 의해 결정되나, 그 양이 같다 하더라도 Al의 골격 내 분포가 다르면 제올라이트가 나타내는 물리화학적, 촉매적 특성이 크게 달라지게 된다. 이러한 이유로 현재 수많은 연구자들이 제올라이트 내 골격원자들의 공간적 분포에 관한 연구를 수행 중에 있으나, 여전히 풀리지 않은 문제들이 많다. 특히, 결정화 초기에 합성된 제올라이트의 골격 원소들이 무질서하게 분포되어 있다가, 결정화 시간이 증가하면서 제올라이트 내 골격원소들이 규칙적으로 분포되는 현상에 대한 메커니즘은 아직 구체적으로 규명된 바 없다.  

연구팀은 최근 제올라이트 씨앗을 이용하여 자연계에는 존재하나 인위적 합성은 보고된 바가 없는 골격구조가 Si과 Al으로 이루어진 NAT 구조의 제올라이트 합성에 성공하여, 이를 또 다른 +3가의 골격 원소 중 하나인 Ga을 포함하는 화합물과 함께 반응시킴으로써 제올라이트 골격 내에서 가열 시간에 따른 Ga 원자의 분포를 투과전자 현미경, 고체 NMR 분석법을 통해 관측할 수 있었다. 그 결과, 결정화 초기에 제올라이트 외부 표면에만 집중적으로 분포되어 있는 Ga이 시간이 지나면서 점차 제올라이트 결정 안 쪽까지 이동하게 되고, 결국에는 결정 내에 전체적으로 균일하게 분포되는 현상이 확인되었다. 이를 통해 제올라이트 내 골격 원소들이 세공을 통해 확산/분포되는 것이 아니라 골격 원소들간의 자리 이동을 통해 보다 열역학적으로 안정한 곳에 규칙적으로 위치되고 있음을 명확히 규명할 수 있었다.

홍 교수는 “이번 연구성과는 앞으로 제올라이트 내 골격원소들의 위치와 분포 특성을 이해하는데 중요한 단서를 제공하고, 더 나아가 원하는 용도에 따라 이들 물질의 물리화학적 특성을 인위적으로 조절하여 기존의 물질과는 전혀 다른 새로운 물성을 갖는 제올라이트를 개발하기 위한 선행연구로서 매우 중요한 결과라고 할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.