에너지·환경 산업의 핵심소재 설계 및 합성

- 고효율 이산화탄소(CO₂₎ 흡착제 개발

및 맞춤형 제올라이트 합성 길 열려 -

◇ 홍석봉 교수 팀, 세계 최고의 과학 학술지 ‘네이처’에 논문 게재

◇ 세계 최초로 제올라이트 2종을 우연이 아닌 설계를 통한 합성에 성공

- 합성된 제올라이트는 이산화탄소를 기존 물질보다 더 빨리 더많이 흡착하고, 100회 반복 후에도 기능이 떨어지지 않아 천연가스 추출 및 CO₂ 저감 공법 등에 다양하게 활용될 것으로 기대

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.

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

가. 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 제올라이트는 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)