모래의 주성분 실리카와 알루미늄으로 이뤄진 결정성 광물인 제올라이트는 반응분자들이 결정 내부에 규칙적으로 뚫려있는 직경 1nm(나노미터) 이하의 나노구멍을 드나들 때 촉매반응을 일으킨다.

이 제올라이트의 결정화는 개별적 구성단위로부터 진행된다는 가설이 있었지만 그 형성 과정을 기존의 적외선분광법이나 전자현미경으로 알아내기에는 한계가 있었다. 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)은 홍석봉 포스텍(POSTECH) 교수팀이 흡착제, 이온교환제, 석유화학 촉매 등으로 널리 사용되고 있는 대표적 다노다공성 재료인 제올라이트 촉매의 결정화 과정을 실험적으로 규명했다고 19일 밝혔다.

핵자기공명법을 이용해 제올라이트의 결정화 과정을 실험적으로 입증한 경우는 이번이 처음이다. 연구팀은 '전하밀도 비대칭 합성법'을 통해 제올라이트를 구성하는 개별 구성단위의 분자수준에서의 결정화 순서를 알아내는 방법으로 제올라이트 구조형성 메커니즘을 규명했다.

▲표지로 게재된 논문사진. ⓒ2013 HelloDD.com

'전하밀도 비대칭(Charge density mismatch. CDM) 합성법은 두 가지 이상의 구조유도물질(Structure-directing agent, SDA)의 협력적 구조배향능력으로 새로운 구조를 갖는 제올라이트를 합성하는 방법을 의미한다.

연구에는 가장 잘 알려진 제올라이트 중의 하나인 제올라이트 UZM-9이 이용됐다. 연구팀은 합성시 사용한 유기 구조유도물질과 제올라이트 기본 구성단위들과의 상호작용 차이를 탄소 고체 핵자기공명 분광법과 적외선 분광법 등을 통해 관찰함으로써 결정화 과정에 따른 기본구조를 구별할 수 있었다.

'고체 핵자기공명 분광법'은 고체 시료에 대한 핵자기공명 기술로, 고체 시료의 물질 안에 존재하는 원자를 해석하는 방법에 쓰인다.

연구를 주도한 홍 교수는 "핵형성 및 결정 성장 단계에서의 각 구조유도 물질들의 개별적 역할에 대해 명확한 근거를 제시할 수 있게 됐다"며 "상업적으로 중요한 다른 제올라이트 촉매들의 구조형성을 이해하는데 중요한 단서를 제공할 수 있고 나아가 새로운 물성을 갖는 맞춤형 소재를 디자인하기 위한 선행연구의 의미를 갖는다"고 설명했다.

이번 연구결과는 미국화학회지(JACS) 최신호 표지논문으로 게재됐으며 스포트라이트란에 별도로 소개되기도 했다.