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원하는 대로 설계하고 만드는 제올라이트

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원하는 대로 설계하고 만드는 제올라이트

2015.07.16 07:00
세계 최초로 제올라이트를 설계하고 합성하는 데 성공한 포스텍 연구진. 왼쪽부터 최현준, 민정기 연구원과 홍석봉 교수, 신지호 박사. - 포스텍 제공
세계 최초로 제올라이트를 설계하고 합성하는 데 성공한 포스텍 최현준, 민정기 연구원과 홍석봉 교수, 신지호 박사(왼쪽부터). 신 박사가 들고 있는 모형이 PST-20이다. - 포스텍 제공

국내 연구진이 친환경 소재로 주목받는 ‘제올라이트’를 설계하고 합성하는 데 성공했다. 홍석봉 포스텍 환경공학부 교수팀은 합성세제와 가솔린 연료 생산 등에 쓰이는 제올라이트를 원하는 대로 설계하고 합성하는 데 처음으로 성공하고 연구 결과를 ‘네이처’ 16일자 온라인판에 게재했다.


제올라이트는 세탁용 세제를 만들 때 세정작용을 돕는 보조제로 넣거나 석유로부터 자동차 연료인 가솔린을 뽑아내는 데 촉매로 많이 쓰이는 물질이다. 실리콘과 알루미늄 원자가 산소 원자와 정사면체 구조를 이루며 결합된 제올라이트는 무수히 뚫려있는 미세한 구멍을 이용해 이산화탄소를 흡·탈착하는 흡착제로도 각광받고 있다.

 

제올라이트를 원하는 구조로 만들면 다양한 방면에 친환경 소재로 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있지만 지금까지 구조를 설계하고 합성한 사례는 없었다. 현재까지 알려진 229종의 제올라이트는 대부분 온도와 시간 등의 합성 조건을 바꿔가며 다양한 방법으로 시도하던 중 발견된 것들이다.

 

연구진은 ‘ZSM-25’라는 제올라이트가 뛰어난 이산화탄소 흡착 능력을 가지고 있다는 사실에 주목해 이 물질의 구조를 분석했다. 그 결과 ZSM-25가 RHO와 PAU라는 다른 제올라이트와 구조적으로 유사한 특성을 가지고 있다는 사실을 알아냈다. 기본 구조를 일정한 규칙에 따라 더하면 새로운 제올라이트를 합성할 수 있다는 것이다.

 

이를 바탕으로 두 종류의 새로운 제올라이트를 설계한 연구진은 실제로 두 물질을 합성하는 데 성공하고 PST-20, PST-25라고 이름 붙였다. 보통 1년에 5개 정도의 새로운 제올라이트가 합성되는 데, 연구진이 40%에 해당하는 양을 한 번에 만들어낸 것이다.

 

특히 PST-20은 현재 상용화 된 이산화탄소 흡착제와 비교해 동일한 시간 동안 43배나 많은 양을 처리하는 것으로 나타났으며, 100회 이상 흡·탈착 실험을 반복해도 성능이 떨어지지 않았다. 연구진은 현재 외국계 회사와 함께 상용화를 위한 후속 연구를 논의 중이다.

 

홍 교수는 “우연에 의해 합성되던 제올라이트를 원하는 대로 설계해서 만들 수 있게 됐다”며 “이산화탄소 흡착제의 경우 대량생산 기술만 갖춰지면 곧 상용화 할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

구조 분석에 쓰인 제올라이트 ZSM-25와 연구진이 합성한 SPT-20, PST-25의 구조를 나타낸 모식도. - 포스텍 제공
구조 분석에 쓰인 제올라이트 ZSM-25와 연구진이 합성한 SPT-20, PST-25의 구조를 나타낸 모식도. - 포스텍 제공

 

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