최근 중국과학원 칭다오 바이오에너지 및 생물공정연구소(QIBEBT) 연구팀은 돌파적인 알루미노실리케이트 제올라이트 ZMQ-1을 개발하였습니다. 이 신형 제올라이트는 기존 제올라이트가 대형 분자를 처리할 때 겪는 기공 크기, 안정성 및 촉매 효율성의 한계를 성공적으로 극복하였으며, 석유화학 산업의 촉매 공정에 중대한 진전을 가져올 것으로 기대됩니다. 본 연구 성과는 《네이처(Nature)》 저널에 발표되었으며, ZMQ-1은 내부적으로 상호 연결된 28환 중간 기공 구조를 가진 최초의 알루미노실리케이트 제올라이트로 소개되었습니다.
목차
ZMQ-1의 혁신적인 구조와 설계
제올라이트는 물을 포함한 골격 구조를 가진 알루미노실리케이트 광물로, 미세기공 구조를 지닌 결정성 물질입니다. 이 물질은 다른 물질의 분자를 흡착하거나 여과할 수 있어 ‘분자체(Molecular sieve)’라고도 불리며, 이온 교환, 흡착, 촉매 등의 다양한 분야에서 광범위하게 활용됩니다. 일상생활에서는 흡착제 및 건조제, 촉매 또는 보조 촉매, 세제, 건축 자재 등으로 사용됩니다. 그러나 전통적인 제올라이트는 미세기공의 크기가 2나노미터 미만으로, 큰 분자를 처리하는 데 한계가 있습니다.
과거에는 산과 염기를 이용한 식각 등 후처리 방법을 통해 중기공(2~50나노미터) 또는 대기공(50나노미터 초과)을 도입하여, 미세기공·중기공·대기공이 혼합된 ‘다공성 계층 구조(다단기공)’의 분자체를 만들려는 시도가 있었습니다. 하지만 이러한 후처리로 생성된 기공은 크기가 불균일하며, 이로 인해 분자체의 결정성, 구조 안정성 및 산 강도가 저하되어 산업적 요구를 만족시키기 어려웠습니다.
ZMQ-1은 이러한 병목 현상을 극복한 신형 제올라이트로, 28×10×10 원자 고리로 구성된 독특한 교차형 중·미세기공 통로 시스템을 갖추고 있습니다. 이 가운데 28원자 고리 중기공의 크기는 22.32×11.84옹스트롬으로, 중기공 영역에 해당합니다. 연구팀은 3차원 전자 회절(3D ED) 및 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 활용하여 ZMQ-1의 구조를 분석하였으며, 그 결과 28원자 고리 중기공이 10원자 고리 미세기공 창을 통해 상호 연결되어 매우 효율적인 통로 시스템을 형성하고 있음을 확인했습니다. 이로 인해 큰 분자와 작은 분자 모두가 원활하게 확산할 수 있으며, 전통적인 제올라이트의 확산 제한 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.
합성 전략 및 안정성 향상
ZMQ-1의 성공적인 합성은 인 기반 유기 구조 지시제(OSDA)에 기인합니다. 기존의 암모늄 계열 OSDA에 비해, 인 기반 OSDA는 더 강한 양전하와 더 높은 안정성을 가지며, 안정적인 중기공 프레임워크 형성을 촉진합니다. 또한 ZMQ-1의 결정화는 조절 가능한 실리콘-알루미늄(Si/Al) 비율을 적용한 수열 합성을 통해 이루어지며, 특정 응용에 맞추어 맞춤화가 가능합니다.
펑루 교수는 다음과 같이 밝혔습니다. “ZMQ-1은 내부에 중·미세기공 통로 시스템을 갖춘 최초의 알루미노실리케이트 제올라이트입니다. 기존에는 유기 템플릿을 제거한 후 구조가 손상되기 쉬운 중기공 물질이 많았지만, ZMQ-1의 28원자 고리 상호 연결 통로는 제올라이트 설계에 있어 중대한 돌파구를 의미합니다.”
촉매 응용에서의 ZMQ-1의 우위
전통적인 제올라이트는 중유의 촉매 분해 공정에서 미세기공의 제약으로 인해 대분자를 효과적으로 처리하기 어렵습니다. 이에 반해 ZMQ-1은 우수한 촉매 성능을 보여주었습니다. 상업용 제올라이트 촉매와 비교할 때, 인이 포함된 ZMQ-1 제올라이트는 중유 촉매 분해 반응에서 가솔린, 디젤과 같은 경질 연료에 대해 더 높은 선택성을 나타내며, 코크스, 액화석유가스, 건식 가스 등의 부산물 생성량도 더 적습니다.
또한, ZMQ-1은 높은 열적 안정성과 수열 안정성을 갖추고 있어, 가혹한 산업 조건에서도 성능을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 이러한 독특한 중기공 구조와 안정된 화학적 특성은 ZMQ-1이 대형 분자의 촉매 전환, 흡착 분리 등의 분야에서 매우 높은 응용 가능성을 지닌 소재임을 시사합니다.
결론
ZMQ-1은 신형 알루미노실리케이트 제올라이트로서, 내부에 중·미세기공 통로 구조를 갖추고 있어 기존 제올라이트의 기공 크기 한계를 성공적으로 극복하였으며, 우수한 촉매 성능과 안정성을 입증하였습니다. 이러한 기술적 돌파는 석유화학 산업의 촉매 공정 발전을 견인할 뿐만 아니라, 중유 분해 및 친환경 에너지 전환 분야에 새로운 응용 가능성을 제시합니다. 더불어, 향후 기능성 제올라이트 소재의 설계와 활용에 있어 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대됩니다.
참고 문헌:
- 돌파적인 신형 제올라이트 분자체, 중유를 고부가가치 연료로 더욱 효율적으로 전환
- Breakthrough New Material Transforms Heavy Oil Into High-Value Fuels
- Peng Lu, Jiaoyan Xu, Yiqing Sun, Rémy Guillet-Nicolas, Tom Willhammar, Mohammad Fahda, Eddy Dib, Bo Wang, Zhengxing Qin, Hongyi Xu, Jung Cho, Zhaopeng Liu, Haijun Yu, Xiaobo Yang, Qiaolin Lang, Svetlana Mintova, Xiaodong Zou & Valentin Valtchev.(2024) A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel, Nature, 636, 368–373. DOI: 10.1038/s41586-024-08206-1
대표 이미지 출처: 《네이처(Nature)》 저널
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