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나노판상 제올라이트 촉매물질 개발(9/2009)
2009-09-10 9355

 

유룡 KAIST 교수팀 개발
구멍크기 10㎚까지 확장… 가솔린 변환효율 5배 향상
두께도 2㎚까지 줄여 이론상 최소 두께 실현
 

 

메탄올을 가솔린으로 바꿔 주고 폐(廢)플라스틱을 분해하는 꿈의 물질이 있다. 바로 제올라이트(zeolite)이다. 제올라이트를 사용하면 원유 없이 가솔린을 얻을 수 있어서 세계 석유화학계는 제올라이트의 효율을 높이는 연구에 몰두하고 있다. 국내 연구팀이 이 제올라이트의 효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다. KAIST 화학과 유룡 교수팀은 기존보다 5배 정도 가솔린을 더 많이 생산할 수 있는 제올라이트를 세계 최초로 합성하는 데 성공했다.

세계에서 가장 얇은 제올라이트 개발

KAIST 유룡 교수(가운데)가 논문의 제1저자인 나경수 연구원(왼쪽), 논문의 제3저자인 김정남 연구원과 함께 제올라이트를 합성하는 기 구를 다루고 있다./KAIST 유룡 교수 제공

제올라이트는 규사와 알루미늄으로 이루어진 광물로, 인공적으로 합성할 수도 있다. 제올라이트 내부에는 스펀지처럼 작은 구멍이 송송 뚫려 있다. 구멍의 크기들은 1㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m)보다 작다.

탄소를 하나 가진 메탄올을 제올라이트의 구멍에 통과시키면 탄소가 6개 이상인 가솔린으로 바뀐다. 제올라이트는 황산과 비슷한 강한 산성을 지녔다. 제올라이트의 강한 산성이 메탄올 분자에서 탄소를 뜯어내 6개 이상을 모아 결합시킨다. 이 과정으로 가솔린이 만들어진다.

제올라이트의 효율을 결정하는 핵심 요인은 구멍 크기다. 구멍이 작으면 메탄올의 통과 비율이 떨어져 가솔린이 적게 만들어진다. 또 구멍이 작으면 통과하지 못하고 구멍에 박히는 메탄올이 많아진다. 구멍이 막히면 제올라이트를 교체해야 한다. 석유화학 공정을 멈추고 제올라이트를 교체하면 매출 손실로 직결된다. 따라서 제올라이트 구멍을 확장해 주면 가솔린 획득 비율도 높아지고 제올라이트 교체 주기도 길어지는 일거양득의 효과가 있다.

KAIST 유룡 교수팀은 구멍 크기가 최대 10㎚까지 확장된 제올라이트를 제조하는 데 성공했다. 구멍이 커지면서 메탄올을 가솔린으로 변환시키는 효율도 최대 5배나 향상됐다.

유 교수팀은 제올라이트의 두께를 2㎚까지 줄이는 데에도 성공했다. 이론적으로 가장 얇게 만들 수 있는 제올라이트의 두께가 2㎚이다. 유 교수팀이 이론을 현실로 만든 것이다. 제올라이트의 두께가 얇으면 그만큼 메탄올이 잘 통과하고 구멍이 막힐 가능성이 줄어들어 제올라이트의 교체 주기가 길어진다.

두께 2㎚짜리 제올라이트와 같은 두께의 계면활성제가 번갈아 쌓여 있는 다층 구조를 제작하는 데에도 성공했다. 계면활성제는 비누의 일종이다. 연구팀은 2㎚ 간격으로 쌓여 있는 제올라이트의 사진을 특수현미경으로 촬영하는 데 성공해 연구 성과를 시각적으로도 입증했다. 사진 촬영은 스웨덴 스톡홀름 대학의 오사무 데라사키 교수팀이 담당했다.

이번에 개발된 간격 2㎚짜리 다층 제올라이트는 아직 메탄올을 가솔린으로 변화시키지 못한다. 제올라이트 중간의 계면활성제가 메탄올의 통과를 막기 때문이다. 계면활성제를 고온에서 가열시키면 태워 없앨 수 있지만 제올라이트의 간격을 유지하는 계면활성제가 없어지면서 다층 구조가 무너져 내린다.

유 교수는 "제올라이트 사이에 기둥을 심어서 다층 구조를 유지하는 연구를 진행 중이다"라며 "연구가 성공되면 메탄올이 한 번에 여러 개의 제올라이트와 접촉할 수 있어서 가솔린 생산량이 더 늘어날 것으로 보인다"고 말했다.

KAIST 유룡 교수팀이 제조한 2㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 간격의 다층 제올라이트의 단면(위쪽). 아래 사진은 위 사진을 확대한 것으로 검은색 제올라이트의 두께가 2㎚인 것을 확인할 수 있다. 제올라이트 내부의 흰 점은 구멍이며, 제올라이트 층사이의 하얀색 물질은 계면활성제이다./KAIST 유룡 교수 제공

폐 플라스틱도 분해한다

제올라이트의 또 다른 장점은 폐 플라스틱도 분해한다는 것이다.

플라스틱은 많은 탄소가 떡처럼 비결정 형태로 뭉개져 있는 물질이다. 제올라이트의 강한 산성이 폐 플라스틱의 탄소 결합을 끊어서 폐 플라스틱을 분해하는 것이다. 이 과정에서 나오는 부산물은 물과 이산화탄소에 불과해 기존의 폐 플라스틱 분해에 비해 환경 보전에도 매우 유용하다.

제올라이트의 구멍이 커지면 폐 플라스틱 분해에도 도움이 된다. 폐 플라스틱의 분자가 제올라이트의 구멍에 들어가기 쉬워져 분해가 용이하다.

유 교수팀은 해당 내용을 국제학술지 '네이처' 10일 자에 발표했다. 네이처지는 유 교수팀의 성과를 높이 평가해 연구의 의미를 해설해 주는 전문가의 기고문을 별도로 게재했다.

유 교수는 "이번에 개발된 제올라이트가 산업 현장에 쓰이려면 생산 단가를 낮춰야 한다"고 말했다.

 

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동아일보     http://news.donga.com/fbin/output?n=200909100055
서울경제     http://economy.hankooki.com/lpage/industry/200909/e2009091008290870260.htm
경향신문     http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?artid=200909100058335&code=100203

 

 

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