결정성 다공 물질은 정제, 기체 분리, 촉매에 다양하게 사용되고 있다. 특히 알루미노실리케이트 형태의 화합물(aluminosilicate-type compounds)인 제올라이트(zeolites)는 고체 산으로 쉽게 변환될 수 있어, 정유 및 화학 산업에서 일반적 촉매로 사용되고 있다. 탄화수소 크래킹(hydrocarbon cracking)과 같은 경우, 위와 같은 고체 산 촉매는 작은 분자에 대해서만 효과를 나타낸다. 이는 고체의 내부 구조로 인해 보다 큰 분자가 다공 내의 산 위치에 접근할 수 없기 때문이다. 실제로 스페인 국립 연구회와 발렌시아 폴리테크닉 대학교(Spanish National Research Council and Polytechnic University of Valencia) 화학자들이 실리코게르마늄 화합물(silicogermanate compound)을 개발함으로써 커다란 구멍을 갖는 제올라이트를 합성한 것을 제외하고는 제올라이트 구멍의 크기를 확장시킬 수 있는 다양한 합성 전략을 개발하지는 못하고 있었다(
GTB2006100905).
그 후 캘리포니아 로스앤젤레스대(University of California at Los Angeles (UCLA)) 오마 야기(Omar Yaghi) 연구진이 개발한 새로운 화합물은 제올라이트 이미다졸레이트 골격(zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs))으로 제조되었는데, 이 화합물은 자연의 알루미노실리케이트 제올라이트(aluminosilicate zeolites)를 닮은 우리 형태의 구조를 갖는 다공성 결정 물질(porous crystalline materials)로 개발되어 이산화탄소의 포획 등에 이용되는 성과를 올리기도 했다(
GTB2008050222). 이러한 성과 이외에도 현재 산업적인 유용성이 입증된 다양한 다공 크기를 가진 제올라이트를 만들기 위한 다양한 방법과 연구들이 진행되고 있으며 최근 일련의 과학자들이 분무 건조(spray-drying) 처리과정을 이용하여 빠른 시간 내에 매우 효과적인 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 촉매(catalysts)를 만들어낼 수 있었다.
다공성 알루미노실리케이트(aluminosilicate)-제올라이트(zeolites)-는 석유의 중질 분획물 (heavier fractions)을 보다 가볍고 유용한 탄화수소로 변환시키기 위해 화학적으로 ‘깨는(crack)’ 용도로 광범위하게 사용된다. 여러 해 동안 이들 제올라이트(zeolites)가 광범위하게 사용되었음에도 불구하고 이것들을 생산하거나 혹은 실제로 이용하는 데 있어서의 최적화(optimize)는 충분하지 못했다. 이러한 상황에서 de Chimie de la Matiere Condensee de Paris 연구소의 Clement Sanchez와 그의 동료 연구자들은 매우 뛰어난 효율을 지닌 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 촉매(catalysts)를 만들기 위해 단순한 분사 기반 기술(aerosol-based process)을 사용하여 이 촉매와 관련된 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.
단순히 전구물(precursors)을 분무 건조(spray-drying)함으로써, 몇 초안에 주형 및 구조 조정 결정체(template and structure-directing agents)와 큰 다공(pore)을 가진 비정형 구 입자가 만들어졌다. 건조 과정은 무기 전구물(inorganic precursors)이 반응하는 것과 동시에 마이셀(micelle)이 형성될 때까지 점차적으로 강화되었다. 이 기술은 제올라이트(zeolites) 형성 단계나 나트륨을 포함하는 산성화(acidification) 단계에서 제올라이트 “seeds”가 필요하지 않으며, 생성물은 간단하게 필터로부터 모으면 된다.
이러한 과정을 거쳐서 얻게 된 촉매는 산업적으로 이용되고 있는 대조군에 비해 m-xylene 이성질체화(isomerization)에서 3배 이상의 활성을 보였다. 더구나, 이러한 높은 활성은 오랜 시간 동안 유지되었는데, 그것은 이 새로운 물질이 코크스 형성(coke formation)에 의해 비활성화되는 정도가 줄어들기 때문이다. Sanchez와 그의 동료 연구자들은 다양한 크기의 다공(pore)을 가지고 있으며 서로 다른 강도의 산 자리(acid sites)와 알루미늄 함유량을 지닌 제올라이트(zeolites)들을 준비하였으며, 이러한 과정에서 미세다공 표면(microporous surface)이 촉매 활성을 결정하는 매개 변수(parameter)라는 사실을 발견했다.
그림. 연구진이 분무 건조(spray-drying) 처리과정을 이용하여 개발한 제올라이트(zeolites)
참고자료 : Pega, S. et al. Direct aerosol synthesis of large-pore amorphous mesostructured aluminosilicates with superior acid-catalytic properties. Angew. Chem. Int. Ed. doi:10.1002/ anie.200805217 (2009).
qkrwldms-20090324-1.jpgNature Chemistry Published online: 19 March 2009