[데일리인천=편집국] 조창범 화학과 교수 연구팀이 제올라이트 결정 안에 초미세 금속 나노입자를 담는 양을 기존 방식보다 2배 이상 높이는 기술을 개발했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society·JACS)’에 게재됐다.

제올라이트는 내부에 미세한 구멍이 규칙적으로 배열된 다공성 물질이다. 특정 물질을 흡착하거나 화학반응을 돕는 촉매로 쓰인다. 금속 나노입자를 제올라이트 안에 가두면 고온에서 입자끼리 뭉쳐 성능이 떨어지는 현상을 줄일 수 있다.

기존 방식은 제올라이트의 구조를 만드는 데 도움을 주는 ‘구조유도체’와 금속을 붙잡는 분자를 따로 넣어야 했다. 두 분자가 결정 내부의 같은 자리를 두고 경쟁하면서 담을 수 있는 금속의 양에 한계가 있었다.

연구팀은 구조유도체에 금속을 붙잡는 기능을 결합한 ‘이중기능 구조유도체’를 개발했다. 분자 일부에 금속을 집게처럼 붙잡는 싸이올기(-SH)나 아민기(-NH₂)를 도입해, 결정 구조가 만들어지는 과정에서 금속도 함께 내부에 들어가도록 했다. 지름 1~3나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m)의 금속 나노입자가 결정 안에 고르게 담겼다. 금속 함량은 규소 원자 100개당 최대 약 2.4개로, 기존 방식에서 제시된 약 1개보다 2배 이상 높았다. 연구팀은 금속을 붙잡는 부분을 바꿔 구리·코발트·백금에 적용했고, 제올라이트와 유사한 구조의 알루미노포스페이트(AlPO)에도 적용했다.

코발트 촉매는 고온 안정성도 보였다. 연구팀은 750℃ 이상이 필요한 ‘메탄 건식 개질’ 반응에서 성능을 평가했다. 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 수소와 일산화탄소 혼합가스를 만드는 과정이다. 비교 촉매는 1시간 만에 성능을 대부분 잃었지만, 개발한 촉매는 금속 입자가 크게 뭉치지 않고 성능을 유지했다.

이강민 나노물질 및 그린촉매 연구실 석·박사통합과정생이 제1저자, 조창범 교수가 교신저자로 참여했다. 조 교수는 “제올라이트 구조를 유도하는 분자에 금속을 붙잡는 기능을 직접 결합해 골격 형성과 금속 담지를 하나로 통합한 연구”라며 “다양한 금속과 다공성 결정으로 확장할 수 있어 고함량·고안정성 촉매 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.