이산화탄소 빨아들이는 값싼 기술 나온다

국내 연구팀, 난제였던 제올라이트 합성에 성공

▲ZSM-25, PST-20, PST-25 제올라이트 구조.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 연소 뒤에 남아있는 이산화탄소를 큰 에너지 소비 없이 값싸게 분리, 회수하는 시스템이 개발될 것으로 기대된다. 국내 연구팀이 제올라이트 2종을 우연이 아닌 설계를 통한 합성에 성공했기 때문이다.

제올라이트는 실리콘과 알루미늄 원자가 산소 원자와 정사면체 구조를 이루며 결합된 결정성 물질이다. 무수히 뚫려있는 미세한 구멍을 이용해 이산화탄소를 흡·탈착하는 흡착제로 각광받고 있다. 또 화학과 에너지·환경 관련 사업에서 촉매, 이온 교환제, 분리제 등의 다양한 용도로 널리 쓰인다. 국내에는 원천기술이 없었다.

석유화학, 천연가스 등 에너지 자원 생산 효율을 높이고 기후변화 문제 해결을 위해 이산화탄소 분리·회수에 대한 관심이 높아지고 있다. 에너지·환경 산업에서 다용도로 활용되며 개발가능성이 무궁무진한 핵심소재 '제올라이트'에 대한 관심도 높다.

제올라이트는 재료와 물의 조성, 유기 구조 유도 물질의 종류와 크기, 합성 온도, 합성 시간 등 다양한 요인에 의해 영향을 받아 아직 그 정확한 합성 메커니즘이 밝혀지지 않았다. 이 때문에 새로운 구조를 갖는 제올라이트를 설계하고 합성하기는 굉장히 어렵다

이론상으로 300만 종 이상의 제올라이트 구조가 가능할 것으로 알려져 있는데 현재 알려진 구조는 229종에 불과하다. 매년 5종 내외의 새로운 제올라이트가 보고되고 있는데 설계가 아닌 우연(Trial&Error)에 의해 합성이 이뤄지는 경우가 대부분이다.

국내 연구팀은 기존에 알려진 제올라이트의 구조를 분석한 결과, 특정 단위의 기본 구조체들이 일정한 규칙을 가지고 더해지면서 제올라이트 구조가 점점 확장될 수 있는 원리를 발견했다.

이 규칙을 활용하면 현재보다 확장된 구조체를 만들 수 있을 거라 예측해 합성 전략을 세웠다. 이런 과정을 거쳐 설계에 의해 제올라이트 PST-20(POSTECH no. 20), PST-25 합성에 성공했다. 두 제올라이트는 현재까지 알려진 모든 무기 소재 중 가장 크고 복잡한 구조로 학계의 큰 관심을 끌고 있다.

PST-20 제올라이트는 기존 제올라이트보다 이산화탄소를 더 많이, 더 빨리 흡·탈착하는 특성이 있다.

홍석봉 교수(포스텍), 신지호 연구원(포스텍, 박사후연구원) 등이 이번 연구를 수행했다. 과학 학술지인 네이처(Nature)지 온라인판 7월 16일자(논문명: A zeolite family with expanding structural complexity and embedded isoreticular structures)에 실렸다.

홍석봉 교수는 "현재 제약분야에서 분자 설계를 통해 신약을 개발하는 것처럼 우연이 아닌 특정 용도에 필요한 제올라이트 구조를 예측한 후 설계를 통한 '타깃(target)' 제올라이트 합성이 가능하다는 것을 보여준 첫 사례"라며 "나노다공성 재료분야에 새로운 패러다임을 제시했다"고 말했다.