초록 ▼

연구결과
제올라이트는 나노다공성 규산염 결정 물질로서 나노기공 내벽 표면의 강한 산성도와 전이 금속이온 흡착능력 및 금속나노입자 담지능력으로 인하여 현재 석유화학산업에서 불균일계 촉매로 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 제올라이트는 기공 형성제(pore-generating agent 또는 porogen이라고 칭함) 분자와 규산염의 자가조립(self-assembly) 현상을 이용한 화학반응을 통하여 합성되고 있다. 전 세계적으로 지금까지 사용하여 온 porogen은 분자(또는 이온)의 전부가 porogen으로 작용하는 것들이었다

연구결과
제올라이트는 나노다공성 규산염 결정 물질로서 나노기공 내벽 표면의 강한 산성도와 전이 금속이온 흡착능력 및 금속나노입자 담지능력으로 인하여 현재 석유화학산업에서 불균일계 촉매로 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 제올라이트는 기공 형성제(pore-generating agent 또는 porogen이라고 칭함) 분자와 규산염의 자가조립(self-assembly) 현상을 이용한 화학반응을 통하여 합성되고 있다. 전 세계적으로 지금까지 사용하여 온 porogen은 분자(또는 이온)의 전부가 porogen으로 작용하는 것들이었다. 이러한 가운데 본 연구단은 세계 최초로 분자의 일부분(즉, 작용기)만을 porogen으로 작용하게 하는 계면활성제 물질을 설계하고 이러한 porogen을 사용하여 나노 영역 크기의 제올라이트 결정을 합성하는 루트를 개척하는 데 성공하였다. 본 연구단은 이 합성법을 토대로 다양한 구조를 갖는 계면활성제를 설계하여 그동안 나노 판상형 제올라이트, 나노해면(sponge) 구조의 메조기공구조를 갖는 제올라이트, 특히 육방 밀집의 규칙적 메조기공 구조를 갖는 제올라이트 등 다양한 구조를 갖는 제올라이트 물질들을 합성할 수 있었다. 더불어 제올라이트 골격 두께(최소 1.5 nm까지) 및 제올라이트 내부의 메조기공 직경(최대 21 nm까지)을 조절할 수도 있었다. 최근에는 제올라이트가 형성되는 원리를 이해하는 연구를 통해 새로운 제올라이트 합성법을 변화하여 크기가 다른 세 종류의 기공(제올라이트 미세기공/약 4.0-nm 직경의 메조기공/약 30 nm 이상의 직경을 갖는 큰 기공)을 동시에 갖는 제올라이트를 합성할 수 있는 방법을 개발하였다. 본 연구단이 독창적으로 창안한 이 합성법은 2009년도 네이쳐지에 처음으로 소개된 이후, 나노다공성 물질 관련 학계에 커다란 센세이션을 불러 일으켰고, 2011년에는 또 다른 연구 결과를 사이언스지에 소개하는 등 지속적인 성과를 이룩하였다. 특히 2011년도에 사이언스지에 발표한 연구 결과는 2011년 한 해 동안 발표된 모든 과학 성과들 중에서 총 10 개의 “Breakthrough of the Year 2011” 중 한 편으로 선정되는 영예를 안게 되었다.
본 연구단이 창안한 합성법을 이용해 만든 신 개념의 제올라이트 촉매 물질들은 에너지원을 생산하는 공정이나 다양한 친환경적 화학공정에서 기존의 제올라이트들에 비해 뛰어난 촉매활성과 수명을 보였다. 예를 들어 메탄올을 가솔린으로 전환시키는 반응에서 기존의 상용 촉매물질에 비해 5배 이상 증진된 촉매 수명을 보여준 다는 것을 증명하였고, 또한, 나일론의 원료가 되는 ε-카프로락탐을 친환경적으로 생산하는 Beckmann 재배열 기상반응에서 기존 제올라이트들에 비해 10배 이상 비약적으로 증진된 촉매 수명을 나타내 준다는 것을 확인하였다. 이외에도, 지금까지 제올라이트 골격 내부의 미세 기공에서 일어날 수 없었던 큰 분자들의 반응에 대해서도 높은 촉매 활성을 보여준다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼

Result
Zeolites are crystalline microporous aluminosilicates that are widely used as heterogeneous catalysts in petrochemical industry and fine-chemical synthesis. Zeolites are synthesized via self-assembly between silicate ions and organic pore-generating molecules or ions (porogens in short). I

Result
Zeolites are crystalline microporous aluminosilicates that are widely used as heterogeneous catalysts in petrochemical industry and fine-chemical synthesis. Zeolites are synthesized via self-assembly between silicate ions and organic pore-generating molecules or ions (porogens in short). In general, such molecular or ionic porogens lead to bulk zeolite crystals. In this work, we have developed a synthesis route leading to nanoscale zeolitic architectures, using new surfactant-type porogens wherein small portion of surfactant was functionalized with zeolite micro-porogen. With the series of such surfactants, we have newly synthesized various nanostructured zeolites in a form of nanosheet, nanosponge and hexagonally ordered honeycomb that is composed by ultrathin frameworks. The framework thickness could be reduced to 1.5 nm which is the thinnest framework reported so far, and the mesopore diameter could further be tailored up to 21 nm. These synthesis achievements have been published in highly prestigious journals such as Nature and Science in 2009 and 2011, respectively. Notably, the research work reported in Science was honored as one of the 10 breakthroughs in 2011 by Science magazine. In addition to these works, we published many worthy papers involving the elucidation of basic rule for the rational design of zeolite-structure-directing surfactants that can generate various nanostructured zeolites. These results attracted much attention in the international research field of zeolite-related nanoporous materials.
The nanostructured zeolite directed by rationaly designed zeolite-structure-directing surfactant exhibited much higher catalytic performances than conventional zeolites in various reactions including the production of energy resources and green chemical processes. For example, the ultrathin zeolites exhibited more than 5 times long catalytic lifetime in methanol-to-hydrocarbon conversion and more than 10 times long catalytic lifetime with excellent selectivity in the gas-phase Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime to ε-caprolactam (a precursor for Nylon-6). In addition, these zeolitites showed significant catalytic activities in the reactions of bulky molecules which are not accessible to the inside of zeolitic micropores.

목차 Contents

• 리더연구자지원사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 23
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 24
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 25
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 27
• 8. 참고문헌 ... 28
• 9. 연구성과 ... 30
• 10. 기타사항 ... 62
• 끝페이지 ... 67