15

VOL.22/NO.2/Summer 2015밝은빛 이용 우수 연구논문

* 본 연구는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’에 지난 2014

년 5월에 게재되었다 (논문명 : An Aluminophosphate

Molecular Sieve with 36 Crystallographically Distinct

Tetrahedral Sites).

제올라이트로 대표되는 나노다공성 재료는 현재 화학

및 에너지·환경 관련 산업에서 촉매, 이온교환제, 분리제

등의 용도로 널리 사용되고 있는 핵심 소재임과 동시에, 기

존 기술의 한계를 극복할 수 있는 무한한 발전가능성을 지

니고 있다. 따라서 새로운 구조의 나노다공성 재료 합성에

대한 연구 및 이들에 대한 관심은 현재까지도 끊임없이 지

속되고 있다. 알루미노포스페이트는 미국 UOP사가 1980년

대 초 처음으로 합성한 제올라이트 유사 물질로서 골격이

알루미늄(Al)과 인(P)으로 구성되어 있으며 분리제, 흡착

제, 촉매 또는 촉매 지지체로 널리 이용되고 있다. 현재까

지 알려진 국제 제올라이트학회의 구조위원회에 의해 공인

된 225종의 나노다공성 분자체 중 44종이 AlPO4 조성에 기

반을 두고 있다. 한편, 알루미노포스페이트는 AlO4와 PO4

가 규칙적으로 교대하며 골격 내에 분포하기 때문에, 복잡

한 구조를 만드는데 제한적인 것으로 알려져 있다. 기존의

가장 복잡한 구조의 제올라이트는 ITQ-39로서 결정학적으

로 28개의 사배위 자리를 갖고 있는 반면, 알루미노포스페

이트는 12개의 DAF-1로 보고되고 있다.

본 연구에서는 가장 간단한 유기아민 중 하나인

Diethylamine을 유기구조유도물질로 사용하여 합성한 알

루미노포스페이트 PST-5를 소성하여 지금까지 전혀 보고

되지 않았던 새로운 구조의 PST-6(POSTECH number 6)

를 합성하였다. 합성된 PST-6의 골격 구조결정은 포항가

속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터 분석과 투과전

자현미경, 컴퓨터 모델링을 동시에 사용하여 성공하였고,

이를 통해 PST-6가 결정학적으로 36개의 서로 다른 사배

위 자리를 갖는, 현재까지 알려진 제올라이트 중 가장 복

잡한 구조임을 밝혀냈다.

PST-6의 가속기 X-선 회절 패턴만을 이용한 초기의

구조결정은 성공적이지 않았고, 좋은 투과전자현미경 이

미지를 얻는 것 또한 PST-6의 200 kV의 전자빔에 대

한 낮은 안정성으로 인해 쉽지 않았다. 하지만 회전 전

자 회절(Rotation electron diffraction, RED) 기법을 이

용한 3차원 전자 회절 데이터를 통하여 대략적인 유닛

셀 파라미터를 유추해 낼 수 있었다(a = 39.136 Å, b =

22.547 Å, c = 8.529 Å, α= 90.60°, β= 89.45°, γ

= 89.88°) [그림 1]. 이러한 전자 회절 결과로부터 얻어

가장 복잡한 구조를 갖는 새로운 알루미노포스페이트 PST-6 분자체의 합성 및 구조결정

XRS분과

그림1.회전전자회절(RED)기법을사용하여측정된PST-6의3차원

역격자공간.데이터측정회전축에수직으로보이는역격자공간(왼

쪽위).a*(오른쪽위),b*(왼쪽아래),c*(오른쪽아래)축을따라보

이는역격자공간

16 │방사광과학과기술│

밝은빛 이용 우수 연구논문

진 유닛셀 파라미터 정보들을 가속기 X-선 회절 분석에

적용하여 PST-6의 공간군(Orthorhombic (Pba2))과 함

께, 보다 더 정확한 값의 유닛셀 파라미터(a = 39.6500

Å, b = 22.2547 Å, c = 8.3450 Å)를 얻을 수 있었으며,

EXPO2009 프로그램을 사용하여 기본적인 알루미노포스

페이트 구조 모델을 획득할 수 있었다. 이후, GULP 프로

그램을 사용한 컴퓨터 모델링이 적용되어 수화 및 탈수된

PST-6의 리트벨트 구조 검증법(Rietveld refinement) 적

용을 위한 초기 모델을 설립하게 되었다.

300 ℃의 진공 하에서 탈수된 PST-6의 최종 리트벨

트 결과 [그림 2]는 모사된 X-선 회절 패턴과 실제 관측

된 패턴이 매우 잘 맞는 모습을 보여주었고 최종 구조는

a = 38.2793 Å, b = 22.4638 Å, c = 8.36197 Å (Pba2)

의 공간군과 함께 결정학적으로 36개의 서로 다른 사배

위 자리를 갖는다는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하

여 PST-6가 현재까지 알려진 제올라이트 중 가장 복잡

한 구조를 갖는다는 것을 밝힐 수 있었다. 또한 PST-6

는 기존에 알려지지 않은 새로운 구조를 갖는 알루미노

포스페이트 분자체로서, 국제 제올라이트 구조위원회에

의해 새로운 코드명으로 PSI(POSTECH no. SIx)를 부여

받았다. 현재까지 알려진 나노다공성 분자체 225종 중

국내연구자에 의해 합성된 물질로는 본 연구단에서 합

성된 TNU-9(코드명: TUN)이 유일 했으며 PST-6는 그

두 번째 사례가 되었다. 이러한 PST-6의 합성은 간단한

AlPO4 조성에서도 매우 복잡한 구조의 분자체 합성이 가

능하다는 것을 보여주었다는데 합성적인 큰 의미가 있으

며, 또한 서로 다른 크기의 두 가지 세공(10-과 8-Ring)

이 한 축(c축)을 따라서만 평행하게 존재하는 유일한 중

간세공(~5 Å) 물질로서 [그림 3], 이러한 독특한 세공구그림2.탈수된PST-6의리트벨트구조검증법결과.실제관측데이

터(십자가),모사된데이터(실선),둘의차이(아래쪽)

그림3.탈수된PST-6의골격구조.알루미늄(하늘색),인(회색),산소(빨강)

17

VOL.22/NO.2/Summer 2015밝은빛 이용 우수 연구논문

조를 통하여 수소나 이산화탄소와 같은 작은 기체분자들

에 대한 분리 소재로서 앞으로의 응용 가능성을 가지고

있을 것으로 기대하고 있다.

참고문헌

Jun Kyu Lee, Alessandro Turrina, Liangkui Zhu, Seungwan Seo, Daliang Zhang, Paul A. Cox, Paul A. Wright, Shilun Qiu, and Suk Bong Hong, “An Aluminophosphate Molecular Sieve with 36 Crystallographically Distinct Tetrahedral Sites”, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7480–7483.

―저 자 약 력

홍석봉 교수는 1992년 Virginia Tech 화

학공학과에서 박사학위를 받고 2007년부

터 POSTECH 환경공학부 교수로 재직 중

이며, 현재 국제제올라이트협회 Counsil

Member 및 나노다공성 재료 합성 창의

연구단장을 맡고 있다.

sbhong@postech.ac.kr

이준규 연구원은 2011년 POSTECH 환경공

학부에서 석사학위를 받고 현재 동대학원에

서 박사과정으로 연구 활동 중이다.

royalblue@postech.ac.kr

서승완 연구원은 2014년 POSTECH 환경공

학부에서 석사학위를 받고 현재 동대학원에

서 박사과정으로 연구 활동 중이다.

swseo@postech.ac.kr