보도자료

2023. 3. 2 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

다공성 물질, 이제는 예상하고 만든다!

UNIST 최원영 교수팀, 화학적 직관을 통한 제올라이트 모방 다공 물질 설계법 제시
제올라이트를 대체할 다공성 물질 개발에 도움… Small 게재

제올라이트(Zeolite)는 산업에서 중요한 다공성 고체이며, 기체 분리, 저장 및 촉매 작용 등 여러 분야에 사용된다. 하지만 기공의 크기가 크지 않고, 화학적 환경을 분자수준에서 조절하는 것이 쉽지 않다. 따라서 차세대 다공성 물질로 제올라이트 모방 다공성 고체인 ‘ZIF’가 떠오르고 있다.

UNIST(총장 이용훈) 화학과 최원영 교수팀은 최근 금속-유기물 다공성 고체(MOFs)의 한 종류인 제올라이트 모방 다공성 고체(ZIFs)의 구조를 예측하는데 성공했다. ZIF는 화학 작용기를 통한 기공의 화학적 환경 조절과 제올라이트의 구조적 특성을 모두 잡을 수 있는 소재다.

제올라이트는 4면체(SiO4)의 기본 결합 형태가 연결되어 200만 개가 넘는 결정구조를 가진다. 그럼에도 현재까지 발견되거나 합성된 제올라이트는 250여 개에 불과하다. 학계에서는 새로운 구조의 제올라이트 합성에 대한 어려움을 제올라이트 수수께끼(conundrum)이라 부른다. 연구팀은 이런 수수께끼가 ZIF에서도 비슷하게 적용되는데 주목해 연구를 시작했다.

연구팀은 200만 가지 이상의 제올라이트 구조 중에서 ZIF로 구현 가능한 구조를 살펴봤다. 먼저 기존에 합성된 ZIF 구조를 심층적으로 분석하여 보편적인 공통점을 찾아냈다. 심층 구조 분석을 통해 찾아낸 세 가지의 인자들을 구조 기술자(structural descriptors)로 정의하고, 200만개의 제올라이트 구조로부터 207개의 ZIF 구조로 변환하는 알고리즘을 제안했다.

최종적인 207개의 ZIF 후보군은 밀도범함수 이론(DFT, Density Functional Theory)을 이용해 가상의 결정구조와 안정화된 구조의 에너지를 계산해냈다. 또한 이 ZIF구조의 다공성에 주목해 미래 에너지 자원으로 촉망받는 고성능 수소 저장체로서의 사용 가능성을 확인했다.

제 1저자인 이수찬 연구원은 “ZIF라는 다공성 물질은 안정성이 높아 제올라이트를 대체할 것으로 예상되었지만, 새롭고 다양한 종류의 ZIF를 합성이 어렵다는 사실을 학계에서도 인정하고 실험자 입장에서도 느끼고 있었다”며 “이러한 문제점들을 계산화학의 도움을 받아 해결하고자 이번 연구를 진행했다”고 전했다.

최원영 화학과 교수는 “이 연구는 합성화학자에게 기존의 시행착오 접근법(trial-and-error)에 기반한 합성전략을 넘어 다공성 물질 설계에 청사진을 제공할 것이다”며 “새로운 다공성 소재의 발견 시기를 빠르게 앞당길 것으로 전망된다”고 기대했다.

이번 연구는 나노화학 및 재료 분야의 권위지인 스몰(Small)에 2023년 2월 9일자로 온라인 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)의 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업(SRC), 미래수소원천기술개발사업, UNIST의 탄소중립융합원연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

(논문명: Unveiling Hidden Zeolitic Imidazolate Frameworks Guided by Intuition-Based Geometrical Factors)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

화학과: 최원영 교수 (052)217-2546

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

제올라이트는 기체 저장과 분리, 촉매 활성 특성을 이용하여 현재 산업적으로 가장 중요한 다공성 물질 중에 하나이다. 이러한 제올라이트 또한 기공의 화학적 환경을 조절하는데 어려움이 있어, 대체 다공성 물질을 필요로 하고 있다. 제올라이트 모방 다공성 고체인 ZIF에 대한 연구가 20여 년 동안 이어지고 있다. ZIF는 금속-유기 골격체의 한 종류로 아연 등의 금속과 이미다졸 연결체의 배위결합으로 형성된 다공성 고체이며, 높은 안정성과 다공성으로 각광 받고 있다.

수학적으로 200만 가지 이상의 구조가 예측되었지만, 실제로 발견되거나 합성된 제올라이트 구조의 수는 250여 가지에 불과하다. 이러한 문제는 제올라이트 수수께끼(conundrum)로 불리고 있으며, 이러한 현상은 ZIF에도 비슷하게 나타난다. 새로운 구조의 ZIF를 합성하기는 점점 어려워지고 있으며, 정확한 예측과 설계를 할 수 없어 연구자들이 어려움을 겪고 있다.

연구진은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 화학적 직관에 기반한 심층 구조 분석을 통해 세 가지의 구조 기술자(structural descriptors)를 설정하여 200만 개가 넘는 제올라이트로부터 200여 가지의 ZIF구조를 제시하였다.

2. 연구내용

연구진은 제올라이트 모방 다공성 고체인 ZIF의 구조적 특성을 존재하는 ZIF구조들에 한정하여 심층적으로 분석하였다. 이를 통해 공통적 특성들을 발견하였으며, 이를 필터링을 진행시키는 구조 기술자(structural descriptors)로 설정하여 새로운 ZIF 제안 알고리즘에 적용시켰다. 200만 개가 넘는 제올라이트 구조로부터 207개의 합성 될 가능성이 높은 ZIF 구조들을 제시하였다.

구조 기술자에 의해 필터링 된 207개의 ZIF 구조들은 가상의 결정구조로 컴퓨터를 통해 조합되었으며, 범밀도함수 이론(DFT) 계산을 이용하여 안정된 구조와 그에 따른 에너지 분포를 알아냈다. 제안된 ZIF들의 에너지 분포는 높은 합성 가능성을 뒷받침 해주는 증거로 제시되었다.

수소는 미래 에너지 자원으로 기대되고 있으며, 이를 안전하고 대용량으로 저장 및 운반하는 기술을 필요로 하고 있다. 연구진은 제안된 ZIF의 수소 저장체로서 성능을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수소 흡착 시뮬레이션을 진행하였다. 207개의 ZIF중 상당수의 구조가 미국 에너지부(DOE, Department of Energy)에서 설정한 2025년 목표치에 도달하는 것으로 예측되었다.

이러한 결과는 새로운 구조의 발견이 힘든 ZIF구조의 특징을 이용하여 화학자 및 재료과학자들에게 합성 전 훌륭한 후보군들을 제시해주기에 큰 의미가 있다.

3. 기대효과

이번 연구는 화학적 직관과 심층적 구조 분석을 통해 설정한 구조 기술자를 이용한 필터링 과정이 ZIF라는 다공성 물질 플랫폼에 적용되는 것을 확인하였다. 이는 ZIF 뿐만 아니라 다양한 다공성 물질 발견에 새로운 가능성을 주는 방법론으로 제시될 수 있다. 또한, 수소 저장체로서의 높은 성능이 예측되어 발견될 ZIF 구조는 수소를 활용하는 응용분야 연구에 기여할 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 제올라이트 (zeolite)

알칼리 금속이나 알칼리토 금속류를 함유하는 알루미늄 규산염 광물의 일종. 실리콘과 알루미늄이 가교 산소를 통해 연결된 삼차원의 무기고분자이다. 이온교환, 촉매, 흡착 및 탈수, 반응 등의 응용에 활용되는 다공성 고체.

2. ZIF (Zeolitic Imidazolate Frameworks)

제올라이트를 모방한 다공성 고체. 아연이나 코발트의 금속이 이미다졸(imidazole) 유기 리간드와 사면체 형태로 배위결합 하여 결정화 된 구조.

3. 구조 기술자 (Structural descriptors)

컴퓨터 과학에서 분류를 위해 쓰이는 기술자(descriptor)의 개념을 화학 구조 기반 분류를 위해 개발됨.

[붙임] 그림설명

그림 1. 구조 기술자를 이용한 필터링 과정에 대한 흐름도.

구조 기술자를 통해 200만 가지 이상의 제올라이트 구조로부터 207개의 ZIF구조들을 필터링한 알고리즘을 보여주는 흐름도이다.

그림 2. 제안된 207개의 ZIF 구조들의 타일형태 투사도.

DFT 계산을 통해 안정화된 가상의 207개 ZIF 구조들을 타일 형태로 한 방향으로 투사하여 보여준 그림이다.

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