[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

제올라이트 모방 다공성 물질 (ZIF)는 금속-유기 골격체(MOF)의 일종으로, 우수한 화학적 안정성과 높은 기공성을 바탕으로 이산화탄소 포집, 기체 정제, 촉매 등 다양한 응용 가능성을 갖고 있다. 그러나 실제로 합성에 성공한 ZIF는 약 50종에 불과하며, 이는 이론적으로 가능한 수백만 개의 구조와 큰 간극을 보인다. 이러한 예측-합성 불일치는 ‘제올라이트 난제(Zeolite Conundrum)’로 불리며, 소재 개발 과정에서 핵심적인 한계로 지적돼 왔다.

2.연구내용

연구팀은 수백만 개의 가상 제올라이트 구조 데이터를 분석한 뒤, 화학자의 직관에 해당하는 구조적 판단 기준—결합 각도, 정점 기호, 연결 형태 등—을 디지털 알고리즘으로 정량화해 적용했다. 이 과정을 통해 실제 합성이 가능할 것으로 예상되는 420종의 ZIF 후보군을 추려냈고, 에너지 계산을 바탕으로 이들 중 합성 가능성이 높은 90종(Tier 1)을 선별했다. 이 중에서도 세 가지 구조체(UZIF-31, -32, -33)는 실험을 통해 실제 합성에 성공했다. 특히 UZIF-33은 독특한 구조적 조합과 내부 수소결합 네트워크 덕분에 높은 기공성과 표면적을 갖추고 있으며, CO₂를 CH₄보다 약 10배 이상 효과적으로 분리해낼 수 있는 우수한 선택적 흡착 성능을 보였다.

3.기대효과

이번 연구는 구조 예측 알고리즘과 화학적 직관의 융합을 통해, 가상의 수많은 물질 중에서 실제로 만들 수 있는 신소재를 정밀하게 선별하고 실험으로 이어낸 대표적 사례다. 특히 기존에 비해 높은 CO₂ 분리 효율을 가진 ZIF가 실제 합성되었다는 점에서, 향후 탄소 포집 및 정제 기술에 새로운 대안을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 연구진은 향후 자동화 합성 시스템과 디지털 구조 예측 기술이 결합될 경우, 신소재 개발 속도가 획기적으로 빨라질 것으로 보고 있다. 이로써 소재 개발 분야 전반에 걸쳐 디지털 기반 탐색 방식이 중요한 전환점이 될 수 있다는 가능성을 입증하였다.

[붙임] 용어설명

1.제올라이트 모방 다공성 물질 (Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)

제올라이트 모방 다공성 물질(ZIFs)은 금속 이온과 이미다졸레이트 리간드가 규칙적으로 결합해 형성된 구조로, 제올라이트와 유사한 다공성을 지닌 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)의 한 종류다. ZIF는 다양한 결합 방식과 기공 구조를 구현할 수 있는 설계의 유연성을 가지며, 뛰어난 화학적 및 열적 안정성을 기반으로 촉매, 가스 분리 및 저장 등 여러 산업과 연구 분야에서 각광받고 있다. 특히, 이 물질은 나노 기술 및 재료 과학에서 새로운 응용 가능성을 제시하는 핵심 플랫폼으로 주목받고 있다.

2.이산화탄소 선택적 흡착

이산화탄소 선택적 흡착은 혼합된 기체 중 CO₂만을 우선적으로 흡착하는 기술로, 탄소 포집과 천연가스 정제 등 기후 대응 산업에서 핵심적인 역할을 한다. 이번 연구에서 개발된 신형 소재 UZIF-33은 극성을 띠는 기공 구조와 독특한 내부 채널 설계를 바탕으로 메탄(CH₄)보다 CO₂를 약 10배 이상 잘 흡착하는 성능을 보였다. 이는 고정밀 분리 기능이 요구되는 실제 산업 환경에서도 적용 가능성이 높음을 보여주는 결과이며, 기존 액상 흡수 방식보다 에너지 효율과 재사용성 측면에서도 유리한 대안으로 주목된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 알고리즘의 개발과정과 알고리즘의 흐름도 (a) 31,637개의 가상의 세 결합점(trinodal)을 가진 제올라이트 구조와 (b) 33개의 알려진 ZIF 구조에서의 O−T−O 결합각 차이(ω)를 비교한 결과이다. (c) 첫 번째 구조 지표인 O−T−O 결합각 차이(ω < 30°), (d) 두 번째 지표인 정점 기호(vertex symbol; 4, 6, 8, 12), (e) 세 번째 지표인 T−O−T 결합각(>130°)에 해당하는 구조가 알려진 ZIF 중 어느 정도 비율을 차지하는지를 보여준다. (f) 이는 제올라이트 데이터베이스로부터 실제 합성이 가능한 ZIF 후보군의 토폴로지를 도출하기 위한 과정 흐름도이다. 세 가지 구조 지표를 적용한 결과, 전체 4,450,797개의 구조 중 420개의 ZIF 토폴로지로 후보군이 압축되었다.

그림 2. 알고리즘이 압축해준 420개의 후보군을 에너지 안정성 관점에서 걸러내는 과정 (a) 밀도에 따른 세 결합점(trinodal) ZIF들의 총 에너지 계산 결과. 빨간 선은 알려진 ZIF 토폴로지를 기반으로 설정한 회귀선이며, 예측 구간을 나타낸다. (b) 420개의 f-ZIF에 대한 합성 가능성 계층(Tier) 분류. Tier 1은 90종(T-1부터 T-90), Tier 2는 233종(T-91부터 T-323), Tier 3은 97종(T-324부터 T-420)으로, 예측 구간 내 위치를 기준으로 나누어졌다. (c) 420개의 f-ZIF에 대한 O−T−O 결합각 차이(ω)와 합성 가능성 계층 간의 관계. Tier 1에 해당하는 90종 모두가 ω < 30°의 조건을 만족한다. (d) 합성 가능성 순위는 회귀선의 -3σ 선으로부터의 거리 기반으로 설정되었다. 이번 연구에서 실제 합성된 T-12와 T-50은 빨간 점으로 표시되어 있으며, T-3은 기존에 보고된 ucb 토폴로지와 동일한 구조이다.

그림 3. 90개의 후보군의 구조. T-1부터 T-90까지, 왼쪽에서 오른쪽 순)의 도식적 그림과 타일링 투영도. 이들 모두는 Tier 1 합성 가능성 등급에 해당한다.

그림 4. 알고리즘이 골라준 구조를 실제 실험으로 합성한 결과. (a) UZIF-31(uft1), UZIF-32(uft2), UZIF-33(uft2)의 합성 과정 모식도. uft1과 uft2의 결정 구조는 각각 Tier 1에 속하는 T-50 및 T-12 토폴로지와 동일하다. (b) 합성된 UZIF-31(빨간색)과 예측된 T-50(파란색), (c) UZIF-33(빨간색)과 예측된 T-12(파란색)의 결정 구조 중첩 비교.

그림 5. 새롭게 개발된 소재 3종의 구조 분석 및 기체 흡착 성능 테스트 결과. (a~c) 신규 ZIF 결정 구조 내 수소결합(빨간 점선; 3.0 Å 이내)을 분석함.(a) UZIF-31에서는 [010] 방향을 따라 무한히 이어지는 수소결합 사슬이 강조되어 있다. (b) UZIF-32에서는 인접한 t-cub 케이지 사이의 수소결합이 강조되었다. (c) UZIF-33에서는 t-lau 케이지 내부에 형성된 수소결합 클러스터가 부각된다. 파란색 다면체는 Zn 이온, 회색은 탄소(C), 파란색은 질소(N), 흰색은 수소(H)를 나타낸다. (d) 77K에서 측정한 ZIF들의 N₂ 흡착 실험 결과. (e) 273K(원형 기호) 및 298K(사각형 기호)에서 측정한 ZIF들의 CO₂ 흡착 실험 결과. (f) 각 ZIF에 대한 CO₂ 흡착 시의 Qₛₜ (흡착열) 값. (g) 298K에서 UZIF-33에 대해 실험적으로 측정된 CO₂, C₂H₄, C₂H₆, CH₄의 흡착 실험 결과. (h) 298K에서 CO₂/CH₄, C₂H₄/CH₄, C₂H₆/CH₄ 혼합기체(50:50)에 대한 UZIF-33의 예측 IAST 선택도. (i) 298K, 1 bar 조건에서 UZIF-33이 채워진 컬럼에서 CO₂/CH₄(50:50) 혼합기체의 동적 브레이크스루 실험 결과.