[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

자일렌(Xylene)은 플라스틱, 합성섬유, 의약품 등의 원료로 널리 활용되는 중요한 석유화학 물질이다. 자일렌에는 3종 이성질체1)가 존재하고, 자일렌과 분자 구조가 유사한 ‘에틸벤젠(Ethylbenzene)’까지 포함해, 산업 현장에서는 네 가지 성분이 함께 섞인 혼합물 형태로 생산된다. 이들은 각자 쓰임새가 다르며 이들을 정확하게 분리해내는 것이 최종 제품의 품질을 높이는 데 중요하다. 하지만 이성질체 간 크기나 물리적 성질이 거의 비슷해 분리하기 매우 까다롭다. 기존에는 증류 방식이 주로 사용되어 왔지만, 이 과정은 많은 에너지를 소모하고 환경에 부담을 주는 단점이 있다. 이를 대체하기 위해 다공성 물질을 활용한 흡착 기반 분리 기술이 상용화 되었으며, 개선된 에너지 효율과 분리 성능을 위해 새로운 소재 개발이 활발히 이뤄지고 있다.

금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)는 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 결합해 형성된 다공성·결정성 물질로, 기공 크기와 내부 환경을 다양하게 조절할 수 있다는 장점을 지닌다. 이러한 구조적 유연성과 설계 가능성 덕분에 MOF는 다양한 화학 물질의 분리 공정에 활용될 수 있는 유망한 소재로 주목받고 있다. 특히 자일렌 이성질체 분리에 있어서는, 기공 크기를 정밀하게 조절해 이성질체 간의 미세한 크기 차이를 구분하거나, 특정 이성질체에 더 잘 결합하도록 내부 환경을 조절하는 전략이 연구된 바 있다. 본 연구에서는 자일렌 분자의 확산 경로를 정밀하게 제어함으로써 좁은 통로에서의 ‘분자 체 효과’2)를 극대화하는 전략을 제안하고 이를 구조 설계를 통해 구현하였다.

2.연구내용

이번 연구에 사용된 층상 기둥형 MOF는 니켈 금속이온(Ni2+)과 트리메식산(trimesic acid, H3BTC) 유기물이 층을 이루고, 그 사이를 연결하는 기둥 역할의 유기 분자에 따라 기공 크기와 환경을 다양하게 조절할 수 있는 구조를 가진다. 이 구조체는 타원형의 좁은 수직 통로와 상대적으로 넓은 측면 통로를 동시에 갖고 있으며, 일반적으로 자일렌 분자는 넓은 측면 통로를 따라 확산된다. 그러나 이러한 경우에는 이성질체 간 미세한 크기 차이를 인식하기 어려워 분자 체 효과가 제대로 발현되지 않고, 결과적으로 선택성이 크게 떨어지는 한계가 있다.

연구진은 이러한 넓은 측면 통로를 부피가 큰 기둥 물질로 효과적으로 차단하고, 자일렌 분자가 오직 좁은 수직 통로를 통해서만 확산되도록 유도함으로써 분자 체 효과를 극대화하고 선택성을 향상시키는 설계 전략을 제안했다. 이를 위해 부피가 큰 원기둥형 분자인 트리에틸렌디아민(1,4-diazabicyclo[2.2. 2]octane, DABCO)을 기둥 물질로 도입한 층상 기둥형 MOF, Ni-HDB를 합성하고, 이를 활용한 자일렌 이성질체 분리 성능을 체계적으로 평가하였다.

Ni-HDB는 설계 의도대로 자일렌 분자가 좁은 수직 통로를 통해서만 확산되도록 유도되었고, 그 결과 분자 체 효과가 극대화되어 이성질체 간의 미세한 크기 차이를 정밀하게 인식할 수 있었다. 특히, 가장 크기가 큰 오르토(ortho-) 이성질체만을 선택적으로, 그리고 완전히 분리하는 데 성공했다. Ni-HDB는 기존에 보고된 흡착제들 보다 우수한 성능을 보여 사상 최고 수준의 선택도를 기록했으며, 측면 통로가 열려 있는 구조체에 비해서는 선택도가 최대 268배 향상되었다. 이는 측면 경로를 차단하는 설계 전략의 유효성과 우수성을 실험적으로 뚜렷하게 입증한 결과이다. Ni-HDB는 흡착 용량도 높았고, 반복적인 사용 이후에도 초기의 선택도와 용량을 안정적으로 유지해 소재의 재사용성과 장기적인 내구성 역시 입증되었다. 또한, 분자 시뮬레이션을 통해 Ni-HDB의 기공 내에서 오르토 이성질체가 에너지적으로 비선호된다는 사실도 확인되었으며, 이는 실험적으로 관측된 높은 선택성의 원인을 이론적으로 뒷받침해준다.

3.기대효과

이번 연구에서는 자일렌의 확산 경로를 정교하게 제어함으로써, 이성질체 간 미세한 크기 차이를 인식하고 분리 효과를 극대화하는 설계 전략을 제시하였다. 이러한 전략을 바탕으로 구현된 Ni-HDB는 기존 흡착제에 비해 뛰어난 선택성을 보였을 뿐 아니라, 또한 높은 재사용 안정성까지 확인되어 실용적인 측면에서도 경쟁력을 입증했다. 무엇보다도 이 같은 고성능 분리 과정이 상온·상압이라는 온화한 조건에서 구현되었다는 점은, 기존의 고온·고압 기반 분리 공정을 대체할 수 있는 저에너지·친환경 분리 기술로의 발전 가능성을 제시한다. 이번 연구는 정밀한 구조 설계를 통해 흡착 분리 효율을 극대화할 수 있음을 입증하며, 향후 지속가능한 석유화학 공정 개발에 있어 중요한 전환점을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.이성질체 (Isomer)

이성질체란 조성이 같지만, 원자 배열 방식이 서로 다른 분자를 의미한다. 예를 들어 자일렌은 벤젠 고리에 두 개의 메틸기(-CH3)가 치환된 구조를 가지는데, 이 메틸기의 위치에 따라 서로 다른 네 가지 이성질체가 존재한다. 두 메틸기가 이웃한 위치에 있는 오르토(ortho-) 자일렌, 한 칸 떨어진 메타(meta-) 자일렌, 가장 멀리 떨어진 파라(para-) 자일렌이 대표적인 세 가지이고, 여기에 두 개의 메틸기 대신 한 개의 에틸기(-CH2CH3)가 결합된 에틸벤젠(ethylbenzene) 까지 포함하면 총 네 가지 이성질체로 구분된다. 이러한 이성질체는 분자 크기와 극성, 끓는점 등의 물리적 성질이 매우 유사해 분리하기 어렵기 때문에, 이들의 미세한 차이를 인식하고 선택적으로 분리할 수 있는 정밀 분리 기술의 개발이 중요한 과제로 대두되고 있다.

2.분자 체 효과 (Molecular sieving effect)

분자 체 효과란 마치 체로 곡식의 알갱이를 크기에 따라 골라내듯이, 작은 분자만 통과시키고 큰 분자는 걸러내는 현상을 말한다. 이 효과는 주로 아주 작은 기공을 가진 다공성 물질에서 일어난다. 이러한 다공성 물질은 미세한 통로를 따라 분자들이 확산되어 지나갈 수 있도록 되어 있으며, 마치 필터처럼 작동하여 분자들의 크기에 따라 들어갈 수 있는지 여부가 결정된다. 기공보다 크기가 작은 분자는 쉽게 통과 하거나 흡착될 수 있는 반면, 기공보다 큰 분자는 통과하지 못해 걸러지게 된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 자일렌 이성질체 분리를 위한 MOF 구조 설계와 분자 선택성 메커니즘

네 가지 자일렌 계열 분자(PX: 파라자일렌, EB: 에틸벤젠, MX: 메타자일렌, OX: 오르토자일렌)의 구조와 크기를 비교한 도식(오른쪽 삽도)과 이들을 선택적으로 분리할 수 있도록 설계된 MOF 구조 세 가지를 보여준다. MOF 측면에 부피가 큰 분자(3D, Short pillar)를 배치한 경우, 수평 방향 통로를 효과적으로 차단하고, 수직방향으로만 자일렌 이성질체가 드나들 수 있다. 이 때 모양이 휘어진 오르토 자일렌은 수직방향 통로를 통과하지 못하고, 걸러진다.