제올라이트 합성과정에서의 결정변형 원인규명 - 결맞는 X-선 회절을 이용한 원자수준의 이미징 기술 개발 -
연구결과 개요
1. 연구배경
제올라이트는 특유의 일정한 나노 기공의 크기와 배율로 촉매, 흡착 등의 기능을 갖는 물질이다. 그러나 외부의 어떤 환경 조건에 의해 스트레인이 형성되면 기공의 크기가 변하게 되고 또한 배열도 어그러지게 되어 촉매로서의 효율이 떨어지게 된다. 특히 응용의 편이성과 효율을 높이고자 제올라이트 결정 등을 기판에 붙이거나 하는데 이 때에도 변형을 줄 수 있으며, 또한 대부분의 촉매 반응이 고온에서 이루어지므로 기판과의 열팽창계수차로 인해 결정에 변형이 가해질 수도 있다. 그러므로 원자수준의 분해능을 가지고 결정 전체의 스트레인을 이미징하는 것은 중요하다. 결정 전체에 대한 변형의 평균값은 X-선 분말 회절법을 이용하여 측정이 가능하고 결정내의 국소부분은 투과전자현미경을 이용하여 측정이 가능하다. 그러나 결정 전체에서 국소적으로 변형을 측정하고 3차원으로 이미징하는 것은 불가능했다.
2. 연구내용
석유화학 분야와 환경 쪽에서의 촉매로 널리 활용되는 제올라이트 ZSM-5의 합성과정 중 필수적인 요소인 유기물(tetrapropylammonium hydroxide, TPAOH)은 보통 450도 이상에서 수 시간 동안의 소성과정을 통해 제거되는 것으로 알려져 있었다. 결맞는 X-선을 이용하여 측정되는 회절 패턴에는 기존의 회절에서 관찰할 수 있는 결정의 peak 뿐 아니라, 결정의 방향 또는 결정의 크기에 따른 간섭무늬의 관찰이 가능하다. 그런데 450도에서 소성된 ZSM-5의 결맞는 회절 패턴에서 온도를 증가시키며 측정한 결과, 결정의 구조(orthorhombic, MFI structure)로는 관찰될 수 없는 삼각형 모양으로 변형되는 특이한 형태의 패턴을 관찰하였고, 이는 결정 내부에 스트레인이 특이한 형태로 형성되어 있음을 알 수 있다.
제올라이트 합성과정에서의 결정변형 원인규명
외부의 어떤 환경 조건 때문에 제을라이트에서 스트레인이 만들어지면 무엇의 크기가 변하지
기공