인하대, 화학산업의 쌀 ‘에틸렌’분리 효율 70배 높이는 소재 개발

-조창범 교수 연구팀, 제올라이트 기공 제어기술 이용해

-에틸렌 흡착 선택성율 70배 이상 증대시키는 소재막 개발

-소재 분야 최고 권위지 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 내부표지논문 선정

인하대학교(총장 조명우)는 화학과 조창범 교수 연구팀이 제올라이트의 기공 크기를 아주 세밀하게 제어해 에틸렌과 에탄을 분리하는 소재막을 개발했다고 4일 밝혔다.

이번 연구는 소재 분야 세계 최고 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스’의 2021년 

       12월호 내부표지논문에 선정됐다. 

*제올라이트 기공(터널)에 부착된 유기물로 인해 기공 입구가 좁아지면서, 크기가 큰 에탄(오른쪽에 나열된 분자)의 흡착을 막고, 작은 에틸렌(왼쪽에 나열된 분자) 분자만 흡착된다. (사진설명: 조창범 인하대 교수)

연구논문은 그 우수성을 인정받아 소재 분야 세계 최고 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’(IF=30.85)의 2021년 12월호 내부표지논문으로 선정됐다.

연구팀은 간단한 유기화학반응을 이용해 세계 최초로 제올라이트 기공 표면에 유기물을 부착하는 데 성공했다. 기공 안에 부착된 유기분자로 인해 구멍의 크기가 작아지면 크기가 큰 분자의 흡착을 막고 크기가 작은 분자만 흡착되는 것이다. 이 기술을 통해 크기가 0.03나노미터밖에 차이 안 나는 에탄과 에틸렌의 분리 효율을 기존 제올라이트 대비 70배 이상 증가시켰다.

합성수지, 합성고무, 알코올 등 다양한 화학제품 제조에 쓰이는 경질올레핀은 에탄/에틸렌, 프로판/프로필렌을 분리하는 공정을 통해 얻을 수 있다. 여기에 이용되는 저온액화증류 공정은 에너지 소비가 커서 싱가포르 전체 에너지 소비량과 맞먹을 정도다. 이를 대체할 에너지 효율적인 방법으로 제올라이트를 이용한 방식이 떠오르고 있다. 제올라이트에는 무수한 1나노미터 이하의 기공들이 있는데, 기공을 통해 분자들이 드나들며 흡착 속도 차이를 기반으로에탄과 에틸렌을 분리한다.

이번에 개발한 기술은 에틸렌뿐만 아니라 다른 물질의 분리에도 적용 가능할 것으로 보인다. 다른 크기의 유기분자를 부착시켜 기공 크기를 조절함으로써 이산화탄소 포집, 촉매반응의 활성도 증가 등에 활용될 가능성이 크다.

교신저자인 조창범 교수는 “간단한 유기반응을 무기소재에 도입해 제올라이트의 분리 특성을 제어하는 데 성공했다”며 “이러한 제어기술 개발은 최근 전 세계적 이슈로 떠오르고 있는 이산화탄소의 흡착·분리에도 유용할 것이며 관련 연구결과도 어느 정도 확보했다”고 밝혔다.

(왼쪽부터) 인하대학교 화학과 이해솔 졸업생과 조창범 교수

한편, 이번 연구는 한국연구재단 차세대탄소자원화사업(2019M1A2A6071804)의 지원을 받았으며, 논문 제1저자는 인하대학교 나노물질 및 그린촉매 연구실에서 석사학위를 받고 현재 롯데케미칼 연구개발 직무에서 근무 중인 이해솔 졸업생이다.