울산과학기술원(UNIST) 화학과는 한양대학교 ERICA 캠퍼스와 공동 연구를 통해 상온에서 자일렌 이성질체를 분리할 수 있는 다공성 흡착 소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

나명수·민승규 UNIST 교수팀과 전형필 한양대 ERICA 교수팀이 함께 진행한 이번 연구로 석유화학 원료인 자일렌 정제에 필요한 에너지와 비용을 대폭 절감할 수 있게 됐다.

자일렌은 플라스틱병, 합성섬유, 방향제 등에 활용되는 핵심 소재로 오르토, 메타, 파라 등 3가지 이성질체로 구분된다. 이성질체는 구성 원소와 원자 수는 동일하지만 분자 구조가 달라 각각 다른 용도로 사용된다. 오르토자일렌은 살충제나 염료 중간체 제조, 파라자일렌은 생수병이나 합성섬유의 원료로 활용된다.

기존 석유화학 공정에서는 3가지 이성질체와 에틸벤젠까지 포함된 총 4가지 혼합물이 생성돼 고온 고압의 복잡한 추가 분리 정제 공정이 요구됐다.

연구팀이 개발한 MOF는 금속 이온과 유기물 분자가 결합해 나노미터 수준의 기공을 형성한 물질이다. 이 기공이 이성질체 분자들을 선별적으로 걸러내는 체 기능을 수행한다.

새로 개발된 MOF는 기존과 달리 측면 통로가 차단되고 상하 방향 수직 통로만 개방된 독특한 구조를 지닌다. 니켈(Ni) 금속과 BTC 유기물로 골격을 구성하고, 부피가 큰 DABCO 분자를 추가해 측면 통로를 봉쇄했다.

측면이 DABCO 분자로 막혀 있어 수직 방향 입구를 통해서만 이성질체들이 진입할 수 있으며, 휘어진 형태의 오르토자일렌은 입구 단계에서 차단된다. 반면 길쭉한 모양의 파라자일렌과 에틸벤젠은 기공을 통과해 내부에 흡착될 수 있다.

이 MOF는 측면 통로가 개방된 기존 MOF 대비 최대 268배 향상된 오르토자일렌 선택도를 나타냈다. 또 반복 사용 후에도 구조와 성능이 안정적으로 유지되는 것으로 확인됐다.

나명수 UNIST 교수는 "이번에 개발한 소재는 상온·상압에서도 특정 이성질체를 자발적으로 분리할 수 있어, 고온·고압에 의존하던 기존 공정의 한계를 뛰어넘는 성과"라며 "에너지 소비를 줄이고 공정을 단순화할 수 있는 점에서, 보다 친환경적이고 지속 가능한 석유화학 분리 기술로 이어질 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구에는 이성환, 아미토쉬 샤르마(Amitosh Sharma), 이재혁 UNIST 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 전통화학분야 권위 학술지인 앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)에 7월 18일 온라인 게재됐으며 전면 표지 논문으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다.