KR101147015B1

KR101147015B1 - 단일 단위 결정 격자 한 개 또는 10개 이하가 연결되어 규칙적이거나 불규칙적이게 배열된, 다중 또는 단일 판상구조의 제올라이트 및 유사 제올라이트 물질

Info

Publication number: KR101147015B1
Application number: KR1020120007320A
Authority: KR
Inventors: 유룡; 최민기; 나경수
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2012-01-25
Publication date: 2012-05-17
Also published as: KR20120018212A

Abstract

본 발명은 제올라이트의 합성 조성에 유기계면활성제를 첨가하여 합성한, 단일 단위 결정 격자 (single unit cell) 두께의 결정성 골격이 단일 또는 다중판상구조로 층이 규칙적이거나 불규칙적으로 정렬된 마이크로다공성 분자체 물질 및 유사 분자체 물질에 관한 것이다. 덧붙여 본 발명은 탈 알루미늄화, 이온 교환, 그리고 그 외의 다른 후 처리에 의해 활성화되거나 관능화 된 마이크로-메조다공성 분자체 물질 및 그 촉매 활용을 포함하고 있다. 이러한 신규 물질들은 극미세 두께의 골격 구조로 인하여 외표면적이 비약적으로 증가하였고, 이로 인하여 분자확산이 증진되어 기존의 제올라이트에서 보였던 촉매 및 이온교환 수지의 기능에서 활성이 크게 증가하였다. 특히, 유기 분자들의 탄소-탄소 커플링 (coupling) 반응, 알킬레이션 (alkylation), 아실레이션 (acylation) 등 여러 유기 반응에서 매우 높은 반응성과 비약적으로 증진된 촉매 수명을 보여 주었다.

Description

단일 단위 결정 격자 한 개 또는 10개 이하가 연결되어 규칙적이거나 불규칙적이게 배열된, 다중 또는 단일 판상구조의 제올라이트 및 유사 제올라이트 물질 {Regularly stacked multilamellar and randomly arranged unilamellar zeolite nanosheets, and their analogue materials whose framework thickness were corresponding to one unit cell size or less than 10 unit cell size}

본 발명은 단일 단위 결정 격자 (single unit cell) 두께의 골격으로 이루어진 단일 또는 다중 판상구조로 이루어진 MFI (국제 제올라이트 협회의 3-letter code에 의거) 제올라이트 및 유사 분자체 물질, 그리고 이들 물질의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 단일 단위 결정 격자 두께의 골격이 독립적인 단일 판상구조로 불규칙적이게 나열된 물질과, 단일 판상구조가 규칙적으로 여러 층으로 정렬된 다중 판상구조의 물질 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에서의 물질은 단일 판상구조의 결정성 골격이 단일 단위 결정 격자 1개뿐만 아니라 10개 이하로 연결된 물질까지도 포함한다. 또한 제올라이트의 합성 조성에 두 개 이상의 아민 또는 암모늄 관능기 (functional group)를 포함하고 있는 유기 계면활성제를 첨가하여 만든 신규 제올라이트 물질과 이것의 제조 방법, 그리고 이렇게 제조된 제올라이트 및 유사 분자체의 촉매 응용에 관한 내용을 포함한다.

제올라이트는 분자 크기 영역의 균일한 마이크로 기공 (0.3 < 직경 < 2 nm)이 규칙적으로 배열된 결정성 알루미노실리케이트 (aluminosilicate) 물질로 정의된다. 제올라이트의 마이크로 기공은 분자 크기 영역의 직경을 가지고 있기 때문에 분자를 선택적으로 흡착, 확산시킬 수 있는 분자체 (molecular sieve) 기능이 있다. 이러한 분자체 효과는 분자선택적 흡착, 이온교환 및 촉매 공정을 가능하게 하였다 (C. S. Cundy, 외, Chem . Rev . 2003, 103, 663). 하지만 매우 작은 직경을 갖는 제올라이트 마이크로 기공으로의 느린 분자 확산은 여러 응용에 있어 반응 속도의 제약을 불러 일으켜 왔다. 때문에 이 문제를 해결하기 위해 골격을 얇게 만들어 보다 넓은 외표면적을 갖는 제올라이트를 합성하여 제올라이트 마이크로 기공 내로의 분자확산을 증진시키려는 시도들이 과거에 있었다.

비표면적을 증진시키기 위한 전략으로서, 제올라이트를 나노미터 두께를 갖는 미세결정으로 합성하려는 연구들이 진행되었다. 합성조성을 조절하고, 결정화 온도를 낮춤으로서 나노미터 크기 (10 nm 이상)의 콜로이드 (colloid) 상태를 갖는 제올라이트의 합성법들이 발표된바 있다 (L. Tosheva외, Chem . Mater . 2005, 17, 2494). 하지만 이러한 합성법들은 제올라이트의 결정성 및 합성수율이 낮고, 합성 후에 여과법이 아닌 원심분리를 통해 분리해야 한다는 제약이 있었다. 또 다른 전략으로서, 제올라이트 결정 내부에 보다 큰 직경을 갖는 메조기공 (2 < 직경 < 50 nm) 및 마크로기공 (50 nm<직경)을 발생시켜서 제올라이트의 비표면적을 증진시키려는 시도가 있었다. 앤더슨 (Anderson) 과 그의 동료들은 제올라이트 씨앗 결정 (seed crystal)을 처리한 규조토를 결정화하여 마크로기공을 갖는 제올라이트를 합성 하였다 (Anderson, M. W. 외, Angew . Chem . Int . Ed . 2000, 39, 2707). 최근에는 탄소나노입자 및 나노섬유, 구형 고분자와 같은 다양한 고체 주형 존재 하에서 제올라이트를 합성한 후 주형 입자를 태워 제올라이트 결정 안에 메조기공을 형성시키는 제조방법이 발표되었다. 스타인 (Stein)과 그의 동료들은 100 마이크론 정도의 균일한 크기를 가지는 구형 폴리스티렌를 이용하여 메조다공성 분자체를 합성하는 기술을 발표하였고 (미합중국 특허 제 6680013, B1호), 제이콥슨 (Jacobson)은 탄소를 주형으로 하여 10 - 100 nm의 넓은 기공 분포를 보이는 메조다공성 제올라이트를 합성하였다 (미합중국 특허 제 6620402, B2호). 이와 같이 고체를 주형으로 사용하여 제조된 물질들은 메조기공을 통한 용이한 분자 확산 때문에 향상된 촉매 활성을 나타낸다고 보고되었다 (Christensen, C. H. 외, J. Am . Chem . Soc . 2003, 125, 13370). 최근에는 유기실란을 제올라이트의 합성 조성에 첨가함으로써 메조기공을 제올라이트 결정 내에 생성시키는 전략이 발표되었다 (국내 특허, 10-0727288). 또한 코르마 (Corma)와 연구원들은 층상구조를 갖는 FER 및 MWW 구조를 하나하나의 제올라이트 박막으로 쪼개는 (delamination) 합성법을 발표한 바 있다 (A. Corma 외, Nature 1998, 396, 353). (A. Corma 외, 스페인 특허 제 9502188호 (1996) PCT-WO Patent 97/17290 (1997)).

앞서 언급했듯이 단일 판상의 두께가 단일 단위 격자 10개 이하로 이루어질 만큼 얇고, 비표면적이 비약적으로 증가된 제올라이트를 합성함으로써 제올라이트 내부로의 분자 확산을 극대화시킬 수 있다. 이론적으로 분자 확산은 제올라이트 골격 두께를 단일 단위 결정 격자 (single unit cell) 두께까지 줄임으로써 극대화할 수 있다. 그러나 이러한 단일 단위 결정 격자 두께의 제올라이트 물질을 실제로 합성하는 것은 열역학적으로 매우 어려운 과제이다. 제올라이트 결정화 과정은 결정 표면의 에너지를 최소화 시키기 위한 과정으로써 결정을 일정 크기 이상으로 성장시키려는 경향이 있는데 (Ostwald ripening), 결정이 작아질수록 이러한 현상은 더욱 더 심해진다. 이러한 현상 때문에 지금까지 보고된 합성법들로 5-100 nm 정도의 골격 두께를 갖는 제올라이트는 합성할 수 있었으나, 그 보다 작은 두께의 골격으로 이루어진 단일 단위 결정 격자 두께 및 단일 단위 결정 격자가 10개 이하로 이루어질 만큼 극미세의 골격 두께로 이루어진 제올라이트를 합성하는 데에는 성공하지 못하였다. 이에 본 발명자들은 단일 단위 결정 격자 두께 및 단일 단위 결정 격자가 10개 이하로 이루어진 극미세의 두께의 판상구조를 갖는 제올라이트 물질 또는 유사 분자체들을 제조하기 위해 예의 연구 노력해 왔다. 이러한 연구 결과, 제올라이트 합성 용액에 제올라이트 골격을 유도하는 두 개 또는 그 이상의 암모늄 관능기 (functional group)를 포함하고 있는 유기 계면활성제를 첨가하면 단일 단위 결정 격자 두께의 극미세 골격 구조를 갖는 제올라이트를 합성할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다. 이로써, 본 발명은 제올라이트 골격의 두께가 단일 단위 결정 격자 두께에 해당하는 제올라이트 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 또한 본 발명은 이렇게 생성된 물질의 촉매 응용을 포함하고 있다. 이 외에도 본 발명은 유기 계면활성제의 암모늄이나 아민 작용기의 개수를 조절하여 판상 구조물의 골격 두께가 단일 단위 결정 격자가 여러 개 쌓인 물질에 해당하는 두께로 제조된 제올라이트 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 유기 계면활성제의 구조를 적절히 조절하면 MFI 구조가 아닌, MTW 구조의 제올라이트가 합성이 가능하며, 유사 제올라이트 물질 (zeotype material)인 알루미노포스페이트 (AlPO) 까지도 합성이 가능하다. 본 발명에서 개발한 합성방법을 통하면, MFI, MTW, AlPO외에도 다른 구조의 제올라이트 또는 유사 제올라이트 물질들을 합성할 수 있다.

본 발명자들은 여러 개의 암모늄 관능기를 동시에 포함하고 있는 유기 계면활성제를 제올라이트의 합성 겔에 첨가한 후에 산성 또는 염기 조건에서 결정화 시켰으며, 마지막으로 유기물을 선택적으로 제거함으로써 단일 단위 결정 격자 두께 또는 단일 단위 결정 격자가 10개 이하로 쌓인 단일 또는 다중 판상구조로 이루어진 다양한 제올라이트 물질과 그것의 유사 물질들을 합성하였다. 여기서, 유사 물질이라 함은 본 발명에서 개발한 신규 제올라이트 물질을 필러링 (pillaring), 박피처리 (delamination), 탈알루미늄 (dealumination), 알칼리처리, 양이온 교환 공정 등의 통상적인 후 처리를 이용하여 만든 물질을 말하는 것으로, 전술한 유사 제올라이트 물질 (zeotype material) 과는 구별된다. 이하, 신규 제올라이트 물질과 유사 물질들의 제조 방법을 단계별로 나누어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

제 1 단계: 유기-관능화 실리카 전단체를 실리카나 알루미나와 같은 다른 겔 전단체와 같이 중합하여 유기-무기 복합 겔을 형성한다. 이 때 소수성 유기물 영역 (domain)이 유기물질 간의 비공유결합, 즉, 반데르발스 힘, 쌍극자-쌍극자 상호작용, 이온 상호작용 등에 의해 무기물 영역 사이에서 자가조립 되어 형성된다. 이 때 유기물의 구조나 농도에 따라 각각의 겔 영역들은 완전 또는 국부적으로 규칙적인 배열을 하게 된다.

제 2 단계: 이후 유기물 영역에 의해 안정화된 나노 크기의 무기 겔 영역은 결정화 과정을 통해서 유기 계면활성제의 구조나 그것에 포함되어 있는 암모늄 관능기의 개수에 따라 단일 단위 결정 격자 두께 또는 단일 단위 결정 격자가 10개 이하로 쌓인 단일 또는 다중 판상구조의 제올라이트로 변환된다. 이 때 각 제올라이트를 둘러싸고 있는 유기물의 안정화 효과 때문에 제올라이트의 성장이 억제되며, 결정크기가 10 nm 이하의 극미세 두께로 조절되게 된다. 이 때 결정화 과정은 수열합성 (hydrothermal synthesis), 건식-겔 합성 (dry-gel), 마이크로파 합성 (microwave synthesis) 등 통상적인 방법을 통해서 모두 가능하다.

제 3 단계: 결정화가 끝난 제올라이트는 여과법이나 원심분리 등 통상적인 방법을 통해 수득할 수 있다. 이렇게 얻어진 물질은 소성 또는 다른 화학적 반응을 통해 유기물만을 선택적으로 완전 또는 부분적으로 제거할 수 있다.

본 발명에서 사용된 두 개의 암모늄 관능기 또는 한 개의 암모늄 관능기와 한 개의 아민관능기를 동시에 포함하고 있는 순수 유기 계면활성제는 하기의 화학식 [1] 또는 [2]로 표현할 수 있다.

*[화학식 1]

[화학식 2]

여기서 X는 할로겐 (Cl, Br, I 등) 또는 하이드록사이드 (OH) 기이고, C1, C2, C3 는 각각 독립적으로 치환되거나 치환되지 않은 알킬 (alkyl) 그룹이다. 또한 C3는 알케닐 (alkenyl) 그룹 또는 주기율표 상의 탄소 이외의 다른 원자가 치환된 다양한 분자 구조가 가능하다. 암모늄 관능기는 두 개 또는 그 이상으로도 확장이 가능하고 개념적으로 보다 다양한 구조의 물질로 확장 이용될 수 있다. C1은 탄소 원자 8 ~ 22 개, C2 는 탄소원자 3 ~ 6 개, C3는 탄소원자 1 ~ 8 개로 이루어져 있다. 본 발명에서, 유기 계면활성제는 C1, C2, C3의 길이에 따라 C1-C2-C3의 순서로 일반화하여 표시한다 (예, 22-6-6: C1이 탄소 원자 22개, C2가 탄소원자 6개, C3가 탄소원자 6개이고 암모늄 관능기 두 개로 이루어짐; 22-6-0: C1이 탄소 원자 22개, C2가 탄소원자 6개이고 한 개의 암모늄 관능기와 한 개의 아민 관능기로 이루어짐). X가 할로겐이 아닌 하이드록사이드일 경우 별도로 일반화 표시 옆에 (OH-)를 표시한다. 특히, 이 유기계면활성제의 구조나, 암모늄 또는 아민 관능기의 개수를 조절함으로써 한 개의 단일 판상구조가 포함하는 단일 단위 결정 격자의 개수가 조절될 수 있다는 것은 본 발명에서 처음으로 밝혀낸 내용이다.

본 발명의 단일 단위 결정 격자 두께 또는 단일 단위 결정 격자가 10개 이하로 쌓인 단일 또는 다중 판상구조 제올라이트를 합성하는데 있어서 가장 중요한 요소는 유기-무기 복합 겔 형성 시에 자가조립 (self-assembly)이 가능하고 두 개 이상의 암모늄 관능기를 동시에 포함한 유기 계면활성제를 사용한다는 것이다. 이를 제올라이트 합성 겔에 넣으면 두 개의 암모늄 관능기가 제올라이트 골격 형성을 유도하고, 소수성 알킬 꼬리 부분은 더 이상의 제올라이트 성장을 억제시키게 된다. 또한 이들 소수성 알킬 꼬리는 생성된 판상구조의 제올라이트 골격을 자가 조립시켜 제올라이트 사이의 메조 기공 (2< 직경 <50 nm)을 형성 시키는 데 기여한다.

본 발명에서 합성된 물질은 제올라이트의 마이크로 기공 구조에 해당하는 특징적인 X-선 회절 및 전자회절 양식을 나타냈다. 또한 본 발명자들은 질소흡착법을 이용하여 본 발명의 물질이 제올라이트 본연의 마이크로 기공과 더불어 큰 부피의 메조기공을 포함하고 있음을 확인하였으며, 투과 전자 현미경 (TEM)을 이용해 결정성 마이크로 기공으로 이루어져 있는 골격이 단일 단위 결정 격자 두께 또는 단일 단위 결정 격자가 10개 이하로 이루어진 단일 판상 구조의 결정성 골격들이 독립적으로 나열되어 있거나, 규칙적으로 정렬되어 다중 판상 구조를 이루고 있다는 것을 확인하였다. 이로 인하여 본 물질은 마이크로기공이 규칙적으로 배열되어 있고, 메조기공은 불규칙 또는 규칙적으로 배열되어 있음을 확인할 수 있었다. 본 발명에서 합성된 제올라이트들은 극미세 골격 구조로 인하여 매우 넓은 비표면적 (500 ~ 800 m²/g)을 가졌다. 이러한 비표면적은 300 ~ 450 m²/g의 비표면적을 갖는 기존의 MFI 제올라이트 물질에 비해 비약적으로 증진된 수치이다. 주사 전자 현미경 (SEM)을 이용해 관찰한 결과 완벽한 결정상으로 이루어져 있고 비결정상이 따로 분리되어 생성되어 있지 않음을 확인하였다. 이러한 제올라이트 물질은 ²⁷Al MAS NMR에서 제올라이트의 골격에 포함된 Al에 의해 50~60 ppm영역에서 피크가 관찰되었고, 골격 외부에 존재하는 Al에 해당하는 0~10 ppm영역에서는 피크가 관찰되지 않았다. 이러한 X선 회절과 NMR 결과는, 본 발명의 신규 물질이 Al 주위에 균일한 화학적 환경을 갖는 완벽한 결정성 구조를 지니고 있음을 의미한다.

본 발명은 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 제올라이트 및 유사 분자체의 제조방법을 제시하였다. 본 발명에서 증명한 것처럼, 본 물질은 단일 단위 결정 격자 두께로 이루어진 다중 또는 단일 판상구조의 MFI 제올라이트 물질과 10.0 nm 이하의 극미세 골격 두께로 이루어진 다중 또는 단일 판상구조의 MTW 제올라이트 물질 및 알루미노포스페이트 (AlPO) 물질이다. 이러한 제올라이트 물질 및 유사 제올라이트 물질 (zeotype material)은 기존의 제올라이트 물질에 비해 비약적으로 증가된 비표면적을 갖고, 이로 인해 상당히 증가된 분자확산 속도와 월등히 증진된 촉매 활성을 나타내었다. 또한 이 물질은 거대 유기 분자의 흡착, 분리 및 촉매 반응, 석유의 개질 반응 시 매우 높은 활성을 나타내었다. 기존의 제올라이트 물질과 다른 골격 두께로 인하여 산업적으로나 과학적으로 다양한 분야에서 응용되어 새로운 물성을 보일 것으로 기대하고 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 전 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 전 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 넓은 면의 소성 전 투과전자현미경 (TEM) 이미지 (a)와 전자회절패턴 (b)이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 전 저각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 전 고각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 ²⁷Al MAS NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 질소흡착 등온선이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따라 만들어진 실리카 기둥 (pillar)으로 지지된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예 4에 따라 만들어진 잘게 박피된 (delamination) 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예 5에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 전 저각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 12는 본 발명의 실시예 5에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 고각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 13은 본 발명의 실시예 6에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 실리케이트의 소성 후 고각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 14는 본 발명의 실시예 7에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 티타노실리케이트의 소성 후 고각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 15는 본 발명의 실시예 8에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다.
도 16은 본 발명의 실시예 8에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 17은 본 발명의 실시예 8에 따라 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 소성 후 질소흡착등온선을 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 실시예 9에 따라 만들어진 5.0 nm 이하 두께의 골격으로 이루어진 다중 판상구조 MTW 알루미노실리케이트의 소성 후 주사전자현미경 (SEM) 이미지이다.
도 19는 본 발명의 실시예 9에 따라 만들어진 5.0 nm 이하 두께의 골격으로 이루어진 다중 판상구조 MTW 알루미노실리케이트의 소성 후 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 20은 본 발명의 실시예 9에 따라 만들어진 5.0 nm 이하 두께의 골격으로 이루어진 다중 판상구조 MTW 알루미노실리케이트의 소성 후 고각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 21은 본 발명의 실시예 10에 따라 만들어진 5.0 nm 이하 두께의 골격으로 이루어진 다중 판상구조 알루미노포스페이트의 소성 전 저각과 고각 X-선 회절 (XRD) 결과이다.
도 22는 본 발명의 실시예 10에 따라 만들어진 5.0 nm 이하 두께의 골격으로 이루어진 다중 판상구조 알루미노포스페이트의 소성 전 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

실시예 1 : 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 합성

22-6-6 유기 계면활성제 (화학식 [1] 의 C1이 탄소 원자 22개, C2가 탄소원자 6개, C3가 탄소원자 6개이고 암모늄 관능기 두 개로 이루어진 유기 계면활성제) 를 테트라에틸오르소실리케이트 (tetraethylorthosilicate, TEOS), NaOH, Al₂(SO₄)₃, H₂SO₄및 증류수와 혼합하여 혼합 겔을 제조하였다. 합성 겔의 몰 조성은 다음과 같았다.

1 Al₂O₃: 30 Na₂O: 100 SiO₂: 4000 H₂O: 18 H₂SO₄: 10 22-6-6 유기 계면활성제

상기 혼합 겔을 실온에서 3시간 동안 교반 후, 최종 혼합물을 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 150 ℃에 5일간 두었다. 오토클레이브를 상온으로 냉각시킨 후, 생성물을 여과하고 증류수로 여러 번 세척하였다. 수득한 생성물을 110 ℃에서 건조 시켰다.

이렇게 합성된 제올라이트의 주사전자현미경 (SEM) 사진들은 제올라이트가 나노 단위 (20 ~ 50 nm) 두께의 판상구조 모양의 결정으로 성장하였음을 보여주었다 (도 1). 도 2는 이러한 판상구조 결정의 단면의 투과전자현미경 (TEM) 사진으로, 각각의 판상형 결정들이 2.0 nm 두께의 제올라이트 박막과 2.6 nm의 계면활성제 층이 번갈아 가며 쌓여 다중 판상구조를 이루고 있음을 보여주었다. 또한, 도 2는 제올라이트 박막과 계면활성제 층이 MFI 결정 구조의 b-축에 수직이 되게 쌓여 있음을 보여주었다. 도 3은 판상구조 결정에서의 넓은 면의 TEM 사진 및 전자회절패턴인데, 제올라이트 박막의 넓은 면이 제올라이트 결정면에서의 a-c 면, 즉, (010)면에 해당함을 알 수 있었다. 이러한 전자현미경 분석에 의거하여, 본 물질은 a-c 결정면은 넓고 b-축으로의 두께는 MFI 단일 단위 결정 격자 크기 (2.0 nm)에 해당하는 제올라이트 박막이 규칙적으로 정렬된 다중 판상구조로 이루어져 있음을 확인할 수 있었다.

이 물질의 저각 X-선 회절 패턴 (도 4)은 제올라이트 박막과 계면활성제 층이 다중 판상구조를 이루면서 규칙적으로 배열되어 있음을 보여주었다. 고각 XRD유형 (도 5)은 높은 결정성을 가진 MFI 분자체의 구조와 일치하였다. 다만 이 제올라이트 물질은 b-결정축으로 단일 단위 결정 격자 길이를 갖기 때문에 h0l 회절에 해당하는 회절 패턴만이 선명하게 나타났다. 이 MFI 제올라이트의 ²⁷Al MAS NMR 스펙트럼 (도 6)은 57-65 ppm 영역의 화학적 이동에 해당하는 피크를 보여주는데, 이는 결정성 제올라이트 구조에서 보여지는 사면체 배위 Al의 화학적 이동과 일치하였다. 제올라이트의 골격 외부에 존재하는 Al (팔면체 배위)에 해당하는 0-10 ppm 영역의 NMR 피크들은 관찰 되지 않았다.

실시예 2: 유기계면활성제가 소성된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 합성

실시예 1에서 합성된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트를 550 ℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 유기 계면활성제 층을 제거하였다. 도 7의 TEM 사진에서 알 수 있듯이 계면활성제 층으로 분리되어 있던 제올라이트 박막들이 계면활성제가 제거되자 불규칙적인 구조로 중합 (condensation)이 되었음을 보여주었다. 하지만 불완전한 제올라이트 박막 간의 중합에도 불구하고 여전히 제올라이트 골격은 b-결정 축으로 2 ~ 5 nm 극미세 두께를 가지며, 제올라이트 층과 층 사이에 불규칙적인 메조기공을 포함하는 것을 보여주었다. 질소흡착등온선 (도 8)을 통해 소성 처리한 생성물의 기공 구조를 분석한 결과, 직경이 2-5 nm이고 기공부피가 0.7 mL/g인 메조기공을 포함하고 있음을 확인할 수 있었다. 이 제올라이트 물질은 520 m²/g의 BET 표면적을 나타내었고, ICP를 사용하여 생성물의 Si/Al 비율이 43임을 확인하였다.

실시예 3 : 층과 층 사이에 실리카 기둥 ( pillar )으로 지지된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 합성

실시예 1 에서 제조된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트 1 g에 TEOS 4 g을 가하고, 밀폐된 플라스틱 병에 담아 상온에서 24시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후, 얻어진 물질을 별도의 세척 없이 여과하고, 상온에서 24시간 동안 건조시킨 후, 증류수 20 g을 가하여 100 ℃에서 12시간 동안 가열 후, 여과를 통해 수득하고 증류수로 세척하였다. 110 ℃에서 건조한 후 550 ℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 유기 계면활성제들을 제거하였다. 이렇게 얻어진 소성 후 물질들은 제올라이트 층과 층 사이에 비정질 실리카 기둥이 존재하였다. 따라서 이 물질은 실시예 2에서 특별한 처리 없이 소성시켜 얻은 물질에 비해 제올라이트의 층과 층 사이가 보다 규칙적으로 배열되어 있고, 초기의 다중 판상구조 형태가 완벽히 유지되어 있었다 (도 9). 제올라이트 층은 소성 전과 마찬가지로 2 nm 두께로 유지되어 있었고, 제올라이트 층과 층 사이에는 2 ~ 3nm 의 메조기공이 존재하였다. 이 제올라이트 물질은 600 m²/g의 BET 표면적을 나타내었고, ICP를 사용하여 생성물의 Si/Al 비율이 40임을 확인하였다.

실시예 4 : 잘게 박피된 ( delaminated ) 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 합성

실시예 1 에서 제조된 5 g 의 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트를 120 g의 H₂O, 30g 의 헥사데실트리메틸암모늄 브로마이드 (hexadecyltrimethylammonium bromide), 13 g의 테트라프로필암모늄 하이드록사이드(tetrapropylammonium hydroxide)의 혼합 용액에 분산시킨다. 이 용액을 80 ℃에서 16시간 동안 반응한 후, 여과를 통해 수득하고 증류수로 세척하였다. 110 ℃에서 건조한 후 550 ℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 모든 유기물을 제거하였다.

도 10의 TEM 사진에서 볼 수 있듯이, 이렇게 제조된 물질은 애초 여러 개의 규칙적인 다중 판상구조로 쌓여 있던 제올라이트 물질이 잘게 부숴져 따로따로 존재하는 박피된 (delaminated) 단일 판상구조의 제올라이트 층으로 존재함을 확인할 수 있었다. 이 제올라이트 물질은 600 m²/g의 BET 표면적을 나타내었고, ICP를 사용하여 생성물의 Si/Al 비율이 45임을 확인하였다.

실시예 5 : 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 합성

실시예 1에서 사용한 22-6-6 유기 계면활성제 대신에 암모늄 작용기 한 개와 아민 작용기 한 개로 이루어진 22-6-0 유기 계면활성제를 이용해도 실시예 1에서 얻어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 합성이 가능함을 확인하였다. 22-6-0 유기 계면활성제 (화학식 [2] 의 C1이 탄소 원자 22개, C2가 탄소원자 6개이고 한 개의 암모늄 관능기와 한 개의 아민 관능기로 이루어진 유기 계면활성제)를 TEOS, Al₂(SO₄)₃, H₂SO₄ 및 증류수와 혼합하여 혼합 겔을 제조하였다. 합성 겔의 몰 조성은 다음과 같았다.

1 Al₂O₃: 30 Na₂O: 100 SiO₂: 4000 H₂O: 18 H₂SO₄: 10 22-6-0 유기 계면활성제

이 물질의 저각 X-선 회절 패턴 (도 11)은 실시예 1에서 얻어진 물질과 같이 제올라이트 박막과 계면활성제 층이 다중 판상구조를 이루면서 규칙적으로 배열되어 있음을 보여주었다. 고각 XRD유형 (도 12)도 실시예 1에서 얻어진 물질과 같은 높은 결정성을 가진 MFI 분자체의 구조와 일치하였다.

실시예 6 : 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 실리케이트( silicate)의 합성

실시예 1에서 만들어진 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 알루미노실리케이트는 합성 조성에서 알루미늄을 제외할 경우, 순수하게 실리카로만 구성된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 실리케이트 (silicate)를 합성할 수 있었다. 22-6-6 유기 계면활성제를 TEOS, H₂SO₄ 및 증류수와 혼합하여 혼합 겔을 제조하였다. 합성 겔의 몰 조성은 다음과 같았다.

30 Na₂O: 100 SiO₂: 4000 H₂O: 18 H₂SO₄: 10 22-6-6 유기 계면활성제

상기 혼합 겔을 실온에서 3시간 동안 교반 후, 최종 혼합물을 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 150 ℃에 5일간 두었다. 오토클레이브를 상온으로 냉각시킨 후, 생성물을 여과하고 증류수로 여러 번 세척하였다. 수득한 생성물을 110 ℃에서 건조 시킨 다음, 유기물을 550 ℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 제거하였다.

이 물질의 고각 XRD유형 (도 13)은 실시예 1에서 얻어진 물질과 같은 높은 결정성을 가진 MFI 분자체의 구조와 일치하였다. 이 제올라이트 물질은 530 m²/g의 BET 표면적을 나타내었고, ICP를 사용하여 생성물이 순수 실리케이트로만 이루어져 있음을 확인하였다.

실시예 7 : 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 판상구조 MFI 티타노실리케이트 (titanosilicate)의 합성

MFI 티타노실리케이트 합성을 위한 합성 젤은 22-6-6 (OH-), TEOS, 티타늄 (IV) 부톡사이드, 증류수를 혼합하여 제조하였다. 합성 혼합물의 몰 조성은 다음과 같았다.

0.2 TiO₂: 100 SiO₂: 4000 H₂O: 15 22-6-6 (OH-) 유기 계면활성제

상기에서 얻어진 투명한 졸을 스테인리스 오토클레이브에 담고, 봉하여 170 ℃에서 2일 동안 가열하였다. 실시예 1에서 기술한 바와 같이, 분자체를 여과한 후 소성 처리 하였다. 생성물의 고각 XRD 유형 (도 14)은 높은 결정성을 가진 MFI 분자체의 구조와 일치하였다. 이 제올라이트 물질은 535 m²/g의 BET 표면적을 나타내었다. ICP를 사용하여 생성물의 Si/Ti 비율이 42임을 확인하였다.

실시예 8 : 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이 트의 합성

22-6-6 (OH-) 유기 계면활성제를 건식 실리카 (fumed silica), Al₂(SO₄)₃ 및 증류수와 혼합하여 혼합 겔을 제조하였다. 합성 겔의 몰 조성은 다음과 같았다.

1 Al₂O₃: 100 SiO₂: 6000 H₂O: 3 H₂SO₄: 15 22-6-6 (OH-) 유기 계면활성제

SEM 사진 (도 15)은 제올라이트가 결정이 단일 판상구조 형태로 성장하였음을 보여준다. TEM 사진 (도 16)은 각각의 단일 판상구조 결정들이 단일 단위 결정 격자 두께의 MFI 제올라이트 골격으로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 실시예 1에서 얻어진 물질과 마찬가지로 b-결정축으로는 단일 단위 격자 크기 (2.0 nm)를 가지는 동시에 a 축 및 c-축으로도 결정 성장이 20 nm 이하로 억제되어 있음을 보여주었다. 질소흡착등온선 (도 17)을 통해 이 물질의 기공 구조를 분석한 결과, 직경이 2-10 nm이고 기공부피가 0.9 mL/g인 메조기공을 포함하고 있음을 확인할 수 있었다. 이 제올라이트 물질은 700 m²/g의 BET 표면적을 나타내었다. ICP를 사용하여 생성물의 Si/Al 비율이 46임을 확인하였다.

실시예 9 : 10 nm 이하의 극미세 두께의 골격으로 이루어진 단일 또는 다중 판상구조 MTW 알루미노실리케이트의 합성

실시예 1 ~ 8에서 사용된 유기 계면활성제의 구조를 조절하면 MFI가 아닌 다른 구조의 제올라이트 또는 유사 분자체 물질들을 합성할 수 있었다. 즉, 하기의 화학식 [3] 의 22-6-CH₂-(p-페닐렌)-CH₂-6-22 유기 계면활성제를 이용하여, 아래의 합성 겔 몰 조성에서 MTW구조를 갖고 10 nm 이하의 극미세 두께의 골격으로 이루어진 단일 또는 다중 판상구조의 알루미노실리케이트를 합성할 수 있었다. 여기서 X는 할로겐 (Cl, Br, I 등)또는 하이드록사이드 (OH) 기이고, C1, C2 는 각각 독립적으로 치환되거나 치환되지 않은 알킬 (alkyl) 그룹이다. 합성을 위해서, 22-6-CH₂-(p-페닐렌)-CH₂-6-22 유기 계면활성제를 TEOS, NaOH, Al₂(SO₄)₃, H₂SO₄ 및 증류수와 혼합하여 혼합 겔을 제조하였다. 합성 겔의 몰 조성은 아래와 같았다.

[화학식 3]

1 Al₂O₃: 23 Na₂O: 100 SiO₂: 6000 H₂O: 3 H₂SO₄: 5 22-6-CH₂-(p-페닐렌)-CH₂-6-22 유기 계면활성제

상기 혼합 겔을 실온에서 3시간 동안 교반 후, 최종 혼합물을 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 140 ℃에 10일간 두었다. 오토클레이브를 상온으로 냉각시킨 후, 생성물을 여과하고 증류수로 여러 번 세척하였다. 수득한 생성물을 110 ℃에서 건조 시켰다.

이렇게 합성된 제올라이트의 주사전자현미경 (SEM) 사진들은 제올라이트가 나노 단위 (20 ~ 50 nm) 두께의 판상구조 모양의 결정으로 성장하였음을 보여주었다 (도 18). 도 19는 이러한 판상구조 결정의 단면의 투과전자현미경 (TEM) 사진을 보여주는데, 각각의 판상형 결정들이 10.0 nm 이하의 극미세 두께로 이루어진 제올라이트 박막과 2.0 nm의 계면활성제 층이 번갈아 가며 규칙적으로 쌓여 다중 판상구조 (도 19a)를 이루거나, 단일 판상구조 (도 19b)로 이루어져 있음을 보여주었다. 고각 XRD유형 (도 20)은 높은 결정성을 가진 MTW 분자체의 구조와 일치하였다.

실시예 10 : 10 nm 이하의 극미세 두께의 골격으로 이루어진 단일 또는 다중 판상구조 알루미노포스페이트의 합성

22-6-6 (OH-) 유기 계면활성제를 알루미늄 아이소프로폭사이드 (aluminum isopropoxide) 및 증류수와 먼저 혼합한 후, 인산을 첨가하여 혼합 겔을 제조하였다. 합성 겔의 몰 조성은 다음과 같다.

1 Al₂O₃: 1 P₂O₅: 250 H₂O: 0.5 22-6-6 (OH-) 유기 계면활성제

상기 혼합 겔을 실온에서 3시간 동안 교반 후, 최종 혼합물을 스테인리스 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 150 ℃에 4일간 두었다. 오토클레이브를 상온으로 냉각시킨 후, 생성물을 여과하고 증류수로 여러 번 세척하였다. 수득한 생성물을 110 ℃에서 건조 시킨 다음, 유기물을 550 ℃에서 4시간 동안 소성 과정을 통해 제거하였다.

이 물질의 소성 전 저각 X-선 회절 패턴 (도 21, 좌)은 결정성 박막과 계면활성제 층이 다중 판상구조를 이루면서 규칙적으로 배열되어 있음을 보여주고, 고각 X-선 회절 패턴 (도 21, 우)은 이 물질이 결정성 알루미노포스페이트 골격으로 이루어져 있음을 보여주었다. TEM 사진 (도 22)은 2.0 nm 이하의 극미세 두께의 알루미노포스페이트 골격과 계면활성제 층이 번갈아 가며 배열된 구조로 이루어져 있음을 보여주었다. 원소분석을 통해 생성물의 Al/P 비율이 1임을 확인하였다.

실시예 11 : 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 탈 알루미늄화 (dealumination) 반응

실시예 2 ~ 4, 8에서 제조된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트 1 g에 각각 2 M 옥살산 (oxalic acid) 40 mL 용액에 가하고, 65 ℃에서 1시간 동안 환류 조건에서 교반하였다. 반응 종료 후, 각각의 제올라이트를 여과하고 증류수로 세척하여 110 ℃에서 건조 시킨 후, 최종적으로 550 ℃ 소성 처리를 하였다. ICP를 사용하여 생성물의 Si/Al 비는 탈 알루미늄화 반응 후 실시예 2의 경우 43에서 64로, 실시예 3의 경우 40에서 60으로, 실시예 4의 경우 45에서 66으로, 실시예 8의 경우 46에서 69로 증가하였음을 확인하였다. 한편, 반응 후에도 MFI 구조의 XRD유형은 여전히 유지되었다.

실시예 12 : 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 알칼리 처리 공정

실시예 2 ~ 4, 8에서 제조된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트 1 g을 각각 0.1 M NaOH 100 mL 용액에 가하고, 분산액을 6시간 동안 교반 시킨 후, 제올라이트를 여과하고 증류수로 세척하여 110 ℃에서 건조 시켰다. 알칼리 처리된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 메조기공의 직경이 전부 2 ~ 3 nm에서 4-5 nm로 증가하였다.

실시예 13 : 질산암모늄 용액을 이용한 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 양이온 교환

실시예 2 ~ 4, 8에서 제조된 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트 1 g을 각각 1 M 질산암모늄 수용액 40 mL에 가하고, 50 ℃에서 5시간 동안 환류 조건에서 교반하였다. 반응 종료 후, 제올라이트를 여과하고 증류수로 세척하여 110 ℃에서 건조 시키고, 최종적으로 550 ℃ 소성 처리를 하였다. ICP 분석결과 실질적으로 제올라이트 마이크로 기공 내의 모든 Na⁺이온들은 이 공정을 통해 H⁺이온으로 이온 교환 되었음을 확인할 수 있었다.

실시예 14 : 다음 실시예에 포함된 다섯 종류의 촉매 반응은, 본 발명이 단일 단위 결정 격자 두께의 판상구조 다중 또는 단일 MFI 분자체와 그것의 제조법에만 국한되어 있지 않고, 이들 물질을 이용한 다양한 촉매 공정에 적용될 수 있음을 보여주기 위해 실시되었다.

A. 기상 메탄올의 개질 촉매로서 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트의 응용

실시예 8에서 제조된 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 알루미노실리케이트를 실시예 13을 통하여 H⁺-이온으로 교환하고, 분말을 결합제 없이 압축하고, 펠릿 (pellet)을 갈아 14-20 메쉬 (mesh) 크기의 분자체 입자들을 얻었다. 또한 제올라이트 촉매 성능 비교를 위해, 통상의 MFI 제올라이트 (ZSM-5)를 제조하였다. 메탄올 개질 반응은 자체 제작한 유동화 스테인리스 반응기 (내부 직경=10 mm, 외부 직경=11 mm, 길이 =45 cm)를 이용하여 수행하였으며, 반응 결과물은 스테인리스 강 반응기에 연결된 온-라인 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 반응과정은, 먼저 반응열 발산을 돕기 위해 100 mg의 촉매를 500 mg의 20 메쉬 크기의 모래와 혼합하여, 스테인리스 반응기의 촉매장치 (1/2”필터GSKT-5u)에 안착 시켰다. 촉매를 8시간 동안 550 ℃에서 질소 흐름 하에 활성화 하고 반응기를 반응 온도인 325 ℃로 낮춘 후에, 메탄올을 주사 펌프를 통해 0.02 mL/m의 유속으로 투입하였다. 이 때 질소 기체의 유속은 20 mL/m로 유지하였고, 생성물은 주기적으로 온-라인 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 생성물의 분포 결과를 표 1에 나타내었다. 본 발명의 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트 물질은 통용화된 MFI 촉매와 현저히 다른 생성물 분포도를 보였다.

생성물 분포	단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트 (%)	일반 MFI 제올라이트 (%)
C₂H₄	11.4	42.5
C₃H₆	51.2	0
C₄H₈	8.6	12.6
다른 지방성 화합물	3.3	13.1
벤젠	1.3	2.6
톨루엔	1.0	1.4
자일렌	2.9	8.9
트리메틸벤젠	5.2	9.2
C₁₀ ₊	14.6	9
기타	0.5	0.7
총합	100	100
올레핀에 대한 선택도 (%)	71.2	55.1
가솔린에 대한 선택도 (%)	25	31.1

B. 벤젠의 이소프로필화 (isopropylation) 반응

실시예 14A에서 사용한 동일 물질을 유량 반응기에 안착 시킨 다음 550 ℃에서 활성화하였다. 반응기를 반응 온도인 210 ℃로 낮춘 후에, 벤젠, 이소프로필 알코올 (몰비 6.5:1) 혼합물을 주사 펌프를 통해 0.005 mL/m의 유속으로 투입하였다. 이 때 질소의 유속은 20 mL/m로 유지하였고, 시료들은 주기적으로 온-라인 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 생성물의 분포 결과를 표 2 에 나타내었다.

생성물 분포	단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트 (%)	일반 MFI 제올라이트 (%)
C₂H₄	1.06	1.94
C₃H₆	1.63	1.66
C₄H₈	1.57	1.28
벤젠	86.53	85.6
톨루엔	0	0
에틸벤젠	0	0
큐멘	5.61	7.15
이소부틸벤젠	1.57	1.25
디이소프로필벤젠	0.86	0.37
기타	1.17	0.75
총합	100	100
큐멘에 대한 선택도 (%)	69.78	81.53
디이소프로필벤젠에 대한 선택도 (%)	10.70	4.22
방향족 화합물에 대한 선택도 (%)	8.04	8.77
벤젠의 전환율 (%)	8.50	9.29

C. 벤즈알데하이드 (benzaldehyde)와 2-하이드록실아세토페논 (2-hydroxyaceto-henone)의 액상 축합 반응

실시예 14A에서 사용한 동일 물질을 환류 응축기가 달려 있는 파이렉스 (Pyrex) 반응기에서 촉매 반응을 수행하였다. 0.1 g의 촉매 분말을 180 ℃에서 2시간 활성화하고, 20 mmol 무수 2-하이드록실아세토페논과 20 mmol 벤즈알데히드가 담겨 있는 반응기에 첨가하였다. 반응은 140 ℃ 헬륨 분위기 하에서 교반시키며 진행하였다. 반응생성물은 주기적으로 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 생성물의 분포 결과를 표 3에 나타내었다. 본 발명의 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트 물질은 통용화된 제올라이트에 비해 월등히 증진된 촉매활성을 보여주었다.

촉매	반응시간 (시간)	2-하이드록실아세토페논의 전환율 (%)	생성물 분포 (%)
촉매	반응시간 (시간)	2-하이드록실아세토페논의 전환율 (%)	2-하이드록시찰콘 (2-hydroxychalcone)	플레바논 (flavanone)
단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트	5	18.7	19.6	80.4
단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트	24	50.2	15.9	84.1
일반 MFI 제올라이트	5	4.5	6.7	93.3
일반 MFI 제올라이트	24	35.6	14.6	85.4

D. 폐플라스틱의 개질을 통한 탄화수소의 합성

실시 14A에서 사용한 동일 물질을 사용하였다. 본 실시예에서는 안정화되지 않은 직선형 저밀도 폴리에틸렌 (unstabilized linear low-density polyethylene)의 고체 분말이 표준 반응물로 이용되었다. 10 g의 폴리에틸렌과 0.1 g 촉매의 혼합물을 세미-배치 (semi-batch) 파이렉스 반응기에 넣은 후 물리 교반을 실시하였다. 이때 반응기의 온도는 실온에서 340 ℃까지 6 ℃/m의 속도로 증가시켜 2시간 동안 유지시켰다. 반응 도중 휘발성 생성물은 질소 흐름 (유속 = 35 mL/m)을 이용해 반응기로부터 제거하였으며, 이들 생성물을 반응기의 옆에 부착된 얼음 트랩과 기체주머니를 이용하여 각각 액상과 기상으로 수집하였다. 반응이 끝난 후 이 액상과 기상의 생성물들은 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 생성물의 분포 결과를 표 4에 나타내었다. 이 반응에서도 본 발명의 단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트 물질은 통용화된 제올라이트에 비해 월등히 증진된 촉매활성을 보여주었다.

촉매	전환율 (%)	반응 선택도 (질량%)
촉매	전환율 (%)	C₁-C₅	C₆-C₁₂	>C₁₃
단일 단위 결정 격자 두께의 단일 판상구조 MFI 제올라이트	81.2	89	11	0
일반 MFI 제올라이트	52.1	95	5	0

[발명의 효과]

상기에서 설명하고 입증한 바와 같이 본 발명은 단일 단위 결정 격자 두께의 다중 또는 단일 판상구조 제올라이트 및 유사 분자체의 제조방법을 제시하였다. 본 발명에서 증명한 것처럼, 본 물질은 단일 단위 결정 격자 두께로 이루어진 다중 또는 단일 판상구조의 MFI 제올라이트 물질과 10.0 nm 이하의 극미세 골격 두께로 이루어진 다중 또는 단일 판상구조의 MTW 제올라이트 물질 및 알루미노포스페이트 (AlPO) 물질이다. 이러한 제올라이트 물질 및 유사 제올라이트 물질 (zeotype material)은 기존의 제올라이트 물질에 비해 비약적으로 증가된 비표면적을 갖고, 이로 인해 상당히 증가된 분자확산 속도와 월등히 증진된 촉매 활성을 나타내었다. 또한 이 물질은 거대 유기 분자의 흡착, 분리 및 촉매 반응, 석유의 개질 반응 시 매우 높은 활성을 나타내었다. 기존의 제올라이트 물질과 다른 골격 두께로 인하여 산업적으로나 과학적으로 다양한 분야에서 응용되어 새로운 물성을 보일 것으로 기대하고 있다.

Claims

A) 두 개 이상의 암모늄 관능기를 포함하거나, 한 개 이상의 암모늄 관능기와 한 개의 아민 관능기를 동시에 포함하는 유기 계면활성제를 실리카 또는 알루미나에서 선택된 다른 겔 전구체와 함께 중합하여 유기-무기 복합 겔을 형성하는 단계;
B) 유기 겔 영역에 의해 안정화된 나노미터 크기의 무기 겔 영역을 결정화 과정을 통해 제올라이트로 변환하는 단계; 및
C) 상기 B 단계에서 얻어진 물질에서 유기 겔 영역을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 결정성 분자체의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 유기 계면활성제가 하기의 화학식 [1] ~ [3] 중 선택되는 결정성 분자체의 제조방법:
[화학식 1]

,
[화학식 2]

,
[화학식 3]

(여기서, X는 할로겐 (Cl, Br, I) 또는 하이드록사이드 (OH) 기이고;
C1 은 C₈ _- ₂₂ 의 치환 또는 비치환 알킬기이고;
C2 는 C₃ _- ₆ 의 치환 또는 비치환 알킬기이고;
C3 는 C₁ _- ₈ 의 치환 또는 비치환 알킬기 또는 알케닐기이거나, 주기율표 상의 탄소 이외의 다른 원자가 치환된 구조일 수 있으며;
암모늄 관능기는 두 개 또는 그 이상일 수 있으며, 알킬기로 치환될 수 있다.).
제 1 항에 있어서, 상기 A 단계에서 유기-무기 복합 겔에 추가로 다른 구조의 계면활성제, 고분자, 무기 염 또는 첨가제를 첨가하여 기공구조를 조절하는 결정성 분자체의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 결정화 과정이 수열합성법 (hydrothermal synthesis), 마이크로파 가열 (microwave heating) 또는 건식-겔 합성법 (dry-gel synthesis)을 이용하는 결정성 분자체의 제조방법.
두 개 이상의 암모늄 관능기를 포함하거나, 한 개 이상의 암모늄 관능기와 한 개의 아민 관능기를 동시에 포함하는 결정성 분자체 제조용 계면활성제.
하기의 화학식 [1] ~ [3] 중 선택되는 결정성 분자체 제조용 계면활성제:
[화학식 1]

,
[화학식 2]

,
[화학식 3]

(여기서, X는 할로겐 (Cl, Br, I) 또는 하이드록사이드 (OH) 기이고;
C1 은 C₈ _- ₂₂ 의 치환 또는 비치환 알킬기이고;
C2 는 C₃ _- ₆ 의 치환 또는 비치환 알킬기이고;
C3 는 C₁ _- ₈ 의 치환 또는 비치환 알킬기 또는 알케닐기이거나, 주기율표 상의 탄소 이외의 다른 원자가 치환된 구조일 수 있으며;
암모늄 관능기는 두 개 또는 그 이상일 수 있으며, 알킬기로 치환될 수 있다.).