그린에너지 나노촉매 연구실

The CO2 hydrogenation to aromatics reaction is a promising route to mitigate greenhouse gas emissions while producing basic petrochemical feedstocks. Herein, we demonstrate a tandem catalyst system combining iron- and phosphorus- modified ZSM-5 zeolite (Fe-P-ZSM-5) with sodium-promoted zinc ferrite (NaFeZn) to obtain a catalyst for the reaction to directly convert CO2 into aromatics in a single reactor. The NaFeZn catalyst selectively converted CO2 into long-chain olefins as primary products. These olefins were subsequently transformed into aromatics by ZSM-5 zeolites, while paraffins were formed as by-products from the olefin hydrogenation reaction. Compared to ZSM-5, Fe-P-ZSM-5 exhibits enhanced selectivity for aromatics production due to iron and phosphorus modifications that promote aromatization while suppressing hydrogenation. This catalytic enhancement arises from the synergistic interaction between phosphorus and iron. Phosphorus weakens acid strength through its interaction with aluminum, thereby suppressing olefin hydrogenation. Additionally, phosphorus stabilizes iron as an isolated species, which in turn provides distinctive active sites favoring aromatization.

Multiammonium surfactants are known to act as effective capping agents in the synthesis of zeolite nanoparticles. While the attractive interactions between ammonium head groups and zeolite surfaces play a critical role in capping, the influence of the surfactant tail structures remains poorly understood. In this study, a series of diammonium surfactants with different tail lengths (i.e., CnH2n+1-N+(CH3)2-C6H12-N+(CH3)2-CmH2m+1, 4 ≤ n, m ≤ 22) were systematically tested to investigate the effect of hydrophobic character on the morphology of mordenite (MOR) zeolite nanocrystals. Capping efficiency was assessed using X-ray diffraction, nitrogen adsorption-desorption isotherms, and scanning electron microscopy. The results showed that surfactants with a moderate hydrophilic/hydrophobic balance—quantified
by the carbon-to-nitrogen (C/N⁺) ratio—exhibited the highest capping efficiency, resulting in smaller particle sizes and larger external surface areas. Furthermore, asymmetric surfactants (i.e., n ≠ m) demonstrated significantly enhanced capping efficiency, compared to symmetric Gemini surfactants (i.e., n = m). These findings offer valuable insights into the molecular design of surfactants in the controlled synthesis of zeolite nanoparticles.

The growing demand for high-performance computing and compact electronics has driven the transition toward advanced three-dimensional (3D) packaging technologies. Traditional packaging technologies, such as micro-bump interconnections, face limitations in achieving sub-micrometer pitches, prompting the development of alternative bonding strategies. Among them, Cu/SiO2 hybrid bonding (HB) has emerged as a promising method for enabling fine-pitch, high-density interconnects in next-generation semiconductor packaging. In this study, a reliable low-temperature Cu/SiO2 HB process was developed by combining electroless gold deposition (ELD) on Cu pads with selective surface functionalization of the SiO2 dielectric using silane. The ELD process facilitated uniform and selective Au deposition on Cu, acting as a diffusion metal that maintained interfacial stability during bonding. Conclusively, the SiO2 surface was modified with (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), which formed strong covalent networks through silane polymerization, enhancing adhesion at the dielectric interface. This dual-modification strategy facilitated direct Cu–Cu bonding and robust SiO2–SiO2 adhesion, resulting in a defect-free interface without voids or delamination. The bonding was conducted at a low-temperature of 250 °C, thereby minimizing thermal stress typically associated with conventional high-temperature bonding processes. These result clearly demonstrates a practical and scalable method for achieving low-temperature Cu/SiO2 HB, contributing to the advancement of 3D integration in semiconductor packaging.

Fischer-Tropsch (FT) 합성은 CO와 H2를 이용하여 액체 연료 또는 올레핀 등 탄화수소를 생산하는 기술로, 특히 최근 탄소중립 달성을 위해 대체연료에 대한 수요가 늘면서 큰 주목을 받고 있다. 액체 연료를 효과적으로 생산하기 위해 다양한 촉매들이 연구되고 있으며, 그 중 제올라이트는 특유의 기공 구조와 산점을 활용하여 촉매 성능 향상에 기여한다고 알려져 있다. 또한, 제올라이트의 기공 특성에 따라 생성물 분포가 결정되기도 한다. 예를 들어, 크기가 2 nm 이하의 기공을 갖는 미세다공성 제올라이트는 형상 선택성을 제공하여 가솔린 범위의 가지형 탄화수소를 형성할 수 있지만 물질 확산의 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하고자 2 ~ 50 nm 크기의 메조기공을 제올라이트에 도입하는 전략이 등장하였으며, 이를 도입한 메조 및 위계다공성 제올라이트는 물질 전달을 개선해 촉매 성능 및 공정 효율을 더욱 높일 수 있게 되었다. 따라서, 본 총설은 제올라이트 기반 FT 촉매의 연구 동향을 다루며, 제올라이트의 담지체로서의 역할을 분석하였다. 또한, 메조 및 위계다공성 제올라이트의 Si/Al 비율, 합성 방법, 금속 담지량 등이 FT 생성물 선택도에 미치는 영향을 여러 사례들을 통해 자세히 알아보고, 향후 연구 방향에 대해 제언하고자 한다.

제올라이트는 산소 알루미늄과 규소가 산소 가교로 연결되어 결정을 형성하며 결정 내에 규칙성이 매우 높은 기공 구조를 포함한 물질로 다양한 산업 분야에서 산/염기 촉매(중질유 유동층 접촉분해에서 강산 촉매), 흡착제(탈수 공정에서 고 성능 수분 흡착제), 양이온 교환 수지(경수연화제)로 활용되고 있다 각 분야에서 우수한 성능을 보이는 새로운 구조 또는 다양한 성분의 제올라이트를 개발하기 위해 오랫동안 많은 연구가 진행되었으며 새로운 제올라이트의 특성을 분석하는데 질소흡착측정법, X-선 회절법 전자현미경 기법들이 적극 활용되었다. 과거의 소재 개발에서는 특히 거시적인 분석, 법이 주로 사용되었다. 하지만 최근 탄소중립 이슈가 부각되면서 다양한 분야에서 높은 에너지 효율을 보이며 적용할 수 있는 신규 제올라이트 소재 개발이 강구되면서 제올라이트 표면 특성을 미시적으로 정교하게 조절할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 제올라이트 골격 내의 구조나 물리화학적 특성을 분자 또는 원자 수준에서 정확하게 분석할 수 있는 고도화된 분석 방법이 요구되고 있다. 고체 핵자기 공명(Solid-State Nuclear Magnetic Resonance, 이하 고체 NMR) 분광법은 전자현미경처럼 직관적인 결과를 제공하진 않지만 가장 작은 수준인 원자 수준에서도 해상도가 매우 높은 정보를 제공해줄 수 있는 고급 분석법이다. 청정기술 연구자들도 이미 다방면에서 고체 NMR 분광법을 활용하고 있을 것이다. 이번 총설에서는 여러 청정기술에서 활용되고 있는 소재들 중 일례로 제올라이트 소재에 대해 고체 NMR 분광법을 어떻게 활용하는지, 기본 원리가 어떻게 되는지 심도 있게 다뤄보도록 한다. 특히 제올라이트의 구조와 산점을 고해상도로 분석하는 방법을 여러 사례를 통해 자세히 알아보고, 메탄올 올레핀 및 에틸렌 프로필렌 전환 반응 메커니즘을 규명한 연구들도 함께 살펴보고자 한다.

본 연구에서는, 계면활성제 구조유도체를 이용해 합성된 제올라이트에 존재하는 산점의 세기 특성을 분석하였다. 이를 위해, 4급 암모늄 분자가 존재하는 계면활성제를 기공 구조 유도체로 이용하여 미세기공과 메조기공이 동시에 존재하는 제올라이트를 합성하였다. 이 때, 계면활성제의 암모늄 부분은 MFI 제올라이트 미세기공 골격을 유도하고, 동시에 거대 마이셀을 생성하여, 추후 소성과정을 통해 메조기공 구조체를 형성한다. 이 제올라이트에 크기가 다른 탐침분자인 피리딘과 2,6-다이터트뷰틸피리딘을 각각 흡착시키고 승온 탈착법을 거치며 푸리에 변환 적외선 분광기를 이용하여 분석하였다. 그 결과, 제올라이트의 미세기공 내부뿐 아니라 메조기공 외부 표면에 강한 산점이 형성되어 있음을 확인하였다. 제올라이트 외부 표면에 강한 산세기의 활성점이 형성된 것은 계면활성제 구조유도체에 의해 형성된 위계다공성 구조적 특성에 기인한다. 본 연구 결과를 통해, 제올라이트의 표면 산 특성을 다양한 촉매화학 반응에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.