Mesoporous mordenite zeolites were hydrothermally synthesized using amphiphilic organosilane surfactants as mesopore-generating agents by the aid of mordenite seeds. The hydrophobic alkyl tail of the surfactant directed the mesoporous structure while the silica moiety was incorporated in the resultant zeolite frameworks. The resultant mordenite zeolites were characterized by a complementary combination of powder X-ray diffraction (XRD), $N_2$ isotherm, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and carbon replication method. The mordenite zeolites exhibited agglomeration of mordenite crystals with nanoneedle morphologies possessing highly uniform mesopores, the size of which could be systematically controlled from 2.6 to 4.3 nm by changing the tail length of the organosilane surfactants. The individual nanoneedle mordenite had a fairly uniform crystal thickness, which progressively decreased from 19 to 11 nm on average as the amount of organosilane surfactant was increased in the synthesis gel. The mesoporous mordenite that consisted of nanononeedle mordenite with a crystal thickness of 11 nm exhibited a high external surface area of $382 m^2g^{-1}$ and a large pore volume of $0.432 ccg^{-1}$. Due to the remarkable increase in external surface area, the mesoporous mordenite showed significantly enhanced catalytic conversion in the alkylation of benzene with benzyl alcohol.
제올라이트는 결정성 알루미노실리케이트로 일정한 크기의 미세기공 (직경 2 nm 미만)을 갖는 다공성 물질이다. 이 물질은 분자체, 양이온 교환 물질, 촉매 담지체 등 다양하게 이용되지만, 특히 불균일 산촉매로 석유화학 분야에서 많이 사용된다. 일반적인 제올라이트는 미세기공 (직경 2 nm 미만)만을 갖기 때문에 촉매 반응 시에 분자 확산과 관련된 많은 문제점을 보인다. 미세기공보다 크기가 큰 분자의 경우, 미세기공으로 분자가 들어갈 수 없으므로 촉매의 겉표면에서만 반응이 일어나게 된다. 심지어 미세기공보다 작은 분자의 경우에도 일반적인 제올라이트의 크기가 매우 큼으로 작은 분자가 제올라이트 내부 전체로 확산되지 못하고 일부 겉부분에서만 반응이 일어나게 된다. 특히, 모더나이트 제올라이트는 강한 산성과 열적 안정성 때문에 산업 촉매로써 많이 사용되고 있지만 1차원적인 미세기공 구조로 인해 분자 확산에 있어 큰 문제점을 가지고 있다.
미세기공 (직경 2 nm 미만)과 메조기공 (직경 2 nm 이상 50 nm 이하)을 동시에 갖는 메조 다공성 제올라이트는 미세 기공만을 가지는 제올라이트의 촉매 응용성 한계를 해결할 수 있는 방법 중 하나이다. 즉, 메조 기공을 형성함으로써 넓어진 겉 표면적은 큰 분자 반응에 용이하게 하며 짧아진 확산 길이는 제올라이트 내부로의 분자 이동을 높일 수 있다.
본 연구에서는 시드 (seed) 도움 하에 유기실란 계면활성제를 메조기공 형성물질로 이용하여 메조다공성 모더나이트 제올라이트를 합성하였다. 합성된 메조다공성 모더나이트는 X 선 회절법, 질소 흡착법, 전자현미경 그리고 카본 복제법을 이용하여 분석하였다. 합성된 모더나이트는 침상 모양의 메조다공성 모더나이트 결정이 일정한 방향으로 배열된 뭉치 모양을 보여준다. 메조기공의 크기는 계면활성제의 소수성 부분의 길이를 변화시켜 조절가능하며, 침상모양의 모더나이트 결정의 두께는 합성 시 유기실란 계면활성제의 양에 따라 변화한다. 메조기공의 형성과 결정 크기의 감소로 인해 넓은 겉표면적을 갖는 메조다공성 모더나이트 제올라이트는 큰 분자 반응인 벤젠과 벤질알코올이 반응하는 알킬레이션 반응에서 좋은 촉매 효율을 보여주었다.
