수소는 우주 어디에나 있는 무궁무진한 자원이다. 산소와 반응시켜 전기를 생산하면 물만 배출하는 무공해 에너지원이기도 하다. 하지만 수소는 너무 가벼워서 저장해 두고 사용하기가 어렵다. 

16일 백종범 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀이 마침내 이 난제를 풀어냈다. 수소를 효과적으로 가둬 저장할 수 있는 초미세 유기구조체 '3D-CON’을 개발한 것이다. 

3D-CON은 유기고분자를 이용한 것이라 가볍고 튼튼하고 수분 등에도 안정적일 뿐 아니라 수소 저장 성능이 뛰어나다. 

백 교수팀은 방파제로 쓰이는 테트라포트 모양의 분자(THA)와 육각형 고리를 닮은 분자(HKH)를 반응시켜 유기구조체인 3D-CON(cage-like organic network)을 얻었다. 두 분자가 반응을 시작하면 THA에 HKH가 달라붙으면서 세 방향으로 성장한다. 이 반응이 반복되면 새장(cage)처럼 구멍이 숭숭 뚫린 유기구조체가 만들어진다.

이 물질은 미세한 구멍이 숭숭 뚫린 구조라 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 기체를 흡착하는 능력이 뛰어나다. 기존 3차원 유기구조체와 달리, 분자들이 육각형 사다리 모양으로 결합돼 있어 구조적으로도 안정적이다. 수분에도 반응하지 않으며, 600℃의 고온에도 견디므로 상용화 가능성이 높다.

연구진은 3D-CON으로 수소를 비롯한 기체 흡착 실험을 진행했다. 일반 기압(1bar)에서 영하 196℃(77K) 온도 조건을 줬을 때, 3D-CON의 수소 저장 성능은 2.6wt%였다. 이 물질 1g에 수소 0.026g을 저장할 수 있다는 의미다. 압력을 더 높이자(59bar), 미국 에너지부(DOE)에서 2020년 목표로 지정한 수소 저장 성능인 5.5wt%를 넘어섰다.

이 같은 실험 결과에 대해 기체 흡착 실험을 진행한 연구팀의 김석진 에너지공학과 박사과정 연구원은 “지금까지 보고된 유기 다공성 물질 중에서 가장 높은 성능 수치”라고 했다. 연구팀은 고압 흡착 실험을 한국기초과학지원연구원에서도 똑같이 진행해 성능인증서를 획득했다.

3D-CON은 메탄과 이산화탄소 저장 능력도 뛰어났다. 일반 기압(1bar) 아래 0℃(273K) 온도에서 1g 당 메탄 0.024g, 이산화탄소는 0.267g을 각각 저장할 수 있는 것으로 나타났다.

이 물질의 합성을 담당한 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood)  에너지 및 화학공학부 연구교수는 “두 분자가 합성되면서 만든 빈 공간에 기체들이 안정하게 흡착되는 구조”라며 “특히 질소 원자가 규칙적으로 배열된 부분이 기체의 흡·탈착에 아주 유리하게 작용한다”고 설명했다.

연구팀이 개발한 기체 저장 물질은 수소자동차, 가스센서 등 광범위한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 보인다. 백 교수는 “우리 기술로 세계 기술시장을 선점할 것"이라고 말했다.

미래 에너지 소재로 유기구조체 응용 전략을 제시한 이번 연구는 연구 지원은 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21플러스사업, 우수과학연구센터(SRC) 및 기후변화사업을 통해 이뤄졌다. 연구 성과를 담은 논문은 화학분야 세계적 권위지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)' 최신호에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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