액화수소보다 2배 이상 밀도 높은 수소저장소재 개발

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[아이뉴스24 최상국 기자] 미래 에너지원인 수소를 더 효율적으로 저장할 수 있는 기술이 개발됐다. 액화수소보다 고밀도로 저장할 수 있어 수소 에너지 사용의 효율과 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

오현철 UNIST 화학과 교수는 보통의 대기압에서도 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 나노다공성 수소화붕소마그네슘 구조(Mg(BH4)2)를 국제학술지 ‘네이처 화학(Nature Chemistry)’에 발표했다.

오 교수는 “개발된 소재는 기존의 수소 저장 방법과 달리 많은 양의 수소를 안전하고 효율적으로 저장할 수 있는 잠재력을 가지고 있다”고 설명했다.

마그네슙 보론하이드라이드 구조 및 고밀도 수소흡착 상태 (A 마그네슙 보론하이드라이드 기본유닛 (B) 기본 유닛 기반 다공성 구조로 이루어진 감마상 마그네슙 보론하이드라이드 구조 구조 (C) 구조체 안에서 흡착된 수소는 bipyramidal 군집(clusters) 형성. (좌) 이 클러스터들은 H2 꼭짓점(light green)을 공유함으로써 연결되거나, 꼭짓점을 공유하지 않고 H2 분자 2개(Red)로도 연결됨 (우) 좌측 그림의 Top view를 보여줌 (D) 구조체 안에서 최적화된 수소 흡착 차이트 (red, green 모두 수소를 나타내며, 다른 색은 에너지 적으로 다른 흡착 사이트를 의미함) [사진=UNIST]

미래 연료로 주목받고 있는 수소는 분자 간의 상호작용이 매우 약해 실제 사용을 위한 대용량 저장은 어려운 상황이다. 같은 부피에 압력을 700기압까지 크게 높여주거나 온도를 –253도까지 낮춰 대용량 저장이 가능하나 효율이 충분하진 않았다.

연구팀은 이미 수소를 함유한 고체 수소화붕소((BH4)2)와 금속 양이온 마그네슘(Mg+)으로 나노다공성 복합 수소화물인 수소화붕소마그네슘을 만들었다. 개발된 소재 안에 저장된 수소는 5개의 수소 분자가 입체적으로 정렬된 형태로 저장되고 있음을 확인했다. 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 것이다.

보고된 소재는 기공의 부피당 144g/L의 수소를 저장할 수 있다. 기체의 수소 분자를 액체 상태로 저장하는 방식(밀도 70.8g/L)보다 2배 이상 높다. 수소 분자가 단단한 고체 상태(밀도 86g/L)보다 높은 밀도로 존재하는 것이다.

또한 연구팀은 많은 양의 수소가 기공 안에 어떻게 존재할 수 있는지에 대해 다양한 분석기법(중성자 산란법, 극저온 부피측정법, DFT계산 등)을 활용해 정확한 분자 위치 등을 밝혔다.

오현철 교수는 “수소 연료를 이용한 대중교통 수단의 활용에 있어 중요한 도전 과제인 수소저장 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “현재 기술로는 달성하기 어려운 용적 기준의 저장 밀도를 향상시켰고, 수소 에너지 사용의 효율성과 경제성을 높일 수 있는 중요한 발전”이라고 연구의 의의를 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다. (논문명: Small-pore hydridic frameworks store densely packed hydrogen)

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