비용 낮고 효율 높은 '질소 흡착 물질' 특성 발견

장종산 화학연 박사팀 "셰일가스, 천연가스 속 질소 낮은 비용으로 제거 가능"
크롬계 하이브리드 나노세공 흡착제의 빈결합 자리에서 질소의 선택적 배위결합 관찰과 흡착분리 실험결과.<사진=한국화학연구원 제공>크롬계 하이브리드 나노세공 흡착제의 빈결합 자리에서 질소의 선택적 배위결합 관찰과 흡착분리 실험결과.<사진=한국화학연구원 제공>

공기중이나 세일가스에 포함된 질소를 선택적으로 제거할 수 있는 흡착물질의 특성을 국내 연구진이 최초로 발견했다. 이번 성과로 기존 셰일가스, 천연가스, 바이오가스 중 질소를 제거하는데 쓰이는 초저온 냉각 에너지를 절감할 수 있을 것으로 전망된다.

한국화학연구원(원장 이규호)은 화학공정(CCP) 융합연구단의 장종산 박사와 윤지웅 박사 연구팀이 배윤상 연세대 교수팀, KAIST 교수팀, 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)와 공동으로 크롬 이온과 유기산 화합물로 구성된 하이브리드 나노세공소재가 질소를 효율적으로 흡착할 수 있다는 특성을 확인했다고 10일 밝혔다.

산업적으로  천연가스나 셰일가스에 함유된 메탄의 높은 열량은 유지하고 환경 오염 물질을 줄이기 위해 질소를 선택적으로 제거한다. 하지만 질소는 가장 흔한 기체이면서 비활성 물리화학적 특성으로 흡착에 어려움이 있었다.

현재 산소와 질소 분리를 위해 리튬계 제올라이트와 칼슘계 제올라이트 흡착제가 사용돼 왔다. 하지만 리튬계는 가격이 높고 칼슘계는 흡착률이 낮다는 단점이 있다. 또 초저온 증류법이 사용되는데 다량의 냉각 에너지를 사용해야 하는 문제와 장치가 필요해 비용 부담이 크다. 때문에 각국은 질소를 흡착할 수 있는 물질 개발 연구를 지속해 왔다.

연구팀은 물을 사용하는 냉방시스템의 수분흡착제를 연구하던 중 하이브리드 나노세공 흡착물질의 새로운 특성을 발견했다. 하이브리드 나노세공소재의 크롬이온이 일정 온도(250도)와 환경에서 결합상 빈자리를 갖고 배위결합을 통해 질소와 메탄, 질소와 산소에서 질소기체를 강하게 흡착해 분리하는 효과가 있다는 것을 확인했다.

하이브리드 나노세공 흡착물은 2000년도부터 연구가 된 물질이지만 질소 흡착 특성을 밝힌 것은 화학연이 처음이다.

연구팀에 의하면 크롬이온의 분자궤도와 질소의 분자궤도가 겹쳐지는 자리에서 전자를 주고받는 역결합과 배위결합으로 질소 흡착력이 높아진다. 기존 리튬계 제올라이트에 비해 비용은 절반이면서 흡착률은 29%이상 향상되는 성과를 냈다. 결과는 한국과 미국 특허로도 출원됐다.

장종산 박사는 "질소 흡착제는 조선해양에 많은 LNG 운반선에서 활용된다. 운반선의 질소를 지속적으로 제거하지 않으면 폭발위험도 있고 액화가 어려워 막대한 에너지를 활용해 초저온 증류법을 사용해 분리하고 있다"면서 "이번 성과로 해양조선업과 산업용 분리공정에서 미래형 질소 흡착소재 효율 향상에도 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부와 국가과학기술연구회에서 지원하는 '화학공정 융합연구단(단장 박용기) 과제와 미래부의 글로벌프론티어사업의 '하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단(단장 김광호)' 과제로 진행됐다.

연구는 장종산 화학연 박사가 주도하고 윤지웅 박사가 제1저자로, 배윤상 연세대 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 성과는 재료과학분야 '네이처 머티리얼스'지 온라인판에 지난 12월 19일 공개됐다.
a.불포화배위 크롬 이온 자리를 갖는 하이브리드 나노세공체 MIL-100 구조 b. 주요 흡착제의 10도 질소 흡착등온선 c. 불포화배위크롬 이온 자리에 흡착하는 CO 탐침분장의 -173도 적외선 분광스텍트럼 d. MIL-100 흡착제의 10도 질소 및 메탄의 흡착등온선.<사진=한국화학연구원 제공>a.불포화배위 크롬 이온 자리를 갖는 하이브리드 나노세공체 MIL-100 구조 b. 주요 흡착제의 10도 질소 흡착등온선 c. 불포화배위크롬 이온 자리에 흡착하는 CO 탐침분장의 -173도 적외선 분광스텍트럼 d. MIL-100 흡착제의 10도 질소 및 메탄의 흡착등온선.<사진=한국화학연구원 제공>

 
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