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수소 잡아두는 '초미세 집' 나왔다

백종범 UNIST 교수팀, 안정한 3차원 유기구조체 합성
우수한 기체 흡착력 보여
국내 연구진이 가볍고 튼튼하면서 수분 등에도 안정적인 유기고분자 물질을 만드는데 성공했다.  

UNIST(총장 정무영)는 백종범 에너지·화학공학부 교수팀이 세 방향으로 성장시킨 '초미세 유기구조체(3D-CON)'를 개발해 수소를 효과적으로 저장하는 방법을 제안했다고 13일 밝혔다.

수소는 풍부한 자원 중 하나로 꼽힌다. 이를 산소와 반응시켜 전기를 생산하면 물만 배출되며, 무공해 에너지원으로써 활용성이 높다.

하지만 수소는 영하 253℃부터는 기체가 되고, 어느 원소보다 가볍기 때문에 이를 저장해두고 사용하기는 어렵다는 단점이 있다.

백 교수팀은 방파제로 쓰이는 테트라포트 모양의 분자(THA)를 반응시켜 '3D-CON(cage-like organic network)'이라는 유기구조체를 얻었다.

두 분자가 반응을 시작하면 THA(Triptycene-based HexAmine)에 HKH(HexaKetocycloHexane)가 달라붙으면서 세 방향으로 성장한다. 이 반응이 반복되면 새장처럼 구멍이 뚫린 유기구조체가 형성된다.

이 물질은 아주 미세한 기공을 가져 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 기체를 흡착하는 성능이 우수하다.

기존 3차원 유기구조체와 달리 분자들이 육각형 사다리 모양으로 결합돼 있어 구조적으로도 안정되어 있다. 수분에 반응하지 않는데다 600℃의 고온에서도 견디기 때문에 상용화 가능성도 높다. 
 
연구진이 개발된 유기체로 기체 흡착 실험을 진행한 결과, 일반 기압(1bar)에서 영하 196℃(77K) 온도 조건을 줬을 때 이 구조체의 수소 저장 성능이 2.6wt%로 나타났다.

물질은 1g 당 수소 0.026g을 저장할 수 있다는 의미다. 압력을 더 높이면 미국 에너지부(DOE)에서 오는 2020년 목표로 지정한 수소 저장 성능인 5.5wt%를 넘는 것으로 분석됐다. 

이 물질은 메탄과 이산화탄소의 저장 성능도 뛰어나다. 일반 기압(1bar) 아래 0℃(273K) 온도에서 1g 당 메탄 0.024g, 이산화탄소는 0.267g을 각각 저장할 수 있다. 

백종범 교수는 "기체 저장 물질은 수소자동차와 가스 센서 등에 광범위하게 활용될 수 있다"며 "이번 연구는 미래 에너지 소재로 유기구조체를 응용할 전략을 제시했다는데 의미가 있으며, 국내 기술로 기체 흡착 분야를 신뢰도 있는 분야로 이끌고 싶다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21플러스사업, 우수과학연구센터(SRC) 및 기후변화사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 화학분야 권위지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 발표됐다.

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