수소 원자 얼음속에 저장 가능 고체속에 수소저장 새지평 열었다

■ 다가오는 수소연료 시대 구멍많은 초분자 통해 담는 방법국내연구진 개발 저명저널 표지에 액체수소 탱크보다 효율성 뛰어나 차세대 저장장치 개발에 방향제시

손성욱 교수가 만든 로듐 초분자체의 구조. 배경의 그림 가운데 원들이 겹치면서 원 중앙의 육각형처럼 보이는 것이 초분자체 내에 만들어지는 터널이다. 이 터널의 구조를 보다 자세히 보면(사선으로 기울어진 그림) 무수히 많은 벤젠 고리들이 터널을 형성해 이 안에 수소를 저장할 수 있을 것으로 예측된다. 이흔 교수가 만든 불순 얼음의 구조. 얼음의 분자들이 공 모양의 공간을 형성해 사이에 수소가 가둬질 것으로 예상된다. 얼음 속에 가둬두었던 수소기포가 빠져나가는 모습. 수소가 차세대 에너지원으로 부각할 것이라는 '수소시대'를 앞두고 석유를 비축하듯 수소를 저장하는 방법에 대한 연구가 활발하다. 현재 쓰이고 있는 압축수소탱크와 달리 연구내용은 대부분 고체 분자 사이에 기체인 수소를 저장해 두었다가 필요하면 꺼내쓴다는 개념이다. 고체가 어떻게 수소를 저장할 수 있을지 언뜻 봐서 이해하기가 어렵다. 분자 사이 구멍이 비밀 성균관대 자연과학부 손성욱 교수는 미국 브라운대 연구팀과 공동으로 수소저장용으로 쓰일 수 있는 유기금속 초분자체를 만들어 영국 화학저널 '케미스트리 커뮤니케이션즈(Chemisrty Communications)' 21일자 표지에 소개됐다. 손 교수는 금보다 10배나 비싼 로듐이라는 유기금속으로 육각형 벤젠고리가 6개나 붙은 단위분자를 만들었다. 이 분자들이 알아서 자기조립을 거치자 벤젠고리들이 수소를 담아둘 수 있는 공간을 형성한 것이다. 이처럼 하나의 단위 분자가 스스로 조립해 거대한 분자를 만든 것을 초분자라고 한다. 단위분자들은 스스로 가장 안정적인 구조(낮은 에너지)를 찾아 결합한다. 하지만 어떤 구조가 가정 안정적인지를 계산하는 데에는 너무나 많은 미묘한 변수들이 있어 연구자가 미리 어떤 구조의 초분자가 나올지 정확히 예측하기는 어렵다. 로듐 단위분자를 만든 손 교수조차 뚜렷한 목적을 염두에 두고 이 초분자체를 만든 것은 아니다. 다만 분자끼리 결합력이 약하기 십상인 유기금속을, 전하인력을 사용해 잘 끊어지지 않도록 의도했고, 이 성과는 손 교수 논문에서 인정받은 점이다. 이 같은 다공성 초분자는 수소저장재료로 가장 활발히 연구중인 분야이다. 탄소나노튜브도 수소저장기능이 있어 주목받고 있는데 이 역시 탄소들이 육각형 모양으로 결합하면서 구멍을 만들어놓기 때문이다. 수소 전자와 교감하라 하지만 이러한 고체 안에 기체인 수소를 담아둔다는 것은 도대체 무슨 의미일까? 이를 고압수소탱크에 담긴 액체수소와 같다고는 볼 수 없다. 연구중인 수소저장방법은 금속과 화학반응을 일으켜 수소와 결합했다가 필요한 경우 다시 분해해 수소를 꺼내쓰는 방법, 그리고 분자 사이 구멍에 수소를 담아 두었다가 꺼내쓰는 방법을 들 수 있다. 물론 대규모 수소 저장이 필요한 수소시대에 이러한 기술이 액체수소탱크보다 효율이 높으리라고 기대하기 때문이다. 화학결합은 물론 가장 튼튼하게 수소를 잡아두는 방법이다. 반면 손 교수처럼 초분자의 구멍에 수소를 담아두는 것은 '흡착'이다. 단단한 화학결합은 아니지만 그래도 안정적으로 수소를 잡아둘 수 있는 이유는 전자의 겹침이 가능하기 때문이다. 화학결합이란 각 원자의 전자들이 안정적인 궤도를 유지하기 위해 바깥쪽 전자들이 같은 궤도에 겹치는 것이라고 말할 수 있다. 예컨대 공유결합은 두 원자가 전자를 함께 내놓아 안정적인 궤도에서 겹치고, 이온결합은 한 원자는 전자를 내주고 다른 원자는 전자를 받아들임으로써 안정적인 궤도를 만든다. 그런데 흡착이란, 초분자체의 구멍에서 튀어나와 있는 전자가 수소의 전자와 약하게 겹치는 현상이다. 이 경우 완전히 화학결합을 할 만큼은 아니지만 그래도 꽤 단단하게 수소를 붙잡아둘 수 있다. 금속만 가능한가 얼음도 초분자체처럼 구멍이 많다. 벤젠고리처럼 물 분자들도 육각형 모양으로 모여있고,이것이 층층이 쌓이면 다공성 초분자체나 탄소나노튜브처럼 수소가 들어갈만한(사실은 훨씬 큰) 구멍이 생긴다. 문제는 보통 압력에서 물이 얼 때 물 분자가 균일하게 쌓이지 않는다는 사실이다. 몇 개의 물 분자층은 구멍을 만들지만 이것들이 다시 불규칙하게 결합하기 때문에 얼음 속에는 많은 구멍이 있는 동시에 수소가 들어갈 수 없는 장벽도 많은 셈이다. 만약 얼음의 분자구조를 균일하게 만들어 얼음 표면까지 구멍을 잇는다면 수소를 쉽게 넣고 뺄 수 있을 것이다. 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이 흔 교수는 지난해 "테트라하이드로퓨란이라는 물질을 넣어 얼음을 만들 경우 수소 저장용량이 커진다"는 연구결과를 네이처에 발표한 적이 있다. 이는 균일한 얼음 분자를 만드려는 시도 중 하나다. 이 교수의 연구는 물분자들이 5각형 모양으로 결합해 이것이 다시 공 모양의 공간을 만들어 이 안에 수소를 담을 수 있다는 가능성을 제시했다. 수소를 담는 그릇이 무엇이든 수소를 넣고 뺄 때는 압력이나 온도를 조절해야 한다. 물론 실용화는 아직 먼 아이디어 수준이다. 폭발하기 쉬운 수소는 저장의 효율성과 함께 안전함이 해결되어야 한다. 도움말 성균관대 손성욱 교수, 서강대 이덕환 교수·KAIST 이흔 교수 한국일보 http://chem.skku.ac.kr/~sson/H2.pdf

미래 청정 에너지원으로 주목받고 있는 수소를 얼음 속에 원자 상태로 저장할 수 있다는 사실을 국내 연구진이 처음으로 밝혀냈다.

KAIST 이흔(56) 교수와 서강대 강영수(46) 교수 공동 연구진은 "물에 미량의 유기물질을 첨가해 얼리면 나노미터(10억분의 1m) 단위의 빈 공간이 생겨나고, 여기에 수소 원자를 안정적으로 저장할 수 있다는 것을 처음으로 규명했다"고 3일 밝혔다.

'사이언스(Science)'지는 최근 호에서 '편집자가 꼽은 주목할 만한 연구결과(Editor's Choice)'로 선정, 소개했다. 이 교수는 "수소 원자를 잡아두는 저장창고로 물을 이용하기 때문에 경제적이며 친환경적인 수소저장방법 이다.
조선일보

얼음을 이용해 수소 원자를 저장하는 기술을 국내 과학자들이 개발했다.

KAIST 이흔(생명화학공학과·사진) 교수팀과 서강대 강영수(화학과) 교수팀은 1일 물과 약간의 유기물을 이용해 만든 얼음에 수소 원자를 저장하는 데 처음으로 성공했다고 밝혔다. 이 연구는 미국화학회지에 발표됐으며 국제학술지 ‘사이언스’ 7월 11일자에도 소개됐다.

연구팀은 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가하여 얼음 입자를 만들면 내부에 수많은 나노 구멍이 생기며, 이 공간에 수소 원자가 안정적으로 저장된다는 사실을 밝혀냈다.

이 교수팀은 2005년 4월 국제학술지 ‘네이처’에 얼음 구조 속에 수소 분자를 저장할 수 있다는 연구결과를 발표했으며 이번에는 수소 분자를 두 개의 원자로 쪼개 얼음 안에 저장하는 데 성공했다.

이 교수는 “수소 분자 대신 원자를 이용하면 다른 물질과 반응을 훨씬 더 잘하고 결합력도 높아지기 때문에 얼음 연료 전지를 비롯해 다양한 수소 에너지 관련 분야에 이용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

그동안 석유를 대신해 수소 에너지를 쓰려는 연구가 많았으나 수소를 효과적으로 저장할 수 있는 기술이 부족해 어려움을 겪어 왔다. 이번에 연구팀이 개발한 기술은 물을 이용하기 때문에 경제적이면서 친환경적인 기술로도 주목받고 있다.

동아사이언스