수소 잡아두는 '초미세 집' 나왔다

백종범 UNIST 교수팀, 안정한 3차원 유기구조체 합성
우수한 기체 흡착력 보여

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강민구 기자 - 2018.03.13

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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