물질의 기공을 이용해 크기와 모양이 같은 기체도 거르는 ‘체’ 역할을 하는 물질이 개발됐다. ‘인공 태양’이라 불리는 핵융합 발전의 원료인 ‘중수소’(Heavy hydrogen)를 더 쉽고 경제적으로 얻을 수 있을 전망이다.
울산과학기술원(총장 이용훈) 화학과 문회리 교수팀은 경남과학기술대학교 오현철 교수, 한국원자력연구원(KAERI) 오인환 박사팀과 공동으로 특정 온도와 압력에서 ‘플렉시블 금속–유기 골격체(flexible metal-organic framework)’ 물질이 중수소를 선택적으로 흡착하는 현상을 발견했다. 이 원리를 이용해 수소 기체로부터 중수소를 효율적으로 분리 할 수 있다. 이번 연구 결과는 연구의 중요성을 인정받아 미국화학학회지(JACS)에 표지논문으로 선정돼 7월 14일자로 공개됐다.
그림1. JACS 표지 선정
영화 아이언맨에 나오는 ‘아크원자로’는 핵융합 발전을 이용해 폭발적인 에너지를 만든다. 중수소는 바로 이 아크원자로의 원료이다. 일반적인 수소보다 중성자를 더 갖는 수소의 ‘동위원소’로 전체 수소 기체 중 약 0.016%로 아주 미량만 포함돼 있어 분리하기 까다롭고 가격도 비싸다. 내부에 구멍이 많고 구멍의 크기가 변하는 ‘플렉시블 금속-유기 골격체’를 이용해 중수소를 분리하는 방법이 있지만, 정교한 온도와 압력 조절이 필요하고 분리 가능한 양도 적다. 기공에 중수소만 ‘흡착’할 수 있는 조건을 맞추기 어렵기 때문이다.
문회리 교수 연구팀은 대표적인 ‘플렉시블 금속–유기 골격체’인 ‘MIL-53’가 특정 온도 및 압력 아래에서 중수소에만 기공이 열리는 ‘두 번째 호흡 현상’이 발생한다는 사실을 발견하고 이를 통해 많은 양의 중수소를 얻어 내는 방법을 고안했다. 수소와 중수소 모두 플렉시블 금속-유기 골격체의 기공을 허파 꽈리처럼 확장시키는 ‘호흡 반응(첫 번째 호흡)’을 일으키지만 다시 한 번 기공이 확장되는 두 번째 호흡 반응은 중수소만에 의해서만 발생한다. 기존 분리법은 중수소와 일반 수소 모두 기공에 침투하고 통과할 수 있어서 기공에 중수소만 흡착할 수 있는 조건을 정교하게 맞춰야 했다. 반면 이번에 발견된 ‘두 번째 호흡 현상’을 이용할 경우 별도의 조작 없이 높은 효율로 중수소 분리가 가능하다.
그림2. 중수소에 의해서 2차 호흡 현상이 선택적으로 발생함
연구팀은 양쪽 끝이 뚫린 긴 고무관처럼 생긴 플렉시블 금속-유기 골격체인 ‘MIL-53’을 이용해 중수소 분리 실험을 진행했다. 골격체 내부의 0.26 nm(나노미터, 1nm=10억 분의 1m) 크기의 작은 기공은 극저온(-253℃)에서 수소 기체를 만나는 순간부터 0.67nm로 커지는데, 여기서 온도를 높이고(-248℃) 압력을 800 ~ 1000 mbar로 유지하면 두 번째 호흡 현상에 의해 또 한 번 기공이 확장(기공크기 0.86 nm) 한다. 두 번째 호흡 현상은 중수소에 의해서만 발생했다.
실험결과 두 번째 호흡으로 인해 추가로 흡착 할 수 있는 중수소의 양은 다공성 물질 1g 당 32mg으로, 이는 기존 연구에서 분리한 중수소 양(12g)의 2.5배이다. 또 연구팀은 추가로 중수소가 기공에 선택적 흡착해 발생하는 금속-유기 골격체의 구조 변화를 중성자 산란실험을 통해 분석했으며, 이를 통해 해당 조건에서 고밀도 중수소가 MIL-53(Al)의 기공 내에 존재하고 있음을 보였다.
문회리 교수는 “이번 연구를 통해 수소 동위원소 분리에서 플렉시블 금속–유기 골격체의 잠재력을 다시 한번 입증할 수 있었다”며 “동위원소 분리를 위한 소재 설계의 길라잡이 역할을 할 새로운 아이디어를 학계에 제시한 것”이라고 연구 의의를 전했다.
오현철 교수는 “이번 연구는 플렉시블 금속-유기 골격체의 기공 크기가 특정 동위원소에만 선택적으로 반응하여 구조가 변하는 새로운 흡착 현상을 세계 최초로 발견 한 데 큰 의의가 있는 것”이라며 “이를 활용하면 복잡하게 분리 시스템을 설계하고 가공하지 않아도 경제적인 동위원소 분리 및 중수소 농축이 가능하다”고 설명했다.
강성구 울산대 교수, 박지태 독일 핵융합 연구소(FRM-II) 박사가 함께 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업, 원자력기초연구사업 등의 지원으로 수행됐다.
