^*중수소(이중수소): 수소에 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소다. 미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심원료이자, 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다. 그러나 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%로 극히 미미하고, 수소혼합물에서 중수소를 분리하기도 어려워 매우 비싸다.

^**동위원소(同位元素, Isotope): 원자번호가 같지만 원자량이 다른 원소를 말한다. 어떤 원소의 동위원소는 그 원소와 같은 수의 양성자와 전자를 가지지만, 다른 수의 중성자를 가진다. 물리·화학적 성질이 비슷해 분리하기 까다롭다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

수소의 동위원소인 ‘중수소’는 미래의 에너지라 불리는 인공태양을 만드는 핵심 에너지원이다. 또 다양한 산업과 과학 분야에 대체 불가능한 자원으로 꼽힌다. 이 때문에 세계적인 중수소의 수요는 계속 늘어나고 있다. 하지만 중수소는 수소와 물리·화학적 성질이 비슷해 수소혼합물에서 분리해내기가 까다롭다. 기존의 상업화된 분리 방법이 있기는 하지만 효율적으로 분리하는 매우 어려운 상황이다.

최근 중수소를 효과적으로 분리하기 위해 다공성 물질의 양자체(Quantum Sieving) 효과를 이용한 연구가 많아지고 있다. 특히 ‘운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving Effect)’를 이용하면 중수소를 효율적으로 분리 및 저장할 수 있다. 운동양자체 효과는 ‘극저온 환경에서 좁은 기공에서는 수소(H₂)보다 중수소(D₂)가 더 빠르게 확산될 수 있다’는 내용이다. 이는 중수소의 드 브로이 파장이 수소보다 짧기 때문이다.

운동 양자체 효과는 77K(-196℃) 이하의 극저온 조건에서 0.6나노미터(㎚, 1㎚=10억 분의 1m)보다 작은 기공에서 일어날 수 있다. 중수소 분리에 가장 적합한 운동 양자체 효과가 나타나는 기공 크기는 직경 0.3~0.34㎚ 정도라는 게 실험적으로 관찰됐다. 하지만 기존 다공성 물질의 기공 크기를 중수소 분리에 최적으로 조절하기는 매우 어렵다. 따라서 중수소를 효율적으로 분리할 수 있는 기공 구조를 가진 시스템 개발이 절실했다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 외부 자극에 의해 미세한 기공(細孔)이 팽창되는 독특한 다공성 물질인 ‘플렉서블 금속-유기 골격체(Flexible Metal-Organic Framework)’를 사용해 운동 양자체 분리 효과를 극대화했다. 이를 통해 40K(-233℃)에서 최고 13.6의 분리 인자를 갖는 동시에, 시료 1g 당 0.012g(2.9mmol)의 중수소(D₂) 기체를 분리할 수 있는 매우 효과적인 분리 시스템을 개발했다. 여기서 13.6 분리 인자는 수소 1개가 선택될 때 중수소는 13.6개가 선택될 정도로 중수소만 골라낼 확률이 높다는 의미다.

본 연구진은 운동 양자체 효과를 높이기 위해 외부 자극에 의해 유연하게 기공 구조를 바꿀 수 있는 플렉서블 금속-유기 골격체(flexible metal-organic framework), MIL-53(Al)을 선택했다. 일반적으로 MIL-53(Al)는 수소 기체에 노출되면 작은 기공(0.26㎚)에서 과도기적인 상태를 거쳐 큰 기공(0.85㎚)으로 변한다. 이러한 ‘호흡 (breathing) 현상’은 기공 입구부터 중심부로 진행된다고 알려져 있다. 이때 MIL-53(Al)은 호흡 현상 따라 중수소 분리에 적합한 기공 크기(0.3~0.6㎚)를 연속적으로 생성해 높은 중수소 선택도를 가질 수 있다. 이뿐 아니라 동시에 많은 양의 중수소를 커진 기공에 저장할 수 있어 분리 효과를 극대화할 수 있다.(그림 1)

이번 연구에서는 MIL-53(Al)에 노출 온도와 압력, 시간을 바꿔가며 기공 구조를 체계적으로 조절하는 실험을 진행했다. 그 결과 MIL-53(Al)을 수소, 중수소가 1:1로 혼합된 기체 10밀리바(mbar, 압력), 40K(온도)에서 120분(시간) 동안 노출시켰을 때, 가장 높은 분리 효율(SD2/H2=13.6)을 보였다. 이와 동시에 가장 많은 양의 중수소(2.9mmol/g)를 한번에 분리할 수 있었다.

이번 연구는 플렉서블 금속-유기 골격체의 구조적 유연성을 이용해 수소 동위원소 분리를 시도한 첫 연구다. 작은 기공에서 큰 기공으로 바뀌는 호흡 현상을 이용해, 그간 구현하기 어려웠던 최적의 양자체 효과를 낼 수 있는 기공 구조를 손쉽게 얻었다. 또 지금까지 발표된 운동 양자체 효과를 이용한 중수소 분리 연구 중 가장 높은 효율로 많은 양의 고순도 중수소를 성공적으로 분리함으로써 실제 산업에서 응용 가능성을 실험적으로 입증했다.(그림2)

3. 기대효과

이번 연구는 수소혼합물에서 분리해내기 어려웠던 중수소를 높은 효율로 분리할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이뿐 아니라 플렉서블 금속-유기 골격체의 호흡 현상을 이용하는 전략은 다른 분야에도 응용 가능하다. 그간 분리하기 어렵다고 알려진던 동위원소나 가스 혼합물을 동일한 전략으로 효율적으로 분리가 가능하기 때문이다. 이 기술은 높은 효율로 많은 양을 분리할 수 있는 다공성 물질의 지능형 설계에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving effect)

1995년 네덜란드 라이덴대의 빈아커(Beenakker) 교수가 주창한 개념이다. 자연계에는 원자 번호는 같지만 원자량이 다른 원소가 있다. 이를 동위원소라 부르는데, 중성자 개수가 달라서 무게 차이가 난다. 이들 동위원소가 섞여있는 동위원소 혼합물은 극저온에서 물리적인 차이를 보인다. 중성자 개수가 작아 가벼운 원소일수록 더 큰 드 브로이 파장(de Brogile wavelength)을 가지는 것이다. 빈아커 교수는 이 파장 때문에 가벼운 원소는 무거운 원소에 비해 좁은 공간에서 확산되기 어렵다고 보고했다. 따라서 저온에서 무거운 동위원소는 가벼운 동위원소보다 좁은 공간을 더 빠르게 확산함으로써 운동 양자체 효과를 일으킨다.

2. 플렉시블 금속-유기 골격체(Flexible Metal-Organic Framework)

플렉시블 금속-유기 골격체는 유기 리간드와 금속 빌딩 블록으로 구성된 배위결합물 중 외부자극에 의해 기공 구조가 변할 수 있는 다공성 물질이다. 적절한 유기 리간드와 금속 빌딩 블록을 선택하면 원하는 외부자극에 선택적으로 반응해 기공구조를 바뀔 수 있도록 설계할 수 있다. 이런 특성 덕분에 분리 기술 분야에서 특히 각광받는 다공성 물질이다.

3. 호흡 현상(Breathing Effect)

플렉시블 금속-유기 골격체에 기체를 주입할 경우, 기체의 온도와 압력에 따라 기공 크기가 달라지는 현상을 말한다. 숨을 들이쉬고 내쉴 때 폐가 커지고 작아지는 것과 비슷해 호흡 현상이라는 이름이 붙었다.

[붙임] 그림설명