[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

2050 탄소 중립을 달성하기 위해서는 수소경제가 핵심이며, 그중 운송용(승용, 상용) 차량의 연료로 수소를 사용하고자 하는 노력은 지난 100년 전부터 현재까지 진행 중이다. 따라서 수소는 미래의 유망한 연료가 될 수 있지만, 고용량 저장은 여전히 도전 과제이다. 현재 기술은 주로 기체(예: 수소압력 700 기압) 또는 액체(극저온, 약 -253도) 상태의 분자 수소 저장에 초점을 맞추고 있다. 하지만 안타깝게도 현재 기술로 제공할 수 있는 부피 및 중량 측정 저장 밀도에는 한계가 존재하는 상황이다.

분자인 수소는 물리흡착이라고 하는 과정에서 약한 반데르발스 상호작용(런던 분산력)에 의해 다공성 물질에 물리적으로 흡착될 수 있다. 다공성 물질은 높은 질량 대비 수소 흡수율을 제공하지만, 부피 대비 수소 저장 용량은 매우 낮아 지난 수십년간 이 문제를 여전히 해결을 못하고 있는 상황이었다.

UNIST 오현철 교수팀은 나노다공성 수소화붕소마그네슘 구조를 이용하면 수소를 고밀도로 저장 가능하다는 점을 밝혀냈다. 이는 기존의 수소 저장 방법들과 달리, 더 많은 양의 수소를 더 안전하고 효율적으로 저장할 수 있는 잠재력을 지니고 있다는데 큰 의의가 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 나노다공성 수소화붕소마그네슘 구조를 이용하여 높은 밀도의 수소를 저장할 수 있는 새로운 방법이 제시하였다. 이 구조는 특별한 방향성과 상호작용을 가진 펜타-수소분자(penta-dihydrogen) 클러스터를 형성함으로써 수소 분자를 더욱 밀집하게 만들었다. 연구팀은 중성자 분말 회절, 체적 가스 흡착, 비탄성 중성자 산란 및 첫 원리 계산을 통해 수소와 질소의 흡착 위치와 한계 용량을 명확히 밝혀냈다.

나노 다공성 입방정형 수소화붕소마그네슘(Mg(BH4)2)는 33%의 내부 기공 부피를 가진 1D 채널형태의 구조를 가지고 있다. 기공 직경은 약 ~9Å이고 가장 작은 개구 부분은 ~5.8Å로, 질소 또는 수소와 같은 다양한 작은 분자를 흡착할 수 있다. 이 다공성 수소화물는 평평하지 않고 부분적으로 음전하를 띤 내부 표면을 가지고 있으며, 이 표면에는 수소화물인 Hδ- 원자가 기공에 노출되어 있다. 이러한 특성 때문에, 반데르발스 상호작용이 약한 수소를 펜타-수소분자(penta-dihydrogen) 클러스터 형태로 만들어 저장할 수 있었으며, 이렇게 흡착된 수소 분자는 액체 수소의 밀도(70.8 g H2)의 약 두 배에 달하는 밀도로 기공 내에 밀집되어 저장되었으며, 이는 주어진 기공 부피 당 약 144 g H2에 해당된다. 이는 중성자 분말 회절, 체적 가스 흡착, 비탄성 중성자 산란, 그리고 첫 원리 계산을 통해 입증되었다.

3. 기대효과

본 연구는 상온에서 수소를 효율적으로 저장할 수 있는 새로운 방법을 제안했다는데 의의가 있다. 이 방법은 수소 분자를 밀집하게 저장할 수 있는 특별한 구조를 이용하여, 기존 방법들이 직면한 저장 밀도와 안전성의 문제를 해결할 수 있다는 점을 보여주고 있다. 또한 수소 에너지의 보관과 운송 문제를 해결함으로써, 친환경 에너지로의 전환을 촉진할 수 있는 중요한 발전이다. 결국 수소의 효율적인 저장은 수소 에너지의 상용화를 가속화하고, 수소 연료를 사용하는 차량 및 기타 응용 분야에서의 에너지 저장 솔루션으로 큰 기대를 모으고 있다. 따라서, 이번 연구 결과는 미래 수소 기반 사회로의 전환에 중요한 역할을 할 것으로 기대하며, 지속 가능한 에너지 소스로서 수소의 가능성을 더욱 확장시킬 것다.

[붙임] 용어설명

1. 반데르발스 상호작용(런던 분산력)

런던 분산력은 비극성 분자 사이에서 발생하는 약한 상호작용의 한 형태로, 원자나 분자의 일시적인 전하 분포 불균형으로 인해 발생한다. 이는 두 분자가 서로 가까워졌을 때, 한 분자의 전자 구름이 다른 분자의 전자 구름을 밀어내어 일시적인 다이폴을 유도하고, 이러한 다이폴 간의 상호작용이 런던 분산력을 생성하게 된다. 이 힘은 모든 분자에 존재하지만, 특히 수소와 같은 비극성 분자에서 중요한 역할을 하게 된다.

2. 수소화붕소마그네슘(Mg(BH4)2)

마그네슘, 붕소, 수소가 결합한 비다공성 화합물로, 뛰어난 수소 저장 잠재력을 지닌 것으로 알려져 있다. 이 물질은 높은 수소 저장 용량을 가지며, 수소 에너지 연구 분야에서 중요한 후보 물질로 고려되었다. 또한, 수소화붕소마그네슘은 수소를 방출하고 흡수하는 데 필요한 조건이 비교적 온화하여, 수소 연료 전지와 같은 에너지 시스템에 활용될 수 있는 가능성이 탐색되고 있다.

본 연구에서는 비다공성 마그네슘보론 하이드라이드를 33% 내부 기공을 가진 다공성 구조로 만들어 소재 자체가 구조상 보유하고 있는 약 15wt%의 수소와 고밀도 수소 흡착에 발생되는 4wt% 수소로 인하여 총 약 19 wt%의 저장 용량을 보유한 세계 최고 효율을 보였다.

3. 수소의 물리적 흡착상태

수소의 물리적 흡착 상태는 주로 흡착제 표면에 수소 분자가 약한 물리적 힘(반 데르 발스 힘)을 이용해 부착되는 현상을 말한다. 이 과정에서 수소 분자는 흡착제 표면에 에너지를 거의 소비하지 않고, 분자의 화학적 구조를 변화시키지 않는다. 이러한 물리적 흡착은 일반적으로 낮은 온도에서 더 효율적이며, 흡착된 수소는 온도가 증가하면 쉽게 방출될 수 있다. (따라서 수소의 충방전에 유리함)

물리적 흡착은 다공성(porous) 재료나 고표면적 재료를 사용하여 수소 저장 용량을 증가시키는 데 널리 사용된다. 이러한 재료에는 활성탄, 금속-유기골격체(MOFs), 및 다공성 실리카 등이 포함된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 마그네슙 보론하이드라이드 구조 및 고밀도 수소흡착 상태

(A) 마그네슙 보론하이드라이드 기본유닛 (B) 기본 유닛 기반 다공성 구조로 이루어진 감마상 마그네슙 보론하이드라이드 구조 구조 (C) 구조체 안에서 흡착된 수소는 bipyramidal 군집(clusters) 형성. (좌) 이 클러스터들은 H2 꼭짓점(light green)을 공유함으로써 연결되거나, 꼭짓점을 공유하지 않고 H2 분자 2개(Red)로도 연결됨 (우) 좌측 그림의 Top view를 보여줌 (D) 구조체 안에서 최적화된 수소 흡착 차이트 (red, green 모두 수소를 나타내며, 다른 색은 에너지 적으로 다른 흡착 사이트를 의미함)