(左부터) 3D-CON을 개발한 자비드 마흐무드 UNIST 교수, 백종범 UNIST 교수, 김석진 UNIST 연구원

국내 연구진이 높은 안정성으로 수소를 잡아두는 고효율 초미세 유기구조체를 개발했다.

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 세 방향으로 성장시킨 ‘초미세 유기구조체(3D-CON)’를 개발해 수소를 효과적으로 저장하는 방법을 제안했다고 13일 밝혔다.

새로운 무공해 에너지원으로 주목받고 있는 수소는 영하 253℃부터는 기체가 되는데다 어떤 원소보다 가벼워 저장해 두고 사용하기가 어렵다. 

이에 연구진은 가볍고 튼튼하면서 수분 등에도 안정적인 유기고분자를 개발하고 수소 저장 성능의 우수함을 입증했다.

3D-CON구조 모식도 및 방향에 따른 이미지. HAB, THA 단량체가 에틸렌글리콜과 아세트산 (3M) 혼합용매 속에서 반응해 우리(cage) 같은 구조를 형성하고 있다.

우선 백 교수팀은 방파제로 쓰이는 테트라포트 모양의 분자(THA)와 육각형 고리 모양의 분자(HKH)를 반응시켜 ‘3D-CON(cage-like organic network)’이라는 유기구조체를 얻었다.

두 분자가 반응을 시작하면 THA에 HKH가 달라붙으면서 세 방향으로 성장한다. 이 반응이 반복되면서 새장(cage)처럼 구멍이 숭숭 뚫린 유기구조체가 형성된다.

이 물질은 아주 미세한 기공을 잔뜩 가져 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 기체를 흡착하는 성능이 탁월하다.

기존 3차원 유기구조체와 달리 분자들이 육각형 사다리 모양으로 결합돼 있어 구조적으로도 안정하다. 또 수분에 반응하지 않는데다 600℃의 고온에서도 견디기 때문에 상용화 가능성도 높다.

연구진은 3D-CON으로 수소를 비롯한 기체 흡착 실험을 진행했다. 일반 기압(1bar)에서 영하 196℃(77K) 온도 조건을 줬을 때, 3D-CON의 수소 저장 성능은 2.6wt%였다. 이 물질 1g에 수소 0.026g을 저장할 수 있다는 의미다. 압력을 더 높이자(59bar), 미국 에너지부(DOE)에서 2020년 목표로 지정한 수소 저장 성능인 5.5wt%를 넘어섰다.

김석진 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “지금까지 보고된 유기 다공성 물질 중에서는 가장 높은 성능 수치”라며 “고압 흡착 실험은 한국기초과학지원연구원에서도 똑같이 진행해 성능인증서를 획득했다”고 말했다.

또한 메탄과 이산화탄소의 저장 성능도 뛰어났다. 일반 기압(1bar) 아래 0℃(273K) 온도에서 1g 당 메탄 0.024g, 이산화탄소는 0.267g을 각각 저장할 수 있다.

이 논문의 교신저자인 백종범 교수는 “기체 저장 물질은 수소자동차와 가스 센서 등에 광범위하게 활용할 수 있다”며 “이번 연구는 미래 에너지 소재로 유기구조체를 응용할 전략을 제시했다는 데 큰 의미가 있으며, 우리 기술로 세계 기술시장을 선점할 것”이라고 포부를 밝혔다.

그는 이어 “태양전지나 배터리 같은 에너지 소재는 공증기관이 따로 있어 기술 진보에 기여하고 있다”며 “아직 공증기관이 따로 없는 기체 흡착 분야에서도 이런 기준을 만들어 신뢰도 있는 분야로 이끌고 싶다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 화학분야의 세계적 권위지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)에 발표됐다. 연구 지원은 과학기술정보통신부 리더연구자지원사업(창의연구)과 교육부-한국연구재단이 주관하는 BK21플러스사업, 우수과학연구센터(SRC) 및 기후변화사업을 통해 이뤄졌다.