▲ 마그네슘 보론하이드라이드 기본 구조(A) 다공성 구조로 이루어진 감마상 마그네슘 보론하이드라이드 구조(B). 구조체 안에서 흡착된 수소는 bipyramidal 군집(clusters) 형성되며(C) 구조체 안에서 최적화된 수소(red, green) 흡착 사이트(D)

국내 연구진이 보통 대기압에서도 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 소재를 개발해 수소에너지 사용 효율성과 경제성을 높일 것으로 기대되고 있다.

UNIST(총장 이용훈)는 화학과 오현철 교수가 보통의 대기압에서도 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 나노다공성 수소화붕소마그네슘 구조(Mg(BH4)2)를 보고했다고 지난 12일 밝혔다.

미래 연료로 주목받고 있는 수소는 분자 간의 상호작용이 매우 약해 실제 사용을 위한 대용량 저장은 어려운 상황이다. 같은 부피에 압력을 700기압까지 크게 높여주거나 온도를 –253도까지 낮춰 대용량 저장이 가능하나 이 과정에서 에너지 사용이 크기 때문에 효율이 충분하진 않았다.

연구팀은 이미 수소를 함유한 고체 수소화붕소((BH4)2)와 금속 양이온 마그네슘(Mg+)으로 나노다공성 복합 수소화물인 수소화붕소마그네슘을 만들었다. 개발된 소재 안에 저장된 수소는 5개의 수소 분자가 입체적으로 정렬된 형태로 저장되고 있음을 확인했다. 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 것이다.

보고된 소재는 기공의 부피당 144g/L의 수소를 저장할 수 있다. 기체의 수소 분자를 액체 상태로 저장하는 방식(밀도 70.8g/L)보다 2배 이상 높다. 수소 분자가 단단한 고체 상태(밀도 86g/L)보다 높은 밀도로 존재하는 것이다.

또한 연구팀은 많은 양의 수소가 기공 안에 어떻게 존재할 수 있는지에 대해 다양한 분석기법(중성자 산란법, 극저온 부피측정법, DFT계산 등)을 활용해 정확한 분자 위치 등을 밝혔다.

이번 연구는 상온에서 수소를 효율적으로 저장할 수 있는 새로운 방법을 제안했다는데 의의가 있다. 또한 수소 분자를 밀집하게 저장할 수 있는 특별한 구조를 이용해, 기존 방법들이 직면한 저장 밀도와 안전성의 문제를 해결할 수 있다는 점을 보여주고 있다

오현철 교수는 “수소 연료를 이용한 대중교통 수단의 활용에 있어 중요한 도전 과제인 수소저장 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “현재 기술로는 달성하기 어려운 용적 기준의 저장 밀도를 향상시켰고, 수소 에너지 사용의 효율성과 경제성을 높일 수 있는 중요한 발전”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 화학 분야 세계적 권위의 국제학술지인 네이처 화학(Nature Chemistry)에 2월6일 온라인 게재됐다.