청정에너지 수소 저장의 새 패러다임…초고효율 다공성 구조체 개발

- 탄소·실리콘 기반 혁신적 PAF 구조체 설계해 수소 저장 효율 극대화

우수한 수소 저장 용량을 가지는 다공성 방향족 구조체에 대한 분자 모델. (자료제공: 부산대)

부산대학교(총장 최재원)는 응용화학공학부 정용철 교수 연구팀으로 구성된 국내 연구진이 청정에너지인 수소의 고효율 저장을 위한 신소재 설계 방안을 제시하고, 수소 저장을 위해 탄소 및 실리콘에 기반한 새로운 유형의 다공성 방향족 구조체(PAF)를 개발했다고 9월 20일 밝혔다. 

세계적인 화두로 떠오르고 있는 탄소중립 사회로의 전환에서 수소는 유용한 재생 가능 에너지원으로, 이를 위한 수소 저장 기술이 매우 중요하게 다뤄지고 있다. 이 중 다공성 소재를 활용한 ‘흡착 기반 저장법’은 효율적인 수소 저장 솔루션을 제공해 탱크 압력을 제어 가능한 수준으로 낮추고, 현재의 에너지 집약적이고 비용이 많이 드는 기술 인프라를 대체할 수 있어 주목받고 있다. 

이번 연구에서 다룬 ‘다공성 방향족 구조체(PAF)’란, 작은 구멍(기공)이 많은 튼튼한 탄소 구조체다. 이 물질은 탄소 원자들이 방향족(芳香族) 화합물이라는 독특한 방식으로 결합돼 만들어지는데, 방향족 화합물이 탄소 원자가 고리 모양으로 배열된 안정된 구조를 갖고 있어 나노공학·재료과학 등 다양한 분야에서 유용하게 쓰인다.

개발한 PAF는 삼각형 각형 단량체를 이용한 Yamamoto C─C 결합 반응을 통해 합성됐으며, C-PAF는 3.93㎤/g와 4,857㎡/g의 큰 기공 부피와 BET 면적(기체 흡착을 통해 측정한 고체 물질의 비표면적)을, Si-PAF는 3.80㎤/g와 6,099㎡/g의 우수한 소재 특성을 보였다. 

특히 Si-PAF는 압력-온도 스윙 흡착 조건(77K, 100bar → 160K, 5bar)에서 우수한 17.01wt%의 중량 기반 수소 전달 능력과 46.5g/L의 우수한 부피 용량을 보여, 기존의 수소 저장 재료의 성능을 능가했다. 또한 고온·고압 조건에서도 뛰어난 구조적 안정성과 장기 내구성을 가진 것으로 나타났다.

연구팀은 분자 시뮬레이션 방법을 사용해 다양한 PAF 모델을 모델링하고 계산된 구조 및 흡착 특성을 실험 결과와 비교함으로써, 실제 실험에서 합성된 구조의 우수한 특성의 기원을 설명하고자 했다. 연구 결과, C-PAF와 Si-PAF는 여러 가지 망 구성을 가진 단위 셀이 포함되어 있는 것을 분자모델링을 통해 파악할 수 있었으며, 이를 바탕으로 실험결과에 대해 분자/원자 스케일에서의 해석이 가능할 수 있었다.

특히, 연구진은 대규모 전산 계산을 통해 기존에 보고된 소재들보다 이번 연구를 통해 합성된 PAF의 수소 저장 성능이 뛰어남을 입증했고 이러한 소재가 실제 응용에서 큰 잠재력을 갖고 있음을 보였다.

왼쪽부터 정용철 교수, 첸유 석박사통합과정생. (자료제공: 부산대)

이번 연구는 한국연구재단 미래수소원천기술개발사업의 지원과 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터 계산자원 지원으로 이뤄졌다. 부산대 응용화학공학부 정용철 교수가 교신저자, 첸유 석박사통합과정생이 공동 제1저자로, 고려대 화학과 홍창섭(교신저자) 교수 연구팀과 계산/실험 공동연구를 수행했다.

첸유 연구원은 “실험과 시뮬레이션을 결합한 연구 방법을 통해 실험으로 측정된 결과에 대해 한 단계 더 발전된 해석을 할수 있었으며, 두 가지 방법론을 함께 사용해 실험에서 관찰할 수 없는 특성을 더 잘 설명하고, 시뮬레이션 결과를 입증할 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 4월 23일 자에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]