▲ 김자헌교수

1g의 신물질로 축구장 크기의 운동장을 덮을 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.

교육과학기술부 (장관 안병만)는 「21세기 프론티어사업」고효율 수소에너지 제조․저장․이용기술개발사업단(단장 김종원)의 지원을 받은 숭실대 김자헌 교수팀이 미국 캘리포니아대(UCLA) Yaghi (야기) 교수팀과 공동으로 유기분자와 금속 이온을 결합시켜 세계에서 가장 큰 표면적을 갖는 나노다공성 하이브리드 화합물인 MOF (Metal-Organic Framework) 신물질 개발에 성공했다고 밝혔다
이번 연구의 우수성은 Science誌 7월 1일 인터넷판에 소개되어 세계적으로도 입증되었으며, 김 교수팀은 2007년에도 세계 최대 수준의 4.7nm 크기의 공동을 갖는 하이브리드 화합물(MOF)을 합성하는데 성공한 바 있다 

▲ MOF의 결정구조 그림. 파란색 다면체로 표현된 아연 금속이온들을 유기물 리간드가 연결하여 분자 골격을 이루고 있으며, 내부에 구로 표현된 나노기공을 형성한다. 골격표면과 나노기공에 수소나 이산화탄소와 같은 기체를 저장할 수 있다.

이번에 김 교수팀은 비슷한 기공 크기를 유지하면서도, 훨씬 가벼운 소재를 사용하여 적은 양으로 매우 큰 표면적을 구현할 수 있는 합성방법을 신물질 개발에 적용하였다. 

다공성물질이란 내부에 1 ~ 100 nm 크기의 빈 공간을 갖는 물질인데, 특히, 다공성 하이브리드 MOF는 매우 규칙적으로 배열된 균일한 크기와 모양의 기공을 가지고 있어서 촉매나 기체 저장물질로 유용하게 이용될 수 있다

미국, 영국 등 선진국에서는 수소 및 온실 가스 등을 친환경적이며, 경제적으로 분리, 회수, 재사용하는데 다공성 하이브리드 물질과 같은 신물질 개발에 큰 관심을 가지고 활발한 연구를 진행하고 있다. 

김자헌 교수팀이 개발한 나노다공성 MOF는 1g이 1만㎡(100m×100m) 크기의 운동장을 덮을 수 있을 정도의 세계 최대의 표면적을 갖는 기초원천소재이다. 이 값은 기존의 다공성물질 보다 무려 60%나 증가된 것이며, 다공성 물질이 가질 수 있는 최고값에 근사한 것으로 추정되고 있다.

신물질 MOF는 수소 연료 자동차나 가정용 연료전지의 작동에 필수적인 수소 저장 물질 개발과 CO2 저장 기술에 유용할 것으로 보인다.

표면적이 큰 물질은 많은 양의 기체를 저장할 수 있다. 이번에 개발된 물질은 수소를 -196°C, 80기압에서 15중량 퍼센트까지 저장할 수 있어서, 기존의 최대 다공성물질 보다 50% 증가된 저장량을 갖는다.

따라서, 이 물질을 사용하면, 현재 수소저장을 위해 사용 중인 700기압 고압용기에 저장하는 양의 수소를 -196°C에서 1/7의 낮은 압력으로 저장할 수 있어 안전하게 많은 양의 수소를 저장할 수 있다

또한, 이번에 개발된 신물질 1 그램은 이산화탄소를 상온, 50기압에서 2.9 그램이나 저장할 수 있어서, 기존 보다 무려 60% 개선된 물성을 갖는다. 이러한 성질을 이용하면 이산화탄소를 지중 매설하기 전에 지상에서 임시 보관하는 데에 유용하게 사용할 수 있다.

프론티어 수소사업단 김종원 단장은 “다량의 수소를 저장할 수 있는 새로운 재료의 필요성이 대두되는 시점에서 다공성 물질의 표면적 향상은 저장용량의 증대로 이어져 수소뿐만 아니라 이산화탄소의 포획과 같은 생태학적 응용에도 새로운 지평을 열 것”으로 전망했다.

심지현 기자  bodo@emoneynews.co.kr

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