교육과학기술부는 ‘21세기 프론티어 수소사업단’의 숭실대 김자헌 교수팀이 분자 골격간의 변환을 자유롭게 조절할 수 있는 새로운 개념의 수소저장 물질을 개발했다고 밝혔다.

수소는 미래 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 청정에너지원으로 한국을 비롯해 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 각국 연구진은 수소를 수소연료자동차 등에 이용하기 위해 충분한 양의 수소를 작고 가벼운 저장물질에 담을 수 있는 기술을 연구해왔다. 

현재 수소를 고압으로 압축해 저장하는 방식이 주류를 이루고 있는데, 저장용기의 부피를 줄이는 동시에 낮은 압력에서도 안전하고도 효율적으로 수소를 저장하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

이러한 낮은 압력 저장방법의 하나로 현재 주목받고 있는 방식은 MOF와 같은 나노다공성 물질에 수소를 저장하는 것이다.

MOF는 금속 이온과 유기 분자들의 규칙적인 배열로 이루어져 있으며, 결정 내에 다양한 크기의 기공을 갖고 있어 수소 저장에 유리하다. 김자헌 교수팀은 MOF 이중 골격을 제작해 수소가 흡착할 수 있는 표면적을 증가시키고, 불필요한 기공 부피를 줄여 저장 효율을 증가시키는 연구를 중점 수행해왔다.

▲ MOF 결정구조와 그 변환.  ⓒ교육과학기술부

이번 연구에서 김 교수팀은 단일골격의 MOF를 섭씨 300도에서 가열해 두 개의 단일 골격이 서로 엮여 있는 이중골격 구조를 만들었다. 

가열하는 온도와 용매의 공급 조절에 따라 금속이온과 용매분자의 결합구조가 변화해 다양한 형태의 구조체가 형성됐고, 각각의 구조체는 고유한 기체 흡착 특성을 지니고 있어 이 성질을 이용하면 한 가지 MOF에서 다양한 종류의 기체저장 물질을 생성할 수 있음을 보여줬다.

김 교수는 “이번 연구를 통해 수소와의 상호작용력을 조절할 수 있는 새로운 형태의 MOF의 개발이 가능하며, 수소를 포함한 여러 기체 저장 및 분리에 광범위하게 응용할 수 있다” 고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구결과는 화학분야의 세계적인 권위지인 독일화학회의 ‘안게반트 케미’(Angewandte Chemie)에 7월 17일 게재, 중요 논문으로 선정됐다.