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국내연구팀이 수소를 직접 분리하는 나노다공성 소재의 합성에 성공했다.
10일 교육과학기술부(장관 안병만)에 따르면 포항공대 환경공학부/화학공학과 홍석봉 교수팀은 새로운 조성의 극미세공을 갖는 제올라이트 분자체를 합성, 수소보다 약간 큰 이산화탄소 또는 알곤 같은 혼합가스의 분리 실험을 통해 PST-1이 수소를 상온에서 선택적으로 빠르게 분리할 수 있음을 발견했다.
이번 연구 결과는 화학분야에서 세계 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미 (Angewandte Chemie)'지 7월 31일자 온라인판에 화제의 논문(Hot paper)으로 게재됐다.
경제적인 고순도 수소 제조 가능
연구팀은 포타슘 양이온과 갈륨을 이용해 지금까지 전혀 보고되지 않았던 새로운 조성의 PST-1 제올라이트를 합성, 포항가속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터 분석을 통해 그 내부에 2.0Å 보다 작은 크기의 균일한 세공이 존재함을 확인하였으며, 이 제올라이트의 가스 분리 특성을 연구한 결과, 아르곤이나 이산화탄소처럼 크기가 큰 기체분자들은 흡착하지 않으나, 그 구조가 매우 유연해 가장 작은 기체분자들, 특히 수소기체만을 선택적으로 흡착하는 성질을 밝혀냈다.
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이번 연구가 국제적으로 주목받은 이유는 PST-1 제올라이트가 매우 낮은 온도(60℃)에서도 쉽게 물이 빠져나가며, 800℃ 이상의 고온에서도 그 구조를 안정적으로 유지할 수 있어 세계 최초로 수소나 헬륨 같은 작은 기체분자들에 대한 선택적 분리소재로 적용될 수 있는 가능성을 제시했기 때문이다. 또한 PST-1 제올라이트는 대표적 온실가스인 이산화탄소의 보다 효율적인 분리에도 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
홍 교수는 “현재 사용되고 있는 수소 분리 공정은 300℃ 이상의 고온을 필요하거나 수소 외의 불순물을 제거하는 방식이기 때문에 PST-1 제올라이트의 합성으로 보다 경제적이며 선택적인 고순도 수소 제조 공정 개발이 가능할 것”라고 밝혔다.
국제 특허 준비 중
이에 홍 교수는 PST-1 제올라이트의 혁신적 분리 특성을 이용한 고순도 수소 제조 및 이산화탄소 분리 공정의 개발이 환경 및 에너지 분야의 핵심적인 기술이 될 것을 고려해 현재 국제 특허를 준비 중에 있다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 도약연구사업(구 국가지정연구실사업)과 21세기 프론티어 연구개발사업의 일환인 ’이산화탄소저감 및 처리기술개발사업단‘의 지원을 받아 진행됐다.
10일 교육과학기술부(장관 안병만)에 따르면 포항공대 환경공학부/화학공학과 홍석봉 교수팀은 새로운 조성의 극미세공을 갖는 제올라이트 분자체를 합성, 수소보다 약간 큰 이산화탄소 또는 알곤 같은 혼합가스의 분리 실험을 통해 PST-1이 수소를 상온에서 선택적으로 빠르게 분리할 수 있음을 발견했다.
이번 연구 결과는 화학분야에서 세계 최고 권위의 학술지인 '앙게반테 케미 (Angewandte Chemie)'지 7월 31일자 온라인판에 화제의 논문(Hot paper)으로 게재됐다.
경제적인 고순도 수소 제조 가능
연구팀은 포타슘 양이온과 갈륨을 이용해 지금까지 전혀 보고되지 않았던 새로운 조성의 PST-1 제올라이트를 합성, 포항가속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터 분석을 통해 그 내부에 2.0Å 보다 작은 크기의 균일한 세공이 존재함을 확인하였으며, 이 제올라이트의 가스 분리 특성을 연구한 결과, 아르곤이나 이산화탄소처럼 크기가 큰 기체분자들은 흡착하지 않으나, 그 구조가 매우 유연해 가장 작은 기체분자들, 특히 수소기체만을 선택적으로 흡착하는 성질을 밝혀냈다.
이번 연구가 국제적으로 주목받은 이유는 PST-1 제올라이트가 매우 낮은 온도(60℃)에서도 쉽게 물이 빠져나가며, 800℃ 이상의 고온에서도 그 구조를 안정적으로 유지할 수 있어 세계 최초로 수소나 헬륨 같은 작은 기체분자들에 대한 선택적 분리소재로 적용될 수 있는 가능성을 제시했기 때문이다. 또한 PST-1 제올라이트는 대표적 온실가스인 이산화탄소의 보다 효율적인 분리에도 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
홍 교수는 “현재 사용되고 있는 수소 분리 공정은 300℃ 이상의 고온을 필요하거나 수소 외의 불순물을 제거하는 방식이기 때문에 PST-1 제올라이트의 합성으로 보다 경제적이며 선택적인 고순도 수소 제조 공정 개발이 가능할 것”라고 밝혔다.
국제 특허 준비 중
이에 홍 교수는 PST-1 제올라이트의 혁신적 분리 특성을 이용한 고순도 수소 제조 및 이산화탄소 분리 공정의 개발이 환경 및 에너지 분야의 핵심적인 기술이 될 것을 고려해 현재 국제 특허를 준비 중에 있다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 도약연구사업(구 국가지정연구실사업)과 21세기 프론티어 연구개발사업의 일환인 ’이산화탄소저감 및 처리기술개발사업단‘의 지원을 받아 진행됐다.
| 제올라이트의 흡착제로서의 응용 제올라이트는 어느 부분에서나 구조가 동일하고 세공의 크기나 모양이 모두 같은 결정이다. 제올라이트의 중요한 성질 중 하나는 세공 입구보다 큰 기체는 세공에 들어갈 수가 없어 흡착되지 않는다는 점이다. 기체는 종류에 따라 분자 크기가 다르고 제올라이트 역시 종류에 따라 세공 입구의 크기가 달라서 제올라이트를 잘 선택하면 기체 혼합물을 분자 크기에 따라 나눌 수 있다. 이러한 분자체 효과는 제올라이트가 결정성 물질이며 세공 크기가 분자 크기와 비슷하기에 나타나는 고유 성질로서 분리 정제 분야에서 널리 활용되고 있다. 수소의 분리 공정 대표적인 수소의 분리∙정제 공정에는 압력순환흡착공정(Pressure Swing Adsorption, PSA)과 막 분리공정이 있다. 압력순환흡착공정은 흡착제로 채워진 흡착탑을 원료기체가 고압상태로 통과하면서 선택도가 높은 성분들을 우선 흡착시켜 제거하고 원하는 생성물인 선택도가 낮은 성분들은 흡착탑 밖으로 배출시킨다. 그러나 이 공정은 평형 반응이 800°C 정도의 고온에서 이루어지며, 장치 자체의 복잡화∙대형화와 함께, 처리 공정 및 기기 수가 많아지는 것 외에, 설비비도 고액이고 장치 유지 보수에도 어려움이 있다. 또한, 고순도의 수소가 얻어지지 않아 충분한 보급이 이루어지지 않았다. 막 분리 공정은 현재 실용화되고 있는 공정으로 대부분이 수소 투과성 금속막인 Pd-Ag 합금막을 통하여 수소의 분리∙정제가 이루어지고 있다. 그러나, Pd은 고가이며 자원적으로도 충분하지 않아 그 제약이 있으며 이를 대체할 물질의 개발이 요망되고 있다. |
- 김청한 기자
- chkim@kofac.or.kr
- 저작권자 2009-08-11 ⓒ ScienceTimes
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