국내 연구진이 팔라듐 수소화물(hydride·수소가 다른 원소와 결합한 화합물)의 존재와 생성원리를 규명하고, 이를 바탕으로 수소, 리튬 등 경량 원소를 함유하는 합금 소재의 새로운 합성 이론을 제시했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 청정신기술연구본부 소속 천동원 박사(교신저자) 연구팀이 기존 학계에 보고되지 않은 새로운 준안정상 팔라듐 수소화물 소재를 개발하고 생성 기전을 규명하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 공동 제1저자는 미국 일리노이대 박사과정에 재학중인 홍재영 씨와 배지환 KIST 전문원이다.

준안정상(metastable phase) 물질이란 열역학적 에너지가 안정상보다 높지만 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지가 커 준안정 상태로 존재하는 물질을 말한다.

대표적인 준안정상 물질은 다이아몬드다. 다이아몬드는 흑연과 같은 탄소로 이뤄져 있지만, 일반적인 대기압과 온도에서 흑연은 안정상, 다이아몬드는 준안정상으로 존재한다. 다이아몬드는 열역학적으로 흑연보다 에너지가 높으므로 안정상이 아니라 엄밀하게는 불안정한 상태지만, 이보다 에너지가 낮아 안정한 상태인 흑연으로 변화하려면 매우 큰 에너지가 필요하다.

연구팀은 준안정상 소재 개발의 이론화를 위해 차세대 수소 에너지 핵심 소재로 주목받는 팔라듐에 주목했다.

이들은 수소가 충분한 수소분위기(수용액 내부에 수소 분자와 수소라디칼이 급격하게 증가하도록 만든 환경)를 조성하고 팔라듐 결정을 성장시켜 새로운 결정 구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물을 직접 합성하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수한 열안정성을 보였고 수소 저장 성능도 2배에 가까운 것으로 확인됐다.

연구팀은 금속 수소화물 합성법의 과학적 근거를 마련하기 위해 2차원 전자현미경 이미지들을 3차원 이미지로 재구성하는 원자분해능 전자토모그래피(Atomic Electron Tomography) 분석법으로 준안정상 수소화물의 구조를 원자수준에서 규명했다.

연구팀은 이를 토대로 학계에 새로운 준안정 소재 개발 패러다임을 제시할 수 있게 됐다고 설명했다.

천 박사는 "실용화를 위해서는 준안정상 대량생산을 위한 새로운 합성시스템 개발이 필수적"이라며 "추가 연구를 통해 수소, 리튬 등을 저장할 수 있는 준안정상 기반 친환경 에너지소재 개발과 함께 새로운 소재 혁신의 전기가 될 수 있도록 노력하겠다"고 말했다.

이번 연구 성과는 '네이처'(Nature) 최신 호에 게재됐다.