영하 153℃에서 중수소를 분리하는 물질이 개발됐다. 상용화 분기점으로 여겨지는 천연가스의 액화 온도 ‘영하 162도’를 넘어서는 수치다. 액화천연가스(LNG) 생산 파이프라인을 그대로 활용해 중수소를 경제적으로 생산할 길이 열렸다.
울산과학기술원(UNIST) 화학과 오현철 교수팀은 독일 헬름홀츠 연구소, 숭실대학교 김자헌 교수팀과 공동으로 영하 153℃에서 중수소와 수소를 분리해낼 수 있는 다공성 물질을 개발했다고 20일 밝혔다.
중수소는 차세대 핵융합 발전의 원료이며 최근 반도체 공정분야 등에서 수요가 급증하고 있는 물질이지만, 생산이 까다롭고 비싸다. 일반 수소와 물리 화학적 성질이 비슷한 탓에 영하 253℃의 극저온 증류 공정을 통해 분리 낼 수 있기 때문이다. 최근 금속 유기 골격체(MOF) 라는 다공성 소재의 기공을 이용해 중수소를 분리하려는 연구가 진행되고 있지만, 이 물질도 온도가 올라가면 성능이 떨어지는 한계가 있다.
개발된 구리 기반 MOF는 일반적인 MOF와 달리 영하 153℃에도 중수소 분리 성능을 유지했다. 일반적인 MOF는 영하 250℃에서는 잘 작동하다가 영하 193℃쯤에 도달하면 성능이 급격히 떨어진다.
연구팀은 이 같은 물질의 성능 원인이 온도 증가에 따른 골격 격자 확장이라는 사실을 최초로 밝혀냈다. 개발된 MOF의 기공은 극저온 상태에서는 수소 크기보다 작아 기체가 통과할 수 없지만, 온도가 증가하면 골격 격자가 벌어지면서 기공 크기가 커지는 것이다. 커진 기공으로 기체가 통과하기 시작하고, 양자체 효과에 의해 수소와 중수소가 분리된다. 양자체(Quantum Sieving) 효과는 저온에서 무거운 원소가 기공을 더 빠르게 통과하는 현상이다.
실시간 X-선 회절 실험과 중성자 산란 실험으로 온도가 올라감에 따라 실제 골격이 확장되는 것을 확인했으며, 온도를 높여가며 실시한 열 탈착 분석 결과, 고온에서 중수소가 안정적으로 분리됨을 알 수 있었다.
오현철 교수는 “이번에 개발된 물질은 기존 초극저온 증류법과 비교했을 때 훨씬 낮은 에너지를 소모하면서도 높은 분리 효율을 가졌다”며 “작동 온도가 천연가스 응축 온도 이상이라 기존 액화천연가스(LNG) 생산 시설에 바로 결합해 쓸 수 있다는 점에서 산업적 파급력이 크다”라고 설명했다.
이번 연구는 독일 헬름홀츠연구소 베를린 에너지재료 연구센터(Helmholtz-Zentrum Berlin)의 마가리타 루시나(Margarita Russina) 박사가 공동 교신저자로, UNIST 정민지, 박재우 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지인 네이처커뮤니케이션(Nature Communications) 2월 27일자로 게재됐다.
연구 수행은 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구사업 및 해외대형연구시설활용연구지원사업을 통해 이뤄졌다.
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