부경대 홍지상 교수, C2N으로 수소 흡착률 및 안정성 향상
이론적 최대 수소흡착 비율과 흡착에너지 관계.한국연구재단 제공
한국연구재단은 부경대 홍지상 교수팀이 타소와 질소로 이뤄진 2차원 물질 ‘C2N’을 리튬(Li)을 도핑해 수소를 안정적으로 결합하는 이론적 방법을 규명했다고 23일 밝혔다.
수소는 이산화탄소(CO2)의 방출이 없어 화석연료를 대체할 미래 청정에너지로 주목받고 있다. 이에 관련 연구들도 활발히 진행되고 있다.
그러나 폭발의 위험성과 낮은 수소저장 효율, 응용을 위한 높은 온도 등이 상용화에 걸림돌이 됐다.
또한 수소와 관련된 대부분의 연구들은 이론적으로 가능한 최대수소흡착 성능에 관한 것이어서 실재 응용에서 중요한 수소분자 활용률에 대한 연구는 많이 이뤄지지 않은 상황이다.
홍지상 교수팀은 2차원 물질에 착안, 지금까지 드러난 문제점을 해결할 수 있는가에 골몰했다.
연구팀은 본 연구에서 새롭게 합성한 C2N이라는 2차원 물질을 이용했다.
C2N은 빈자리 결함을 가지고 있는 물질로, 수소분자의 흡착효율을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 판단됐다.
연구팀은 C2N에 수소분자 흡착에너지를 증가시키기 위해 Li을 도핑했다.
Li은 수소분자를 흡착시키기 위해 흔히 사용되지만 결합에너지가 크지않아 수소분자가 균일하게 결합되지 않는다는 단점이 있었다.
하지만 Li이 연구팀이 합성한 C2N 박막과 결합하자 그 에너지가 약 3~5 eV(에너지 단위)의 매우 큰 값을 나타냈다. 이러한 큰 결합에너지는 기존 다른 물질에서는 나타나지 않은 현상이다.
자연히 다른 물질에 도핑시 나타나던 리튬의 뭉침현상을 해결할 수 있었다. 리튬 뭉침현상은 도핑된 원자들이 균일하게 분포하지 못하고 어느 한 곳으로 모이는 현상으로, 수소에너지 활용 연구의 큰 난제였다.
연구팀은 이 결과를 바탕으로 수소분자의 흡착효율을 계산하자 최대수소흡착비율이 약 13%로 나타났다. 이는 기존에 발표된 최대 수소저장비율보다 30~40 % 이상의 향상된 값이다.
아울러 저장된 수소를 얼마나 많이 활용할 수 있는지를 나타내는 실제 활용용량값도 약 10%를 보였다.
분자동역학 계산방법으로 실온에서 구조적 안정성에 대한 연구결과, 약간의 구조변형은 있으나 충분히 안정한 구조를 유지한다는 결과도 확인됐다.
연구팀은 이 연구결과에 대해 “수소저장을 위해서는 안정적인 상태 인 고체인 물질을 이용하는 것이 바람직한데 이러한 측면에서 그 가능성을 제시한 것”이라며 의의를 설명했다.
홍지상 교수는 “이 연구는 기존의 수소저장과 관련된 문제점을 해결하면서 안전하게 수소에너지를 저장할 수 있는 이론을 제시한 것이다. 고체상태의 물질로 안정적인 수소 저장 방안을 보여 이론을 검증하기 위한 활발한 연구를 유도할 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구결과는 영국의 에너지 분야 국제 학술지 ‘저널 오브 머티어리얼 케미스트리 A (Journal of Materials Chemistry A)’ 2월 5일자에 게재됐다.
ynwa21@ilyodsc.com