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질화티타늄 수소분리막 개발

- 상온서 작동, 은팔라듐 합금막比 50배 높은 수소 투과율

엄태준|2017-10-12
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▲ 홋카이도 연구팀이 개발한 세라믹TiN막, 수소분자는 막 표면에서 흡착괴리한 후 막으로부터 전자를 받아 세라믹안을 투과한다. (출처 : 홋카이도대학) 
일본의 대학교 연구진이 상온에서 작동하는 수소 분리막을 개발했다.

홋카이도대학은 질화티타늄(TiN)으로 만든 나노입자막이 상온에서 실온에서 뛰어난 수소 투과성을 가지는 것을 발견했다고 지난 9월26일 밝혔다.

수소를 분리하는 가장 쉽고 효율적인 방법은 수소만을 선택 투과하는 고체막 이용이다. 니켈, 티타늄, 니오브, 바나듐과 같은 합금은 수소를 대량으로 흡수하는 성질을 가지고 있어 이러한 막의 한쪽에 수소를 포함하는 고압 공정가스를 채우고 반대편에 압력을 낮추면 수소를 분리할 수 있다.

하지만 이와 같은 방법으로 수소를 분리하게 되면 합금을 투과한 수소가 합금금속에 침투해 금속사이의 결합을 끊고 수소취성을 일으켜 합금이 부식되어 결과적으로는 투과막의 장시간 이용이 어려워진다.

팔라듐합금은 유일하게 수소취성을 일으키지 않는 금속이지만 희귀금속이라는 단점으로 대규모 응용이 힘들었다. 이 때문에 새로운 원리의 수소 투과막 소재가 모색되고 있었다.

이에 홋카이도 연구팀은 질화티타늄(TiN)에 주목했다. 구조 세라믹 소재로 널리 알려진 질화티타늄은 금속 드릴이나 칼 등의 초경 코팅 및 반도체 장치의 전극에 사용되고 있다.

TiN의 일함수는 비교적 작은편이다. 그 입자 표면에 흡착된 수소는 TiN에서 전자를 받아 수소 음이온이 된다. 그리고 TiN 입자 표면에 인접한 Ti 사이 쉽게 이동하게 된다.

연구진은 TiN 입자로 이루어진 막 두께를 200nm까지 얇게 하는데 성공했으며 두께 5마이크로미터 은팔라듐 합금막보다 실온에서 50배 높은 수소 투과 속도를 실현 데 성공했다.

연구진은 “이번 성과는 향후 각종 화학공정에서 혼합가스에서 수소를 상온에서 분리하게 하는것을 돕는다”며 “가정용 또는 자동차용 연료전지에 고순도 수소 분리 공급을 가능하게 할 것”이라 밝혔다.

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