▲ 수소와 소재

용도에 최적화된 맞춤형 소재를 개발하기는 어렵지만, 일단 성공하면 그 효과는 대단히 크다. 사실 소재 분야의 경쟁력 확보는 전체 사업의 성패를 좌우할 정도로 중요한 것임에도 용도에 적합한 소재 개발은 많은 시간과 돈을 필요로 하므로 섣불리 시작하기도 어렵다.

특히 환경 및 에너지 문제 해결에 적합한 소재가 그러하다. 아직도 소재에서는 해외의존도가 커서 애써 돈벌어 남의 주머니를 채워주는 일이 한둘이 아니다.

요즈음 화두가 된 화석연료고갈과 지구온난화문제의 유력한 해결책으로 선진국을 중심으로 수소에너지 분야 연구개발에 큰 노력을 기울여 왔지만 수소의 생산과 저장 및 이용에 이르기까지 각 분야에 기술적인 장벽은 여전히 존재하며, 대부분 소재와 직결되어 있다. 우리가 가진 핵심 역량을 활용하여 장기적이고 일관성 있는 연구개발을 지속하는 이유이다.

대표적인 예로 고체수소저장소재에 대하여 언급하고자 한다. 통상 수소연료전지자동차의 경우, 기존 자동차와 대등한 주행거리 및 탑승자와 화물을 위한 공간을 감안하여 시스템무게당 또는 시스템부피당 수소저장량, 충전시간과 최소한 요구되는 수소방출속도 등의 기술 목표를 세워두고 있다.

아직 현재의 수준은 궁극적인 목표와 차이가 크며 이것마저도 고압저장 또는 액체저장을 제외하고는 차량용 시스템으로서 실증된 사례가 적어, 수소저장 분야의 혁신적 소재 개발을 위해 지금도 세계 각국에서 착화합물, 흡착제와 화합물 등 다양한 재료를 찾아 경쟁적으로 연구하고 있다.

▲  고체수소저장소재의 이해

고체수소저장은 저장 메커니즘 측면에서 크게 흡착(adsorption), 흡장(absorption) 및 화학반응 (chemical reaction)을 이용한다. 흡착은 물질의 표면에 물리적(물리흡착) 혹은 화학적(화학흡착)으로 결합하는 현상이기 때문에 일반적으로 물질 자체의 변화는 없어 이상적인 방법이다. 비표면적이 넓은 나노구조체나 활성탄에 수소를 흡착한다면, 단위 무게당 많은 수소를 저장할 수 있고, 가역적인 수소 흡탈착이 가능할 것으로 예상하는 것은 당연하다.

하지만, 수소는 이원자 분자 중에서 제일 작고, 결합길이도 0.7Å에 불과하며, 가지고 있는 전자도 2개에 불과하다. 기화되는 온도는 -253℃이어서 질소보다도 58℃ 정도 더 낮다. 다른 기체와는 달리 흡착을 통하여 미세 다공성 물질 안에 가두기가 쉽지 않을 것이란 뜻이다.흡장은 일부 금속이나 합금과 같이 수소를 흡수해서 수소화물 형태를 만드는 경우에 해당된다.

금속수소화물과 금속착수소화물이 있는데 후자는 금속이 수소를 흡수하여 이온이나 공유결합 화합물로 변한다는 점이 다르다. 원자와 수소의 화학결합으로 보면, 종래에는 수소저장재료로서의 수소저장합금은 침입형 즉, 물질의 결정격자 내부로 수소가 침입함에 따라 수소를 저장하는 경우만을 고려했다 할 수 있다. 금속착수소화물은 금속수소화물과는 달리 수소가 착수소화물의 다단분해로 발생된다.

NaAlH4와 같은 알라네이트 수소화물은 일단 분해되어 수소가 발생된 후에는 간단한 반응으로는 재생될 수 없다고 생각되었지만, Ti계 촉매를 첨가하여 가역적인 수소 흡장 방출 가능성이 실증되었다.
화학반응을 이용한 수소저장과정은 물질 그 자체가 별도의 화합물로 변화한다는 특징이 있다.

LiNH2 등의 질소를 함유한 화합물에 의한 수소저장도 Li 질화물과 수소와의 화학반응을 이용한 것이다. 따라서 재순환기술이 이슈가 되고 있다. 대표적인 예가 데칼린/나프탈린계 수소저장기술인데 데칼린의 탈수소화, 나프탈렌 수소화 반응의 쌍으로 이루어진 것이다.

▲  나노구조재료

3차원 골격구조를 가지고 있는 미세 결정체들은 동공(Cavity)으로 구성되어 있는 제올라이트의 물리화학적 특성과 분말이라는 특성을 이용하여 1960년대 초부터 수소저장시스템으로 활용하고자 하는 연구들이 시작됐다. 그러나 이렇다 할 결과를 얻지 못한 채 아직도 기초 연구수준의 보문이 발표되고 있다. 그만큼 어려운 것이 고체수소저장소재인 것이다.

몇 년 전 탄소나노튜브에서의 수소저장량이 매우 크다는 실험 결과가 발표된 이래 많은 연구가 이루어졌지만 재현성이 없어 결국 실험 오류로 귀착되었고 순수한 나노튜브나 나노섬유만으로는 수소저장이 어렵다는 것이 현재의 결론이다. 하지만 각종 유무기 또는 금속과의 하이브리드 형태의 나노구조체 등을 이용한 수소 저장 연구가 활발해지는 계기가 되었다.

최근 관심을 끄는 MOF란 물질은 금속과 유기물로 이루어진 구조체인데 제올라이트와 똑같이 고체 내부에 많은 공간과 세공이 있어 이들 표면에 수소나 다른 분자사 원자가 흡착될 수 있다고 생각된다.
하지만 저온에서는 어느 정도 수소저장이 가능하지만 상온에서는 1% 미만에 불과하며 통상 흡착제로 많이 쓰이는 탄소 소재인 활성탄도 유사한 경향을 보인다. 물론 미립화된 백금을 이용하면 고체 표면에서 수소원자가 확산되는 현상(스필오버 효과)으로 상온에서도 저장량을 늘릴 수 있다고 보고된 바 있다.

아직도 수소를 다량 저장할 수 있는 구조가 어떤 것이며 어떤 방식으로 수소가 저장되는지 조차 명확하지 않아 이론적 계산 및 컴퓨터 모사실험을 통한 재료의 설계 및 선정, 실험적 증명 등을 포함한 노력을 지속하고 있다.

전자 개수가 적은 수소와 가장 효과적인 상호 작용력을 보이는 화학종이나 금속을 찾아 이를 나노구조체에 도입하여 수소저장능력을 개선하고자 하는 것이 연구 추세이다.

▲  합금계 재료

1967년 미국 브룩헤븐연구소의 과학자에 의해 Mg2Cu에 수소를 대량으로 저장할 수 있다는 보고가 있은 이후 수소흡장합금 개발이 활발히 이루어져 왔으며, 니켈 수소전지의 음극 전극재료로 상용화된 사례가 있다.

주기율표상 1~III족의 가벼운 원소인 리튬(Li), 보론(B), 나트륨(Na), 알루미늄(Al)등은 수소와 안정된 이온결합을 하며, NaAlH4, LiAlH4, LiH, NaH 등의 예에서 보듯이 금속원소당 수소원자수가 대부분 2로서 큰 편이다. 하지만 습기나 공기에 매우 불안정하여 공기나 습기는 막고 수소는 방출할 수 있는 기능성 코팅재료를 이용하여 금속수소화물을 보호하고자 하는 연구도 관심을 끌고 있다.

착수소화물은 아직 이론적 수소량과 실제적으로 얻을 수 있는 수소량과의 괴리가 커서 수소흡방출 과정을 좀 더 이해하여 재료의 수소 방출 온도를 낮출 뿐 아니라 적절한 온도와 압력으로 고밀도의 수소 저장이 가능하게 하는 것이 추세이다.

▲  보론 화합물

수소함량이 높은 소재의 대표적인 예로 순수한 LiBH4는 분해되면 13.9%에 해당하는 수소를 발생시킨다. 문제는 이론상 최소한 1기압하에서 온도를 400℃ 이상으로 올려야 가능하다는 데 있다. 만약 MgH2를 넣어 비안정화시킨다면 이론상 11.4% 정도의 수소를 225℃ 정도의 온도에서도 발생시킬 수 있다.

시험적으로는 수소를 9~10% 정도 저장했다가 방출할 수 있다는 가역적인 성질이 증명된 상태이지만 방출 온도가 315℃ 이상의 고온이며 수소 흡방출 속도가 너무 늦다는 문제는 해결하지 못하고 있다.

암모니아 보레인(NH3BH3)은 상온에서 고체이고, 공기나 물속에서도 안정하며 190g/kg(100~140g/ℓ)의 수소저장량을 가지므로 안정성과 수소량만으로 보면 관심을 끌 충분한 이유가 있지만 차량탑재 상태에서는 재생될 수 없다는 점이 단점이다.

어떻게 암모니아 보레인에서 수소를 방출하느냐에 따라 고체상태에서 열적 분해, 용액상태에서 전이금속촉매를 사용하는 방법, 이온성액체를 이용하는 방법, 용액상태로 열적 분해하는 방법, 다공성 구조체에 넣어 나노상태의 암모니아 보레인을 이용하는 방법 등 크게 5가지로 구분되며 어떤 방법이든 고체고분자연료전지의 막을 오염시키는 원인 물질의 발생을 억제해야 함은 물론이다.

▲ 연구 현황과 동향

전 세계적으로 수소이용의 안전성과 편리성을 높이기 위해 수소저장의 신개념과 아이디어를 지속적으로 검토하고 있다.

사업단은 이론탐색으로 수소저장물질로서 거론되는 각 후보 물질에 대한 가능성 여부를 각 연구팀이 분석과 측정을 통해 검증하는 절차를 밟고 있고 또 국내 연구진의 연구결과도 고체수소저장에 관한 논문의 양과 질적인 면에서 세계적인 수준에 근접하고 있다.

아직은 기초적 연구 단계지만 수소저장에 관한 한 아직 역량을 집중할 만한 소재를 세계 어느 누구도 찾아내지 못하였기에 이와 같은 기초 연구가 큰 밑거름이 된다.

개발된 소재의 적용을 위해서는 열역학적 측면과 반응기구 측면 등 검토되어야 할 내용도 많다. 각 부처에서 수행하고 있는 기초연구분야 관계자, 산업체와 관련 사업과의 긴밀한 협조 및 국제적인 협력도 어느 나라에서나 중요한 연구 전략으로 보고 있고 우리도 이에 동조하고 있다.