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액화수소를 장기간 저장하거나 운송할 때 외부 열 유입으로 수소가 기화해 날아가는 손실을 획기적으로 줄이는 기술이 개발됐다. 다공성 신소재를 탱크 내부에 채워 저장 용량 감소를 최소화하면서도 보관 기간을 3배 이상 늘릴 수 있는 것으로 나타났다. 울산과학기술원(UNIST) 화학과 오현철 교수 연구팀은 이화여대 문회리 교수, 독일 뮌헨공대 박지태 박사팀과 공동으로 금속유기골격체(MOF)를 활용해 액화수소의 증발 손실을 억제하는 기술을 규명했다고 29일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다. 수소는 영하 253도의 극저온 액체로 만들면 부피를 크게 줄여 대량 수송할 수 있다. 하지만 저장 탱크 내부로 스며드는 열 때문에 액화수소가 기체로 증발하고, 탱크 내 압력이 상승하면서 수소를 외부로 방출해야 하는 손실 문제가 뒤따랐다. 이를 막기 위해 나노 기공을 가진 다공성 소재를 넣는 방안이 거론됐으나, 소재 자체가 공간을 차지해 전체 수소 저장량이 줄어드는 한계가 있었다 바다신2 . 연구팀은 초미세 기공이 들어찬 MOF 소재를 활용해 이 같은 상충 관계를 극복했다. 연구팀은 기공 부피가 크고 단단한 구조의 ‘IRMOF-20’과 수소 흡착 시 구조가 유연하게 변하는 ‘MIL-53’ 두 종을 비교 분석했다. 모의실험 결과 IRMOF-20을 적용한 가상 탱크의 수소 저장 용량은 소재가 없는 빈 탱크 대비 약 97%(96.6%) 수준을 유지했다. 반면 약 56.6㎥ 규모 운송용 진공 단열 탱크 기준 수소가 증발해 완전히 소진되기까지 걸리는 시간은 기존 64일에서 221일로 3배 이상 길어졌다. 단열 성능이 다소 떨어지는 저진공 조건에서도 소진 시간이 7일에서 22일로 3배 이상 늘어났다. 소재가 탱크 공간을 차지함에도 저장량이 거의 줄지 않은 것은 수소가 기공 안에서 액체 상태보다 더 촘촘하게 결합하기 때문이다. 연구팀이 추산한 기공 내부 수소 밀도는 약 82g/L로 일반 액화수소보다 높았다. 바다신게임 중성자 산란 실험에서도 기공 내 수소의 회전 운동이 제한되는 현상이 확인돼 수소가 조밀하게 모여 있다는 해석을 뒷받침했다. 아울러 벽면에 붙은 수소가 떨어져 나올 때 외부에서 유입된 열을 흡수하면서 온도와 압력 상승을 지연시키는 완충 효과도 입증됐다. 함께 실험한 MIL-53은 저장 용량이 약 53% 수준으로 줄었으나, 수소를 더 높은 온도까지 안정적으로 붙잡아 두는 특성을 보였다. 오현철 교수는 “기공의 부피와 수소를 조밀하게 담는 능력, 흡착된 수소가 방출되는 특성을 함께 고려하면 다공성 소재를 넣어도 저장량을 거의 유지하면서 운송 중 증발 손실을 줄일 수 있음을 보여줬다”고 설명했다. 오 교수는 “다만 소재가 낼 수 있는 이론적 최대 성능을 기준으로 계산한 결과인 만큼 실제 탱크에서도 이런 효과가 나타나는지 추가 실증이 필요하다”고 덧붙였다. 이번 연구에는 UNIST 박재우 연구원이 제1저자로 참여했으며 프랑스 라우에-랑주뱅 연구소와 독일 헬름홀츠 베를린 연구소가 함께했다. 과학기술정보통신부와 교육부의 국가연구소(NRL 2.0) 사업 및 한국연구재단 BrainLink 사업 지원을 받았다. 25f;font-f