연세대 김대우 교수팀, 수소 정제를 위한 차세대 고성능 분리막 개발

연세대 화공생명공학과 김대우 교수. 사진 연세대 *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]허서우 인턴 기자 = 연세대는 화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 최고 성능의 수소/이산화탄소 분리용 금속유기골격체 기반 분리막을 개발함으로써 블루수소 기반 연구 및 원천기술 확보에 기여할 수 있는 기술을 구현했다고 13일 밝혔다.

연구팀은 탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS) 개발에 기여할 수 있는 고성능 수소 분리막을 개발했다. 개발한 분리막은 가압 시 수소만을 선택적으로 투과할 수 있어, 기존 흡수, 흡착 등의 방법과 달리 에너지를 절감하고 시설 비용을 효과적으로 감축할 수 있다.

연구팀은 고성능 분리막 제작을 위해 암스트롱(Å) 단위의 정밀한 기공 제어를 통해 금속유기골격체 기반 단일 분리막을 구현했다. 여기서 사용한 금속유기골격체는 ZIF-8이라는 물질이며, 이론적으로는 3.4 암스트롱의 기공을 가지고 있지만, 실질적으로 4.0 암스트롱의 크기로 늘어난다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 ZIF-8 기공을 이루는 분자들이 자유롭게 움직일 수 있어, 가스가 투과할 때 문이 열리듯이 분자들이 움직이기 때문이다(Gate-opening effect, 기공열림현상). 하지만 이러한 기존 기공 크기로는 고순도 수소(2.9 Å)와 이산화탄소(3.4 Å)의 분리가 불가능하기 때문에 ZIF-8 기공 제어가 필요하다.

이에 연구팀은 탄소 소재 중 하나인 그래핀 나노리본 물질을 사용해 기공 제어를 시도했다. 그래핀 나노리본은 탄소나노튜브에서 산화를 통해 만들어지는 물질이다. 그래핀 나노리본을 도입해 기공에 존재하는 분자들의 움직임을 억제해 이론적인 기공 사이즈를 가지는 금속유기골격체 기반 분리막을 개발했다.

연세대 김대우 교수는 "이번 연구를 통해 금속유기골격체의 기공 사이즈를 조절할 수 있는 원천기술을 확보했고, 향후 다양한 소재로 확장해 목표화하는 가스에 따라 금속유기골격체의 기공 사이즈를 조절할 수 있을 것으로 기대된다"고 전했다.


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