한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)이 여러 기체가 섞인 혼합가스에서 수소만 골라낼 수 있는 '원자 크기 그물망'을 개발했다. 수소를 보다 효율적으로 분리·정제할 수 있는 길을 열었다.
KAIST는 배태현 생명화학공학과 교수팀이 고분자 분리막 내에 원자·분자 크기 초미세 수소 이동통로를 만들고, 이 통로가 얼마나 완전하게 연결돼 있는지를 나타내는 '네트워크 완결성'을 통해 수소 분리 성능을 규명했다고 13일 밝혔다.
수소는 분리·정제를 위한 방법 중 하나가 '분리막'으로, 금속유기골격체(MOF)와 공유결합유기골격체(COF) 등 다공성 소재가 주목받아 왔다. 다만 결함 없이 대면적으로 만들기 어렵고, 기체가 지나가는 아주 작은 공간을 원하는 크기로 정밀하게 만드는 것이 쉽지 않았다.
연구팀은 고분자 사슬을 잇는 '가교제'를 이용해 촘촘한 그물망 구조를 만들었다. 이를 이용해 작은 수소가 지나는는 초미세 통로를 고분자 내부에 만든 것이다.
또 고분자 내 연결이 얼마나 완전하게 이뤄졌는지를 나타내는 '가교 연결 완성도'라는 새로운 지표를 제안했다. '매듭이 얼마나 많은가'를 주로 살펴봤다면, 이번에는 '매듭들이 제대로 이어져 하나의 온전한 그물을 만들었는가'를 평가한 것이다.
연구팀이 개발한 분리막(ms-oDMB-DB50)은 가교 연결 완성도가 73%에 달했다. 연구팀은 실제로 분리막 내부에 초미세 공간이 다수 만들어진 것도 확인했다. 또 100시간 동안 연속 운전해도 수소 분리 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지됐다. 잡아당기는 힘에 견디는 정도도 기존 최고 성능 수준 고분자 분리막보다 약 2배 높았다.
이홍주 박사는 “이번 연구는 고분자 내부의 작은 통로가 얼마나 완전하게 연결돼 있는지가 수소 분리 성능을 좌우한다는 사실을 밝힌 것”이라며 “이를 바탕으로 더 정교한 고성능 분리막을 설계할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
배태현 교수는 “레고 블록을 맞추듯 고분자를 촘촘하게 연결해 수소만 빠져나갈 수 있는 초미세 그물망을 만들었다”며 “향후 수소를 보다 효율적으로 분리·정제하는 기술로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 이홍주 박사(현 KIST 박사후연구원)가 제 1저자로, 최수현 연구원이 제 2저자로 참여했으며 배태현 교수가 교신저자로 참여했다. 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
