포스텍 홍석봉 교수팀, 나노다공성 소재합성 성공

수소·헬륨 상온서 선택적 분리 가능…연구논문 세계 권위화학학술지 게재

포스텍 연구팀이 수소를 상온에서 선택적으로 빠르게 분리할 수 있는 나노다공성 소재를 합성하는데 성공했다.

포스텍 화학공학과 홍석봉 교수팀은 포타슘(칼륨) 양이온과 갈륨을 이용해 지금까지 보고되지 않았던 새로운 조성의 분자체를 합성했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 이 소재를 포항가속기연구소에서 X-선 회절 데이터로 분석한 결과 그 내부에 2.0옹스트롬(Å·1Å는 100억분의 1m)보다 작은 크기의 균일한 세공(細孔)이 존재하는 것을 확인했다.

어느 부분에서나 구조가 동일하고 세공의 크기나 모양이 모두 같은 결정, 즉 제올라이트형의 이 분자체는 'PST-1(포스텍 1번)'로 명명됐다.

특히 연구팀은 수소(분자크기 2.89Å)보다 약간 큰 이산화탄소(3.30Å) 또는 아르곤(3.40Å) 혼합가스의 분리 실험을 통해 PST-1이 수소를 상온에서 선택적으로 빠르게 분리할 수 있음을 밝혀냈다. 이번 연구결과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 '앙게반테 케미'지 지난달 31일자 온라인판에 화제논문으로 게재됐다.

연구팀은 PST-1 제올라이트의 가스분리 특성을 연구한 결과 아르곤이나 이산화탄소와 같은 크기가 큰 기체 분자들은 흡착하지 않으나 그 구조가 매우 유연해 가장 작은 기체분자들, 특히 수소 기체만을 선택적으로 흡착하는 성질을 밝혀냈다.

제올라이트의 중요한 성질 중 하나는 세공 입구보다 큰 기체는 세공에 들어갈 수가 없어 흡착되지 않는다는 점이라고 연구팀은 설명했다.

이번 연구가 국제적으로 주목받게 된 배경에는 PST-1 제올라이트가 매우 낮은 온도(60℃)에서도 쉽게 물이 빠져나가며 800℃ 이상의 고온에서도 그 구조를 안정적으로 유지할 수 있어 수소나 헬륨 같은 작은 기체분자들에 대한 선택적 분리소재로 적용될 수 있는 가능성을 세계 최초로 제시했기 때문이다.

또 PST-1 제올라이트는 대표적 온실가스인 이산화탄소의 보다 효율적인 분리에도 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

홍 교수는 "현재 사용되고 있는 수소 분리 공정은 300℃ 이상의 고온을 필요하거나 수소 외의 불순물을 제거하는 방식이기 때문에 PST-1 제올라이트의 합성으로 보다 경제적이며 선택적인 고순도 수소 제조 공정 개발이 가능할 것"이라고 말했다.

포항·이상원기자 seagull@msnet.co.kr