고온에서 중수소를 효율적으로 분리하기 위한 새로운 소재

120K의 온도에서 수소(H2)로부터 중수(D2)를 분리할 수 있는 새로운 다공성 물질이 소개되었습니다. 주목할 점은 이 온도가 천연가스의 액화점을 넘어서서 대규모 산업 응용이 용이해진다는 것입니다.

이 발전은 액화천연가스(LNG) 생산 파이프라인의 기존 인프라를 활용하여 D2를 경제적으로 생산할 수 있는 매력적인 경로를 제시 합니다. 울산과학기술원(UNIST), 베를린 헬름홀츠센터, 하인츠 마이어 라이프니츠센터(MLZ), 숭실대학교가 수행한 연구가 Nature Communications 에 게재되었습니다.

수소의 안정 동위 원소인 중수소는 반도체와 디스플레이 장치의 내구성과 발광 효율을 높이는 데 중요한 역할을 하며, 에너지 생산에서 핵융합 연료로 사용됩니다. 그러나 D2에 대한 수요가 증가함에 따라 생산에 어려움이 발생하는데, 이는 주로 20K(-253°C)와 같이 낮은 온도에서 수행되는 극저온 증류 공정을 통해 수소에서 분리해야 하기 때문입니다. 연구에서는 D2 분리를 위해 금속 유기 골격(MOF)을 사용하는 방법을 탐구했지만, 고온에서는 효율성이 크게 떨어집니다.

이 연구에서 연구팀은 120K(-153℃)에서도 뛰어난 D2 분리 성능을 보이는 구리 기반 제올라이트 이미다졸레이트 프레임워크(Cu-ZIF-gis)를 제시했습니다. 일반적인 MOF는 약 23K(-250℃)에서 효과적으로 작동하지만 온도가 77K(-196℃)에 가까워지면 성능이 급격히 감소합니다. 그러나 새로 개발된 Cu 기반 MOF는 더 높은 온도에서도 효과를 유지하는 데 상당한 이점을 보여줍니다.

연구팀은 이 소재의 우수한 성능이 온도가 상승함에 따라 격자가 더 크게 확장되기 때문이라는 것을 처음으로 확인했습니다.

극저온에서 개발된 MOF의 기공은 H2 분자보다 작아서 H2 분자의 통과를 방해합니다. 그러나 온도가 상승함에 따라 격자가 확장되어 기공 크기가 증가합니다. 이러한 확장은 기공을 통한 가스의 통과를 용이하게 하여 양자 체질 효과를 통해 H2와 D2를 분리할 수 있게 하며, 더 무거운 분자는 더 낮은 온도에서 기공을 더 효율적으로 통과합니다.

UNIST, HZB, MLZ의 공동 연구팀이 프랑스 그르노블의 Institut Laue-Langevin(ILL)에서 수행한 확인적 현장 X-선 회절(XRD) 및 준탄성 중성자 산란(QENS) 실험은 온도가 증가함에 따라 격자 구조가 확장되고, 고온에서도 동위 원소 확산도 차이가 있음을 확인했습니다. 또한, 열 탈착 분광법(TDS) 실험의 분석은 고온에서 안정적인 D2 분리를 나타냈습니다.

오 교수는 "보고된 물질은 극히 낮은 온도에서 작동하는 대부분의 기존 방법에 비해 현저히 낮은 에너지 소비와 향상된 분리 효율을 보인다"고 말했습니다. 박지태 박사는 "이러한 발견은 기존 LNG 극저온 인프라를 사용하여 지속 가능한 동위원소 분리 기술을 개발하는 데 적용될 수 있으며, 잠재적인 산업적 영향을 강조합니다."라고 덧붙였습니다.

마가리타 루시나 박사는 이 연구에서 QENS의 중요한 역할을 강조하며, "QENS를 사용하면 MOF에서 H2와 D2의 분자 운동을 직접 조사하여 확산 거동과 다공성 재료와의 상호 작용에 대한 핵심적인 통찰력을 얻을 수 있습니다. H₂에 비해 D2의 더 강한 구속이 관찰되었는데, 이는 엄격히 나노스케일 현상으로 거시적 특성에 놀라운 효과를 미치며, 더 효율적인 동위원소 분리를 위한 차세대 재료 개발의 기반을 형성합니다."라고 말했습니다.

UNIST 화학과 오현철 교수, 숭실대 김자헌 교수, 뮌헨 공과대학(TUM) 하인츠 마이어 라이프니츠 센터(MLZ)의 박지태 박사, 독일 베를린 헬름홀츠 베를린 재료 및 에너지 센터(HZB)의 마가리타 루시나 박사가 공동으로 이끄는 연구팀은 2025년 3월 19일에 이 같은 진전을 발표했습니다. 이 연구에는 공동 제1저자로 참여한 UNIST 화학과의 정민지, 박재우, 라에쉬 무하마드도 참여했습니다.

이 연구의 결과는 2025년 2월 27일에 Nature Communications 에 게재되었습니다. 이 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부(MSIT), 프랑스 그르노블의 라우에-랑주뱅 연구소(ILL)의 빔 시간 할당을 위한 지원으로 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250319143249.htm