기체의 다공성물질 흡착과정 첫 관찰…고효율 저장장치 기대

KAIST 연구진 "금속유기골격체로 고용량 가스저장 물질 제작 가능"

국내 연구진이 수소나 메탄 같은 가스가 수나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 크기의 구멍이 많은 메조다공성 금속물질에 흡착되는 과정을처음으로 규명, 고효율 가스저장장치 개발 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST·총장 강성모) EEWS 대학원 강정구 교수와 오사무 테라사키 교수, 조해성 박사 연구팀은 11일 2∼5㎚ 크기의 구멍이 있는 메조다공성 금속유기골격체(MOF) 안에 기체가 흡착되는 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 밝혔다.

그 결과 기존 학설에서 기체가 구멍 안에 균일한 밀도로 흡착된다고 알려진 것과 달리 기체는 금속유기골격체의 각 기공에 일정하지 않은 다른 밀도로 흡착되고초격자 구조를 형성한다는 사실이 처음으로 밝혀졌다.

이 연구 결과는 국제학술지 '네이처'(Nature. 11월 9일자) 온라인 판에 게재됐다.

메조다공성 금속유기골격체는 내부에 지름 2∼5㎚의 기공이 무수히 많고 구멍의벽 두께가 수옹스트롬(Å=01㎚)에 불과해 내부 표면적이 매우 넓은 물질로 수소나메탄, 이산화탄소 등 가스 저장에 적합하다.

이런 물질로 효율적인 가스 저장장치를 만들려면 물질 내부구조와 기체가 기공에 흡착되는 과정을 이해하는 것이 중요하지만 기존의 일반적인 기체 흡착 측정 장비는 흡착 과정을 직접 관찰할 수 없는 한계가 있었다.

연구진은 관련 연구에 사용돼온 X-선 소각산란(SAXS) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합, 메조다공성 금속유기골격체 결정에 기체가 흡착되는 과정을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.

그 결과 기체는 금속유기골격체의 모든 기공에 균일하게 흡착되지 않고 기공마다 다른 밀도로 흡착되는 것으로 나타났으며 압력이 증가하면서 빠르게 초격자 구조로 변했다가 서서히 균일하게 분포하는 것으로 확인됐다.

이는 모든 기공에 균일하게 기체가 들어간다는 학설을 뒤집는 것으로 이런 현상이 발생하는 것은 메조다공성 금속유기골격체의 기공이 매우 크고 벽이 얇아 다른구멍에 흡착된 기체분자가 벽 너머에 있는 기체분자와도 상호작용하기 때문으로 분석됐다.

연구진은 메조다공성 금속유기골격체를 사용하면 기존 가스 저장물질보다 적은용량으로 더 많은 가스를 저장하는 고효율 저장장치 개발이 가능할 것이라며 이를통해 운송수단이나 가스를 사용하는 기계의 성능을 끌어올릴 수 있을 것으로 기대하고 있다.

조해성 박사는 "단일 기공 내 기체분자뿐 아니라 다른 기공에 있는 기체분자 간에도 상호작용으로 기체 흡착 메커니즘이 발생한다는 것을 새롭게 발견했다"며 "이를 고용량 가스저장물질 디자인에 이용할 수 있을 것"이라고 말했다.

scitech@yna.co.kr(끝)<저 작 권 자(c)연 합 뉴 스. 무 단 전 재-재 배 포 금 지.>