더 깨끗하고 환경친화적인 운송 미래의 꿈은 수소 연료 내부 연소 엔진 자동차들에서 밝게 빛나고 있다. 이런 자동차의 최근 형태는 힘차게 작동하며 청정하게 끝내 연소 부산물로 순수한 물만 발생시킨다.

그러나 이런 자동차가 모든 차고의 중심이 되기 위해 틈새 시장을 어떻게 넘는지에 대한 해답은 폭넓은 이용을 위해 오랫동안 존재하고 있는 기술적이고 사회 기반 시설의 장벽을 얼마나 잘 해결할 수 있는가에 따라 결정될 것이다. 이런 문제들 중 하나는 상대적으로 안전하고 쉽게 채울 수 있으며 수 백 마일을 운반하고 성능의 어떠한 저하없이 계속 연료를 채울 수 있게 해 주는 가솔린 탱크들처럼 어떻게 수소 연료를 저장할 수 있는가이다.

AIP 출판의 저널 어플라이드 피직스 레터스 최근호는 미국과 중국의 연구팀이 이런 해법에 한 발자국 다가섰다고 전했다. 그들은 미래 자동차와 다른 응용들 내 수소 연료를 저장하는데 잠재적으로 이용될 수 있는 하나의 물질 종류인 마그네슘 하이드라이드의 물리학을 설명하고 있다. 인시츄 투과 전자 현미경을 이용하여 연구팀은 나노입자들을 더 좋게 만들기 위해 이 입자들을 어떻게 공학할 수 있는지에 대한 발견된 결과들과 그들의 기계적인 특성을 측정하기 위해 서로 다른 크기의 마그네슘 하이드라이드 나노입자들을 시험했다.

더 작은 입자들이 더 나은 플라스틱 안정성 등 더 좋은 기계적인 특성을 가지며 자신들의 연구는 왜 이런 결과들이 나타나는지에 대한 해답을 찾는 것이라고 이 논문의 주저자인 퀴안 유가 전했다.

유는 중국 항조우 제지앙 대학, 버클리 캘리포니아 대학과 로렌스 버클리 국립 연구소에 연계되어 있다. 이 연구에 참여한 다른 동료들은 앤 아버 소재 미시건 대학, 미시건 워렌 소재 제너럴 모터스 연구 개발 센터, 중국 상하이 소재 상하이 지아오통 대학에 관련되어 있다.

자동차 엔진을 위한 수소 저장은 이 기술 개발에서 여전히 중요한 자리를 차지하고 있다. 차세대 수소 연료 탱크들이 더 큰 저장 능력을 제공하고 실재 모델들보다 더 나은 가스 교환 운동학이 필요하다는 것을 알고 있지만 이를 해결할 수 있는 것이 무엇인지 여전히 정확히 알지 못하고 있다.

하나의 가능성은 저장에 대한 중요한 매체로 오랫동안 알려진 마그네슘 하이드라이드와 같은 물질을 이용하는 것이다. 마그네슘이 이미 수소와 결합하고 있고. 그래서 이 아이디어는 마그네슘으로 채워진 탱크를 얻고 마그네슘을 수소 내로 펌프한 후 엔진을 구동시킬 필요가 있을 때 이 마그네슘에서 수소를 꺼낼 수 있을 것이라는 것이다.

그러나 이 접근법은 마그네슘에 분자 수소를 결합하고 마그네슘에서 방출시키는 속도인 흡착과 탈찰에 대한 느린 운동학으로 어려움을 겪고 있다. 이는 결국 분자 수준에서 수소를 어떻게 이 물질이 결합시킬지 시도했고 최근 연구원들은 더 나은 운동학을 찾기 위해 마그네슘을 더 조절하려 노력하고 있다.

이전 연구는 더 작은 마그네슘 나노입자들이 더 나은 수소 저장 특성을 가진다는 것을 이미 보였지만 왜 이런 현상이 발생하는지 이해하지 못 했다. 대부분 이 결과가 주로 더 작은 입자들을 밀링하면서 나타난 탱크 내 더 커진 총 마그네슘 표면적 때문일 것이라고 생각했다. 하지만, 유 연구원과 그의 동료들은 이 입자들이 탱크에 연료를 채우고 비우는 주기 동안 변행에 어떻게 반응하는지에 밀접하게 관계되어 있다는 것을 보였다.

수소 탱크 내 연료 주기들은 입자들을 파괴하고 저하시키도록 그 입자들을 변형시킬 수 있는 압력 내에서 수 많은 내부 변화들을 가져온다. 더 작은 입자들은 그들이 변형을 겪을 때에도 그들의 구조를 유지할 수 있는 것을 의미하는 더 큰 플라스틱 안정성을 가지고 있다. 이는 더 작고 더 많은 플라스틱 마그네슘 나노입자들이 더 오랫동안 그들의 구조를 유지하고 주기 도중 수소 저장을 계속할 수 있다는 것을 의미한다.

그러나 이는 더 큰 플라스틱 안정성과 함께 더 작은 입자들이 전체 탱크에 걸쳐 어떻게 마그네슘 나노입자들 모두가 균일하거나 균일하지 않게 반응하는 경향이 있는지에 대한 측정인 변형 비등방성이 작다는 것을 발견했다. 변형 비등방성은 나노크기에서 매우 감소하고 이로 인해 더 작은 마그네슘 나노입자들이 수소에 대한 더 균일하게 분포된 확산을 제공하게 더 균일한 내부 전이 활성도를 가지고 있다.

이는 더 큰 균일 전이를 이용하여 나노입자들을 특별하게 공학하여 더 나은 수소 저장 탱크를 만들기 위한 방법을 제공하고 있다. 이후, 연구원들은 연료 주기 도중 수소를 흡수하고 방출하는 연료 사이클을 수행하는 동안 수소 저장 물질에 대한 비슷한 연구들을 계속할 계획이다.

그림 설명: 더 작은 Mg 나노입자들이 주행 도중 구조적인 안정성과 수소 저장 운동학에 좋은 기계적인 성능을 보여주고 있다.

참고 자료: Size-dependent mechanical properties of Mg nanoparticles used for hydrogen storage, Applied Physics Letters, DOI: 10.1063/1.4921003

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 6일]