[영국] 양성자 확산 발견으로 연료전지 기술 향상

리버풀 대학의 과학자들이 더 나은 연료 전지 소재의 설계를 선도할 수 있는 획기적 방법을 찾았다. Nature Communications에 발표된 논문에서 과학자들은 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM) 적용에서 전하를 이동시킬 때 이용될 수 있는 나노미터 크기의 케이지(cage) 분자들을 어떻게 합성하였는지 보여주었다.

PEM 연료전지는 21세기에 깨끗하고 효율적인 발전을 위한 유망한 기술로 평가 받고 있다. PEM 연료전지에는 PEM이 있는데 이것은 양전하를 띤 양성자를 전지의 양극에서 음극으로 운반한다. 더 나은 PEM 소재를 만들기 위해서는 어떻게 막의 구조가 양성자를 쉽게 통과시키는지 알 필요가 있다. 그러나 많은 양성자 교환막들이 비정질 고분자로 만들어져서 정확한 구조를 알 수 없기 때문에 양성자가 어떻게 전도되는지 연구하기가 어렵다.

리버풀 대학 화학과 과학자들이 물이나 이산화탄소 같은 더 작은 분자를 채울 수 있는 다공성 유기 케이지를 형성하는 내부 공간(cavity)을 가진 분자를 합성했다. 케이지가 고체 물질을 형성할 때, 그것들은 작은 게스트(guest) 분자가 한 케이지에서 다른 케이지로 이동할 수 있는 통로를 만들기 위해 정렬할 수 있다. 그 물질은 케이지의 배열이 매우 규칙적인 결정체를 형성한다. 이것으로 연구원들은 결정학을 이용하여 구조를 명확하게 기술할 수 있다. 또한 분자들은 일반적인 용매에 쉽게 녹아 다른 물질과 결합될 수 있고 막으로 만들 수 있다.

유기 케이지 결정에서 양성자 전도의 두 가지 독특한 특징이 있다. 첫째는 케이지가 정렬되어 통로가 3차원으로 확장되는 것이다. 이는 지금까지 실험된 다공성 물질의 경우와는 달리 양성자의 움직임이 특정 방향으로 제한되지 않는다는 것을 의미한다. 둘째로 케이지가 물 분자의 움직임을 정해 양성자가 그들 사이를 빨리 지나갈 수 있게 한다.

실험을 이끈 Ming Liu 박사는 이번 연구로 수분 손실을 더 이상 고려하지 않아도 되기 때문에 고온 PEM 연료전지의 개발이 용이해질 것이라고 말했다.

[출처 = 녹색기술정보시스템(www.greenplatform.re.kr) / 2016년 9월 28일]