[연세대] 김대우 교수팀, 수소 정제를 위한 차세대 고성능 분리막 개발

연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 최고 성능의 수소·이산화탄소 분리용 금속유기골격체 기반 분리막을 개발함으로써 블루수소 기반 연구 및 원천기술 확보에 기여할 수 있는 기술을 구현했다.

2019년 1월부터 정부는 수소경제 선도국으로 도약하기 위해 '수소경제 활성화 로드맵', '제1차 수소경제 이행 기본계획, 2021' 등 탄소경제에서 수소경제로 전환하기 위한 다양한 정책을 발표했다. 동시에 '탄소중립 시나리오'를 2021년에 확정하면서 탄소중립 목표 달성과 수소경제 실현에 대한 의지를 확고하게 표현했다. 수소 공급망 구축을 주요 에너지 정책 목표로 선정함에 따라 수소경제의 중요성은 더욱 강조되고 있다.

탄소중립 목표 달성을 위해 궁극적으로 그린·블루수소의 중요성이 갈수록 높아지고 있으나, 우리나라는 블루수소 분야가 상대적으로 취약하기 때문에 CCUS 기술 개발과 보급에 더 적극적으로 연구가 필요하다.

이에, 연세대 김대우 교수팀은 CCUS 기술 개발에 기여할 수 있는 고성능 수소 분리막을 개발했다. 개발한 분리막은 가압 시 수소만을 선택적으로 투과할 수 있어, 기존 흡수, 흡착 등의 방법과 달리 에너지를 절감하고 시설 비용을 효과적으로 감축할 수 있다.

연구팀은 고성능 분리막 제작을 위해 암스트롱(Å) 단위의 정밀한 기공 제어를 통해 금속유기골격체 기반 단일 분리막을 구현했다. 여기서 사용한 금속유기골격체는 ZIF-8이라는 물질이며, 이론적으로는 3.4 암스트롱의 기공을 가지고 있지만, 실질적으로 4.0 암스트롱의 크기로 늘어난다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 ZIF-8 기공을 이루는 분자들이 자유롭게 움직일 수 있어, 가스가 투과할 때 문이 열리듯이 분자들이 움직이기 때문이다(Gate-opening effect, 기공열림현상). 하지만 이러한 기존 기공 크기로는 고순도 수소(2.9 Å)와 이산화탄소(3.4 Å)의 분리가 불가능하기 때문에 ZIF-8 기공 제어가 필요하다.

이에 연구팀은 탄소 소재 중 하나인 그래핀 나노리본 물질을 사용해 기공 제어를 시도했다. 그래핀 나노리본은 탄소나노튜브에서 산화를 통해 만들어지는 물질이다. 그래핀 나노리본을 도입해 기공에 존재하는 분자들의 움직임을 억제해 이론적인 기공 사이즈를 가지는 금속유기골격체 기반 분리막을 개발했다.

특히, 이번 연구의 핵심은 그래핀 나노리본에 포함된 sp2 탄소 영역과 ZIF-8에 포함된 아연 원자의 상호작용으로 인해 결정구조 자체가 견고하게 만들어졌다는 것이다. ZIF-8의 기공열림현상을 억제해 가스가 들어오더라도 기공 사이즈를 3.4 암스트롱으로 유지했다. 또한 분리막의 지지체와 그래핀 나노리본과의 결합력을 감소시켜 그래핀 나노리본과 ZIF-8의 상호작용을 늘리고, 결과적으로 기공 분자의 움직임을 최대한 억제했다.

연세대 김대우 교수는 "탄소중립을 위해 수소경제의 중요성이 점점 부각되면서 고성능 분리막에 대한 수요도 커지고 있다. 이에 금속유기골격체 기반 분리막 연구가 활발하게 이뤄지고 있지만, 탄소 소재를 활용한 금속유기골격체 기공 사이즈 제어에 대한 연구는 전무했다"며 "이번 연구를 통해 금속유기골격체의 기공 사이즈를 조절할 수 있는 원천기술을 확보했고, 향후 다양한 소재로 확장해 목표화하는 가스에 따라 금속유기골격체의 기공 사이즈를 조절할 수 있을 것으로 기대된다"고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 신진연구자지원사업과 산업자원통상부가 추진하는 산업기술거점센터육성시범사업의 지원으로 김대우 교수 연구팀의 최은지 연구원(공동 제1저자), 조지아텍 장승순 교수 연구팀의 최지일 박사(공동 제1저자)와 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 『앙게반테 케미(Angewandte Chemie)』에 12월 5일(현지시간) 게재됐다.