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▲ MOF를 활용한 액화수소 증발손실 저감 원리. MOF를 탱크 내부에 넣으면 수소가 다공성 표면에 고밀도로 흡착돼 기화를 지연시킬 수 있다. 실제 운송 규모 중진공 상태 탱크를 가정한 모델에서 저장 지속시간은 순수 액화수소 64일에서 IRMOF-20 적용 시 221일로 증가했다

액화수소 저장 탱크에 다공성 소재를 넣으면 열 때문에 증발해 날아가 버리는 수소를 줄일 수 있다는 시뮬레이션 분석 결과가 나왔다.

UNIST 화학과 오현철 교수, 이화여대 문회리 교수, 독일 뮌헨공대 박지태 박사 팀은 금속유기골격체(MOF)라는 다공성 물질로 액화수소 운송·저장 손실을 줄이는 기술을 흡착 실험과 모의실험으로 검증해 이 같은 사실을 확인했다고 29일 밝혔다.

액화수소는 기체수소를 대기압에서 영하 253℃까지 냉각해 액체로 만든 것으로, 상온의 기체보다 부피가 크게 줄어 대량 저장·운송에 유리하다. 그러나 탱크에 열이 들어오면 일부가 기체로 변해 압력이 높아지기 때문에 압력을 낮추기 위해 수소를 밖으로 배출하면서 증발 손실이 발생한다.

MOF는 내부에 나노미터 크기의 초미세 기공이 빽빽이 들어찬 합성물질이다. 연구팀은 이 소재의 기공 안에 수소가 흡착되면 탱크에 열이 들어와도 액화수소가 기체로 빠져나가는 손실을 줄일 수 있다고 봤다. MOF 벽에 붙잡힌 수소가 떨어져 나오려면 추가적인 열이 필요해 외부에서 들어온 열의 일부가 여기에 쓰이기 때문이다.

이번 연구에서는 구멍의 부피가 크고 구조가 단단하게 유지되는 MOF인 ‘IRMOF-20’과 수소가 흡착되면 구멍의 크기와 모양이 달라지는 MOF인 ‘MIL-53’를 적용해 수소를 담을 수 있는 양과 수소가 빠져나오기 시작하는 온도에 어떤 영향을 주는지 비교했다.

IRMOF-20을 넣은 탱크의 모의실험 결과, 이론상 담을 수 있는 수소의 양은 소재를 넣지 않았을 때의 약 97%로 큰 차이가 없었다. 반면 수소가 증발해 모두 사라지는 데 걸리는 시간은 약 64일에서 221일로 3배 이상 길어졌다.

또 다른 MOF 소재인 MIL-53은 증발량을 줄이는 효과가 있었지만 담을 수 있는 수소의 양은 소재를 넣지 않았을 때의 절반 수준으로 줄었다. 다만 수소를 더 높은 온도까지 붙잡아 두는 데는 IRMOF-20보다 유리했다.

오현철 교수는 “기공의 부피와 수소를 조밀하게 담는 능력, 흡착된 수소가 방출되는 특성을 함께 고려하면 다공성 소재를 넣어도 저장량을 거의 유지하면서 운송 중 증발 손실을 줄일 수 있음을 보여줬다”며 “소재가 낼 수 있는 이론적 최대 성능을 기준으로 계산한 결과인 만큼 실제 탱크에서도 이런 효과가 나타나는지 추가 실증이 필요하다”고 덧붙였다.

한편 이번 연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 9월 7일자로 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)