화학연, 안전 저장·고효율 추출 가능 '세계 최고' 수소 저장소재 개발

한국화학연구원(원장 이영국)은 가장 안전한 수소 저장 기술로 알려진 '액상유기물 수소운반체(LOHC)' 기술의 획기적 성능에 확장성까지 확보한 세계 최고 수소 저장 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

LOHC 화학구조에서 부수적으로 여겼던 작은 분자들이 수소 저장·추출 공정 성능 및 효율 향상 핵심이라는 것도 계산화학으로 밝혀냈다.

박지훈 박사팀이 한정우 서울대 교수 및 최정규 고려대 교수팀과 공동연구로 이룬 성과다.

수소는 온실기체 배출이 없는 청정 에너지지만, 부피가 크고 위험한 물질이다. 많은 수소를 안전하게 운반하는 것이 수소에너지 경제 전환 핵심이자 숙제다.

LOHC 기술이 해답이다. 상온·상압에서도 적은 액체에 수소를 대량 담아 운반 안정성과 효율이 높다. 수소 충전 액상 유기물을 기존 유조차로 운반하면 돼 인프라 구축 비용도 적다.

LOHC 기술 핵심은 수소를 저장하는 액상 유기화합물 소재다. 다만 기존 연구는 탄소 육각 고리 구조인 '벤젠'이 기반으로 수소 저장·추출에 유리하지만, 물질 다양성이 낮아 성능을 높이는 확장성에 한계가 있다.

연구팀은 기존 LOHC 소재에서 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 메틸 분자(CH₃)를 제어·활용하면 화학반응을 더욱 유리하게 조절할 수 있음을 발견, 새로운 LOHC 소재를 개발했다.

순수한 조성 소재를 얻을 수 있는 새로운 합성법을 활용해 메틸 분자를 특정 위치로 조정했다. 이 결과 수소 저장·방출 속도가 각각 206%, 49.4% 증가했다.

연구팀은 또 소재가 촉매 물질과 상호작용해 수소가 추출되는 세부 작용 상세 원리도 밝혔다.

연구팀은 개발한 LOHC 소재로 수소 모빌리티에 직접 안전한 수소를 공급하거나, 수전해 수소 직접 저장이 가능한 소재 등 수소 사회 구현 맞춤형 LOHC 기술도 후속 연구 중이다.

이영국 원장은 “LOHC 기술 핵심인 저장체 설계 분야에서, 세계에서 가장 발전된 기술을 선보였다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “수소 경제에서 우리나라가 경쟁력을 확보하는 탄탄한 기반이 되기를 희망한다”고 말했다.

성과는 지난달 '에너지 스토리지 머트리얼즈'와 '어플라이드 카탈리시스 B: 환경 & 에너지'에 연달아 소개됐다.

이번 연구는 화학연 기본사업 및 혁신연구 지원사업, 과학기술정보통신부 수소에너지원천기술개발사업으로 수행됐다.
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한편 박지훈 박사 연구팀은 LOHC 기술 개발 성과로 2019년 국가연구개발(R&D) 우수성과 100선에 선정된 바 있다.