환경/화공 홍석봉 교수팀
교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 도약연구사업(구 국가지정연구실사업)과 21세기 프론티어 연구개발사업의 지원을 받은 이번 연구 결과는 화학 분야 세계최고 권위의 학술지인 <앙게반테 케미(Angewandte Chemie)>지 7월 31일자 온라인판에 화제의 논문(Hot paper)으로 게재되었다.
연구팀은 포타슘 양이온과 갈륨을 이용하여 지금까지 전혀 보고되지 않았던 새로운 조성의 PST-1 제올라이트를 합성, 포항가속기연구소에서 측정한 X-선 회절 데이터 분석을 통해 그 내부에 2.0Å보다 작은 크기의 균일한 세공이 존재함을 확인했다. 이 제올라이트의 가스 분리 특성을 연구한 결과 아르곤이나 이산화탄소와 같은 크기가 큰 기체분자들은 흡착하지 않으나, 그 구조가 매우 유연하여 가장 작은 기체분자들 특히 수소기체만을 선택적으로 흡착하는 성질을 밝혀냈다.
이번 연구가 국제적으로 주목받게 된 배경에는 PST-1 제올라이트가 매우 낮은 온도(60℃)에서도 쉽게 물이 빠져나가며, 800℃ 이상의 고온에서도 그 구조를 안정적으로 유지할 수 있어 세계 최초로 수소나 헬륨 같은 작은 기체분자들에 대한 선택적 분리소재로 적용될 수 있는 가능성을 제시했기 때문이다. 또한 PST-1 제올라이트는 대표적 온실가스인 이산화탄소의 보다 효율적인 분리에도 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
홍 교수는 “현재 사용되고 있는 수소 분리 공정은 300℃ 이상의 고온을 필요로 하거나 수소 외의 불순물을 제거하는 방식이기 때문에, PST-1 제올라이트의 합성으로 보다 경제적이며 선택적인 고순도 수소 제조 공정의 개발이 가능할 것”이라고 밝혔다.
이와 함께 PST-1 제올라이트의 혁신적 분리 특성을 이용한 고순도 수소 제조 및 이산화탄소 분리 공정의 개발이 환경 및 에너지 분야의 핵심적인 기술이 될 것을 고려하여 현재 국제 특허를 준비 중에 있다.
※ 제올라이트의 흡착제로서의 응용 : 제올라이트는 어느 부분에서나 구조가 동일하고 세공의 크기나 모양이 모두 같은 결정이다. 제올라이트의 중요한 성질 중 하나는 세공 입구보다 큰 기체는 세공에 들어갈 수가 없어 흡착되지 않는다는 점이다. 기체는 종류에 따라 분자 크기가 다르고 제올라이트 역시 종류에 따라 세공 입구의 크기가 달라서, 제올라이트를 잘 선택하면 기체 혼합물을 분자 크기에 따라 나눌 수 있다. 이러한 분자체 효과는 제올라이트가 결정성 물질이며, 세공 크기가 분자 크기와 비슷하기에 나타나는 고유 성질로서 분리 정제 분야에서 널리 활용되고 있다.
※ 수소의 분리 공정 : 대표적인 수소의 분리․정제 공정에는 압력순환흡착공정(Pressure Swing Adsorption, PSA)과 막 분리공정이 있다. 압력순환흡착공정은 흡착제로 채워진 흡착탑을 원료기체가 고압상태로 통과하면서 선택도가 높은 성분들을 우선 흡착시켜 제거하고, 원하는 생성물인 선택도가 낮은 성분들은 흡착탑 밖으로 배출시킨다. 그러나 이 공정은 평형 반응이 800℃ 정도의 고온에서 이루어지며, 장치 자체의 복잡화․대형화와 함께 처리 공정 및 기기 수가 많아지는 것 외에, 설비비도 고액이고 장치 유지보수에도 어려움이 있다. 또한 고순도의 수소가 얻어지지 않아 충분한 보급이 이루어지지 않았다.
막 분리공정은 현재 실용화되고 있는 공정으로, 대부분이 수소 투과성 금속막인 Pd-Ag 합금막을 통하여 수소의 분리․정제가 이루어지고 있다. 그러나 Pd은 고가이며 자원이 충분하지 않아 제약이 있어 이를 대체할 물질의 개발이 요구되고 있다.
※ Å 단위 : 길이의 단위로서 현재 1Å의 크기는 100억분의 1m로 정의되어 있다(1Å=10-10m). 특히 원자물리학․결정학․분광학 등의 분야에서 빛의 파장이나 원자간 거리 등 극미세 길이의 단위로 많이 사용되고 있으며, 1나노미터(nm)는 10Å에 해당된다.
