[월간수소경제] 저렴하고 유용한 층형의 초전도체 화합물은 수소 저장을 위한 효율적인 고체 물질 또한 될 수 있다. 물질의 발견 및 개발 가속화를 위한 에너지부(Department of Energy: DOE)의 에너지 물질 망(Energy Materials Network: EMN) 컨소시엄이 성과를 거두기 시작했다.

로렌스 리버모어 국제 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory: LLNL)의 과학자들은 이론과 실험을 통해 이붕화 마그네슘(MgB2)이 수소를 흡수하는 핵심 메커니즘을 발견하고, MgB2가 가장 높은 수소 저장능력을 갖는 형태인 마그네슘 수소화붕소(Mg(BH4)2)로 전환하는 반응경로에 대한 중요한 통찰력을 제공했다.

LLNL의 물리학자이자 물리화학 및 화학물리학(Physical Chemistry Chemical Physics) 9월호 표지에 실린 논문 저자인 키스 레이(Keith Ray)는 “본 연구에서 얻은 통찰력은 고체수소 저장에 대한 잠재성을 열어주는 중요한 단계”라고 전했다.

수소저장은 석유 의존을 줄일 수 있는 수소연료운송시스템, 계통 탄력성, 에너지저장 및 분야를 뛰어넘는 다양한 국내 자원의 활용을 가능하게 하는 주요 기술 중 하나다.

수소는 수소연료전지차가 수소 5kg으로 300마일을 이동할 수 있을 정도로 고중량 에너지밀도를 가지며, 배기구에서 오염물질을 전혀 배출하지 않는다. 그러나 현재의 수소구동차량은 인프라의 실용성을 제한하는 고압수소저장탱크에 의존한다. 게다가 700bar(700기압의 압력) 수소가스의 사용은 압축 손실로 인해 비효율적이다.

복잡한 금속 수소화물로 이루어진 고체상태 수소저장은 훨씬 더 작은 저장 시스템을 제공함과 동시에 작동압력을 감소시킬 수 있다. 그러나 복잡한 금속 수소화물은 종종 이해되지 않는 다단계 수소화 경로 및 빈약한 동력을 특징으로 한다.

연구진은 새로운 연구를 통해 이러한 단점을 개선하기 위한 중요한 단계로 나아갔다. 그들은 수소 노출 초기단계에서 MgB2가 중간 화합물의 형성 없이 Mg(BH4)2로 수소화될 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 중간체는 수소전기차에 연료 공급 속도를 저해하는 것으로 알려져 있기 때문에 이를 피할 수 있다는 것은 MgB2 실용화에 중요한 발전이 된다.

LLNL 물질 학자 및 공동집필자인 허태욱은 “우리는 분광학, 기본 원리 계산, 동적 모델링을 결합할 수 있다면 이전에 없던 방식으로 반응경로와 특정 화학 메커니즘을 이해할 수 있음을 보여줬다”고 전했다. 또한 연구진은 두 가지 분리된 반응인 수소분자 분리 단계 및 노출된 물질 가장자리로의 이동 단계에서 MgB2 수소화가 발생함을 발견했다.

이 프로젝트를 이끌고 있는 LLNL 재료 과학자인 브랜든 우드(Brandon Wood)는 이 연구가 고체상태 수소저장물질의 복잡한 반응에 대한 보다 포괄적인 이해를 위한 실험과 이론의 통합 로드맵을 제시한다고 말했다. 이 연구는 에너지부의 수소저장재료 – 고급 연구 컨소시엄(Hydrogen Storage Materials – Advanced Research Consortium: HyMARC)을 통해 수행되는 복잡한 금속 수소화물에 대한 광범위한 연구의 일환이다.