[월간수소경제 편집부] 미국의 드렉셀 대학이 발견한 MXene 소재가 순수 수소연료를 생산하는데 도움이 될 것으로 보인다.

지난 29일 EurekAlert에 따르면 수소는 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나로 청정한 에너지원이다. 수소가 전기차, 버스, 중장비 등의 연료전지를 통해 광범위하게 활용될 수 있지만 순수 수소를 생산하기 위한 값비싼 기체-분리공정이 장애요인이 되고 있다.

하지만 드렉셀(Drexel) 대학의 국제 연구진에 의해 기체-분리공정이 성능 및 가격 면에서 더욱 효율적으로 개선될 전망이다.

이 연구진은 막 내부에 결합시켜 수소를 정제하는데 사용될 수 있고, 특히 효율적인 기체분리 특성을 가진 MXene로 불리는 나노소재를 발견했다.

수소는 자연에서 다양한 분자 및 물질, 무엇보다도 물과 수소의 조합으로 존재하지만 지구상에서 순수 수소 원소 그 자체로 존재하지는 않는다. 수소를 수소와 결합돼 있는 다른 원소와 분리해내기 위해서는 전류를 가해 물 분자 내 원자들을 들뜬 상태로 만들어 분리하거나 수소가 포함된 혼합기체에서 이산화탄소나 탄화수소로부터 막을 통해 여과해 수소를 분리하는 방법이 있다.

막을 통한 기체분리과정이 더 효과적이고 저렴한 선택이므로 최근 몇 년간 연구진은 수소를 빠르면서도 완전하게 여과할 수 있는 막을 개발하는데 박차를 가하고 있다.

최근 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지에 게재된 한 연구는 기체-분리막에 MXene 소재를 사용하는 것이 수소기체를 정제하는데 가장 효율적인 방법이라고 밝혔다.

남중국 기술대학의 하이후이 왕(PhD. Haihui Wang) 교수와 드렉셀 공과대학 소재과학 및 공학부의 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수가 이끄는 연구진은 이러한 나노소재의 2차원 구조를 통해 수소가 구조의 층 사이에 드나들 수 있는 반면 커다란 기체분자는 선택적으로 배제될 수 있음을 보여줬다.

고고치 교수는 “우리는 박리된 2차원 MXene 나노시트가 어떻게 처음으로 기체분리를 위한 코팅 막을 형성하는 블록과 같이 사용될 수 있는지 보여준다”며 “수소 및 이산화탄소의 모델 시스템을 이용해 이를 증명해냈다”고 말했다.

남중국 기술대학과 중국의 질린 대학, 그리고 독일 하노버의 라이프니츠 대학 연구원들로 구성된 드렉셀 팀은 MXene 나노시트를 활용해 만든 막이 투과도 및 선택도 모두에서 현재 사용되는 막 소재를 뛰어넘는 성능을 보인다고 밝혔다.

현재 에너지산업 전반에 걸쳐 다양한 종류의 막이 사용된다. 예를 들어 냉각수 방출 전에 정제하기 위한 막과 천연가스를 사용하기 위해 분배하기 전에 정제하기 위한 막 등이 있다. 기체분리 시설은 대기 중의 질소 및 산소를 회수하는 데에도 막을 사용한다.

드렉셀 팀의 연구는 다량의 기체분자를 분리해내기 위한 여과장치를 개선할 수 있는 가능성을 가진 막 기술의 폭넓은 활용에 대한 길을 열어주었다.

MXene 소재는 기체분리를 위해 현재 사용 및 개발되는 소재들에 비해 투과성과 여과 선택도가 구조 및 화학 조성과 밀접한 관련이 있다는 장점이 있다. 이와는 대조적으로 그래핀이나 제올라이트 같은 다른 막 소재들은 그물망과 같은 작은 그리드 및 채널 내에 물리적으로 분자를 끌어들이거나 걸러서 여과할 수밖에 없다.

MXene의 특별한 여과 특성은 소재의 고체조각층에 화학적 에칭을 가하는 맥스 단계(MAX phase)에 의해 만들어진다. 이 공정은 다양한 크기의 얇은 구멍을 가진 스폰지와 같은 구조를 형성시킨다.

고고치 교수의 나노소재연구그룹은 지난 2011년부터 MXene를 연구해 왔으며, 각각의 화학물질로 MXene에 각기 다른 유형의 맥스 단계 및 에칭을 사용해 채널의 크기를 미리 결정할 수 있다.

채널 자체는 화학 작용을 일으키는 방법으로 생성될 수 있기 때문에 통과하는 분자들을 끌어들이거나 흡착할 수 있다. 따라서 MXene막은 자기 망과 유사하게 기능하고 이를 통해 통과하는 다양한 화학종들을 끌어들이도록 설계할 수 있다.

고고치 교수는 “우리는 각기 다른 기체에 대한 선택도를 제공하도록 조정할 수 있는 수십 가지의 MXene이 있다”며 “이번 연구에서 티타늄 카바이드 MXene을 사용했지만 적어도 수십 가지 다른 종류의 MXene을 사용할 수 있으며, 이는 다수의 각기 다른 기체분리 응용의 개발이 가능하다는 의미”라고 말했다.

고고치의 연구진은 MXene을 상용 막으로 만들어 내기 위해 막의 내구성, 내화학성, 온도 안정성을 향상시키고 생산비용을 저감할 계획이다.