[월간수소경제 편집부] 미국 라이스대학의 연구진이 수소저장을 위한 최적의 붕소 질화물 구조를 발견했다. 

지난 12일 PHYS.ORG에 따르면 라이스대학 연구진은 붕소 질화물 기둥에 의해 정확히 5.2옹스트롬(Å)만큼 떨어져 있는 붕소 질화물 ‘층’으로 이뤄진 극초소형 고층빌딩 형태의 ‘화이트 그래핀’ 나노소재가 수소 저장을 위한 최적의 구조임에 연구의 초점을 맞췄다. 이 결과는 스몰지에 게재됐다. 

책임 연구원이자 라이스대학의 환경공학 조교수인 루쯔베 샤사바리(Rouzbeh Shasabari)는 “많은 양의 수소를 부피‧무게의 측면에서 지탱할 수 있으면서도 필요할 때 쉽고 빠르게 배출할 수 있는 효율적인 소재를 만들어내는 것이 이번 연구의 목표”라고 말했다.

수소는 우주에서 가장 가볍고 풍부한 원소이며, 에너지-질량비 측면에서 파운드당 가용에너지의 양은 화석연료를 한참 초과한다. 또한 전기를 생산하는데 있어 부산물이 물뿐인 가장 청정한 방법이기도 하다. BCC연구소의 2017년 시장 분석 보고서에 따르면 수소저장소재 및 기술의 국제적인 수요는 오는 2021년 54억 달러에 이를 것으로 예상된다.

수소의 주된 결점은 이동성, 저장성, 안정성과 연관돼 있다. 지하 소금 돔 및 특수 설계된 탱크에 거대한 부피의 수소를 고압으로 저장할 수 있었다. 하지만 자동차 가스탱크와 같은 작은 크기의 휴대형 탱크는 공학자들의 관심에서 멀리 벗어나 있었다.

샤사바리와 라이스대학의 대학원생인 슈오 쟈오(Shuo Zhao)는 라이스대학의 슈퍼컴퓨터 2대로 수개월에 걸쳐 연산을 실시한 결과 수소저장을 위한 최적의 붕소 질화물 구조를 발견했다.

붕소 질화물로 된 원자-두께 시트를 포함하는 6각 붕소 질화물(hBN)은 소재의 한가지 형태로 ‘화이트 그래핀’이라고 불린다. 이는 이러한 원자들이 탄소 원자로 이뤄진 그래핀의 평면 시트와 정확하게 같은 간격을 이루고 있기 때문이다.

샤사바리의 다중규모 소재 연구실에서 수행한 이전 연구에서 그래핀과 붕소 질화물의 복합소재가 경량형 연료전지 차량을 위한 에너지부의 저장 목표를 충족시킬 만큼의 충분한 수소를 함유할 수 있다는 사실을 발견했다.

샤사바리는 “소재의 선택이 중요하다”면서 “붕소 질화물은 수소 흡수 면에서 순수 그래핀, 탄소 나노튜브나 그래핀 및 붕소 질화물의 복합소재보다 더 뛰어난 능력을 보여줬다”고 말했다.

그는 또 “그러나 6각 붕소 질화물 시트와 기둥의 간격 및 배치 또한 중요해 우리는 어떤 것이 가장 좋은지를 알아보기 위해 6각 붕소 질화물의 모든 기하학적 구조를 철저히 조사하기로 했다”며 “수소 저장 용량을 강화하기 위해 온도와 압력을 포함한 붕소 질화물에 추가될 수 있는 다양한 도펀트(dopant), 미량 원소 조건들을 확장시켰다”고 덧붙였다.

쟈오와 샤사바리는 물리학 제1법칙을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션인 ‘초기(ab initio)’ 시험을 수없이 많이 진행했다.

샤사바리는 “이러한 접근방식이 계산적으로 힘들었지만 최고의 정밀함을 제공했기 때문에 추가적인 노력을 더 할만한 가치가 있었다”며 “우리는 소재와 기하학적 구조가 서로 만나 실제로 함께 작용해 수소 저장을 최적화하는 ‘최적의 지점(sweet spot)’을 찾기 위해 거의 4,000번에 달하는 초기 연산을 실시했다”고 말했다.

그는 “붕소 질화물이 화학적 결합보다는 약한 물리적 결합을 통해 수소를 함유하는 흡착제”라며 “이러한 흡착제 소재가 화학적 유사 소재에 비해 더 쉽게 수소를 방출하는 경향이 있기 때문에 저장된 수소를 빼낼 때 유리하다”고 설명했다.

붕소 질화물 시트나 튜브의 선택 및 뛰어난 구조를 이루는 이들 사이의 해당 간격이 용량 극대화의 열쇠다.

샤사바리는 “기둥이 없으면 시트들은 자연스럽게 3옹스트롬 간격으로 겹쳐지고 매우 적은 양의 수소원자만이 그 공간을 통과할 수 있다”면서 “그 간격이 6옹스트롬 이상이 되면 용량 또한 감소했다”고 말했다.

그는 또 “5.2옹스트롬일 때 천장과 바닥 모두의 인력이 함께 작용해 수소가 그 중앙에 무리를 이루도록 하고 역으로 시트의 형태가 아닌 순수한 질화 붕소(BN) 튜브로 만든 모형은 더 적은 저장용량을 가졌다”고 덧붙였다.

샤사바리는 순수한 6각 붕소 질화물 튜브-시트 구조가 8w%의 수소를 함유할 수 있다고 말했다. 물리적 실험을 통해 용량을 확인해야 하지만 미국 에너지부(DOE)의 최종 목표는 7.5w%이다. 샤사바리의 모형은 만약 6각 붕소 질화물에 소량의 리튬이 첨가된다면 더욱 더 많은 수소를 저장할 수 있을 것임을 제시했다.

마지막으로 샤사바리는 납작한 층-형 구조 시트의 불규칙성이 유용함을 증명할 것이라고 말했다.

그는 “기둥과 층 사이 접합부의 특성 때문에 기둥이 형성된 붕소 질화물 시트에는 자연스럽게 주름이 형성된다”면서 “사실 주름이 견고함을 가져올 수 있기 때문에 이점으로 작용할 수 있다”고 말했다.

그는 또 “만약 소재가 하중이나 충격을 받으면 구부러진 형태는 파손 없이 쉽게 펴질 수 있다”며 “이는 수소저장장치가 갖고 있는 큰 걱정거리인 소재의 안정성을 향상시켜준다”고 밝혔다.

샤사바리는 “더 나아가 질화 붕소의 높은 열전도성과 유연성은 요구되는 흡착과 탈착 운동에너지를 조절하기 위한 추가적인 기회를 제공할 수 있다”면서 “예를 들어 외부 전압, 열이나 전기장이 적용된 탈착 운동에너지 제어가 가능할 수 있다”고 말했다.