기체 다공성물질 흡착과정 관찰 성공…고효율 가스저장장치 개발 가능성

메조다공성 MOF 결정에서 기체분자의 상호작용 모델. 일반적으로 다공성 물질 내부에서 기체분자는 기공벽(골격)과 상호작용을 하거나(A), 단일 기공 내부에서 기체분자끼리 상호작용을 한다고 알려져 있었다(B). 하지만 이번 연구결과를 통해 인접한 기공에 있는 기체분자들도 기공벽을 통해 상호작용을 한다는 것(C)이 밝혀졌다. [그림=카이스트 제공]

 

아주경제 최서윤 기자 = 강정구 카이스트 EEWS 대학원 교수와 오사무 테라사키 공동 연구팀이 2~5 나노미터(10억분의 1m) 크기의 구멍이 있는 메조다공성 금속유기골격체(MOF) 안에 기체가 흡착되는 과정을 관찰하는 데 성공했다고 카이스트가 11일 밝혔다. 기존 저장물질에 비해 더 적은 용량으로 더 많은 가스를 저장할 수 있는 고효율 가스저장장치를 개발할 수 있을 전망이다.

카이스트에 따르면 연구팀은 관찰 과정에서 기체들이 각자의 기공에 일정하지 않은 각기 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 이는 기존의 학설과 반대되는 개념으로 금속유기골격체에서 기체가 초격자 구조를 형성한다는 사실을 최초로 발견한 것이다.

메조다공성 금속유기골격체는 넓은 비표면적을 갖고 있어 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 가스 저장에 용이한 저장물질이다. 효율적인 가스 저장을 위해서는 기체가 저장물질에 어떻게 흡착하는지 이해하는 것이 중요하다. 그러나 일반적인 기체 흡착 측정 장비의 경우에는 흡착 거동을 직접적으로 관찰할 수 없다는 한계가 있었다.

문제 해결을 위해 연구팀은 기존에 존재하는 두 개의 장비를 이용했다. 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 소각산란(SAXS) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합했다. 두 장비가 결합된 실시간 기체 흡착 SAXS 시스템을 개발해 메조다공성 금속유기골격체의 결정에 기체가 흡착하는 과정을 실시간으로 관찰했다.
 

강정구 카이스트 EEWS 대학원 교수(왼쪽)와 오사무 테라사키 교수 [사진=카이스트 제공]

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연구팀은 관찰 과정에서 금속유기골격체의 모든 기공에 기체가 균일하게 흡착되지 않고 각자 다른 밀도로 흡착된다는 사실을 발견했다. 압력이 증가하면서 급격하게 초격자 구조로 변이된 후 서서히 균일하게 분포하는 것 또한 확인했다.

이는 모든 기공에 균일하게 기체가 들어간다는 학설을 뒤집는 발견이다. 이것이 가능했던 이유는 메조다공성 금속유기골격체의 경우 골격이 얇고 기공이 커 다른 구멍의 기체분자끼리도 상호작용하기 때문에 발생하는 현상이다.

이 기술을 기반으로 새로운 고용량 가스저장 물질의 제작이 가능해짐으로써 여러 운송수단이나 가스를 사용하는 기계의 성능을 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 조 박사는 “단일 기공 내부의 기체 분자뿐만 아니라 다른 기공의 기체 분자 간 상호작용에 의해 기체의 흡착 메커니즘이 발생하는 것을 새롭게 발견했다”고 말했다.

이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처’에 9일 온라인판에 게재됐다.