미래 에너지원 중수소…체로 쳐서 분리한다

국내 연구팀, 획기적 기술 내놓아

▲고효율 중수소 분리 시스템(MOF-74-IM).[사진제공=유니스트]

[아시아경제 정종오 기자] 핵융합 원료인 '중수소'를 마치 체로 쳐서 분리하는 기술이 개발됐다. 중수소는 미래 에너지원으로 각광받고 있다. 그동안 수소와 중수소를 분리하는데 큰 어려움이 있었다.

국내 연구팀이 다공성 물질인 '금속-유기 골격체(MOF)'에 간단한 처리를 해 중수소를 효율적으로 분리하는 시스템을 선보였다. 수소와 중수소를 분리하는 강력한 물질이 개발된 것이다.

쌀과 좁쌀을 체(sieve)로 쳐서 분리하듯 중수소와 수소를 양자체(quantun sieve)에 통과시켜 골라내는 방법을 사용했다. 쌀과 좁쌀은 크기 차이를, 중수소와 수소는 양자(quantum) 차이를 이용했다.

이번에 개발한 시스템은 중수소를 분리하는 원리인 '운동 양자체(KQS) 효과'와 '화학적 친화도 양자체(CAQS) 효과'를 동시에 구현한 기술로 주목받고 있다.

운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving effect)란 1995년 네덜란드 라이덴대의 빈아커(Beenakker) 교수가 주창한 개념이다. 자연계에는 원자 번호는 같은데 원자량이 다른 원소가 있다. 동위원소이다. 중성자 개수가 달라 무게 차이가 난다. 가벼운 원소는 무거운 원소에 비해 좁은 공간에서 확산되기 어렵다고 봤다. 저온에서 무거운 동위원소는 가벼운 동위원소보다 좁은 공간을 더 빠르게 확산함으로써 운동 양자체 효과를 일으킨다.

화학적 친화도 양자체 효과(Chemical Affinity Quantum Sieving effect)는 동위원소 혼합물이 강한 흡착자리에 달라붙을 때 발생하는 효과를 말한다. 동위원소 혼합물에는 분자량이 다른 분자가 뒤섞여 있다. 이런 질량차이는 동위원소 사이에 서로 다른 흡착 에너지(엔탈피)를 유도한다. 이 차이 때문에 더 무거운 동위원소를 강한 흡착자리에 먼저 달라붙는다.

연구팀은 화학적 친화도 양자체 효과를 얻기 위해 중수소와 화학적 친화도가 높은 다공성 물질인 'MOF-74'를 선택했다. 그 다음 이 물질의 기공 내부에 이미다졸(imidazole) 분자를 도입해 구멍 크기를 조절했다. 수소보다 미세하게나마 작은 중수소만 통과시키도록 설계해 운동 양자체 효과를 구현했다.

이렇게 만들어진 다공성 물질 'MOF-74-IM'에서는 중수소가 조절된 구멍 내부로 빠르게 확산됐고 내부에 있는 흡착 자리에 화학적으로 강하게 달라붙었다. 이때 중수소 분리 인자는 최대 26을 나타냈다. 수소 1개당 중수소 26개를 골라낸다는 의미다. 기존 다공성 물질을 이용한 중수소 분리 연구에서 보고된 분리 인자는 동일 온도에서 최대 6이었다.

중수소는 수소에 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소다. 이 물질은 미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심원료이다. 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다. 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%로 극히 미미하다. 수소 혼합물에서 중수소를 분리하기 어려워 매우 비싸다.

이번 연구는 유니스트(UNIST) 자연과학부의 문회리 교수팀이 수행했다. 오현철 경남과기대 교수, 마이클 허셔(Michael Hirscher) 막스플랑크연구소 박사팀이 참여했고 강성구 울산대 교수도 함께 했다.

연구 논문에 제1저자로 참여한 김진영 UNIST 자연과학부 석·박사통합과정 연구원은 "쌀과 좁쌀을 체(sieve)로 쳐서 분리하듯 중수소와 수소를 양자체(quantum sieve)에 통과시켜 골라낸다고 생각하면 된다"며 "쌀과 좁쌀은 크기 차이를, 중수소와 수소는 양자(quantum) 차이를 이용한다"고 설명했다.

문회리 교수는 "기존에도 양자체 효과를 이용해 중수소를 분리하는 아이디어는 있었는데 두 양자체 효과를 동시에 가진 분리 시스템은 아직 보고되지 않았다"며 "지구상에서 귀한 자원인 중수소를 얻는 획기적 기술이 될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 미국화학회지(JACS) 온라인 9월23일자(논문명: Exploiting Diffusion Barrier and Chemical Affinity of Metal-Organic Frameworks for Efficient Hydrogen Isotope Separation)로 게재됐다.