수소차용 연료 저장용량 및 반응속도 개선 기대

한국과학기술연구원 한상수 박사 연구팀이 유기물 반응에서만 일어나는 친전자 치환반응(SE2 반응)이 무기물에서도 유사한 방식으로 일어날 수 있음을 양자계산을 통해 규명하였으며, 이는 수소저장 물질에 적용 가능하다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

이 연구결과는 미국국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A.) 12월 12일자 온라인판에 게재되었다.

수소(H2)저장 기술은 차세대 에너지원인 수소에너지 분야의 핵심 기술로서, 연료전지 작동 온도인 80℃ 근방에서 원활한 수소 저장 및 방출이 가능한 소재를 찾는 것을 목표로 하고 있다.

암모니아 보레인(ammonia borane; NH3BH3)은 비탄소계 무기물로서 차세대 수소저장 물질로 평가받고 있다. 하지만 수소방출을 위해서는 200℃ 정도의 높은 온도가 필요하다는 문제가 있다.

이러한 단점 극복을 위해 수소 방출 온도를 낮추기 위한 촉매로 금속할로겐족(염화철(FeCl2), 염화망간(MnCl2) 등)을 이용해 실험적으로 연구하여 왔으나, 그 반응메커니즘에 대해서는 밝혀진 바가 없었다.

하지만 이번 연구에서 금속할로겐족 촉매로 인한 암모니아 보레인의 수소생성반응이 ‘비탄소계 SE2’ 반응이라는 것을 처음으로 밝혀냈다.

금속할로겐족 촉매의 금속원자가 친전자 작용기로 작용하며 보레인(borane; BH3) 작용기가 탈착화합물 역할을 하여 SE2 반응이 일어나고, 이 반응에 의해 낮아진 에너지 장벽을 통해 상대적으로 낮은 온도에서 수소방출 반응이 일어나게 됨을 양자계산을 통해 밝혔으며, 실험데이터와 일치함을 증명했다.

이번 연구성과를 통해 고체의 보론-질소계 암모니아 보레인 수소저장 물질뿐만 아니라 액체의 탄소-보론-질소계 신규 수소저장 물질 개발의 새로운 가능성을 열게 되었다.

한상수 박사는 “수소저장 물질의 촉매 반응 메커니즘 규명으로 더 우수한 성능을 갖는 관련 물질 개발에 대한 기반을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있고, 나아가 무기화학반응의 확장 가능성을 통해 좀 더 다채로운 소재를 개발할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이 연구성과는 과기정통부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행되었다.