[지금은 과학] 수소저장능력 2배, 세계 최초 준안정상 팔라듐 수소화물 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 팔라듐(Pd)은 백금과 비슷한 촉매 성능과 함께, 자체 부피의 900배나 되는 수소를 흡수할 수 있는 성질을 갖고 있는 차세대 수소 에너지의 핵심소재다.

24일 KIST를 중심으로 한 국내 연구진이 세계 최초로 육방밀집구조를 가진 준안정상 팔라듐 수소화물(水素化物)을 만드는 데 성공했다고 발표했다. 개발된 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수한 열안정성과 더불어 수소저장 성능이 2배에 가까운 것으로 확인됐다.

연구진은 "수소와 리튬 등의 경량 원소를 함유하는 합금소재 개발의 새로운 패러다임을 제시했다"며 "수소연료전지와 저장장치 등 친환경 에너지소재 개발을 향한 국제사회의 움직임이 더욱 가속화될 것"으로 전망했다.

KIST 청정신기술연구본부 천동원 박사팀은 기존에 보고된 바 없는 새로운 준안정상 팔라듐 수소화물(PdHx) 소재 개발과 함께 생성 기전을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 24일(한국시각) 1시 세계 최고 권위의 과학저널인 네이처(Nature)紙에 게재됐다.

‘준안정상’(metastable phase) 물질이란 열역학적으로 에너지가 가장 낮은 안정한(stable) 상태로 존재하는 대부분의 물질과 다르게 에너지가 안정상 보다 높지만, 안정상으로 변화하는데 필요한 에너지의 양이 매우 커서 준안정 상태로 존재하는 물질을 말한다. 예를 들어 다이아몬드는 준안정상으로 존재하는 대표적인 물질인데, 이를 안정한 상태의 흑연으로 바꾸려면 1200도 이상의 온도가 필요하다.

이처럼 안정상과 확연하게 구별되는 물성을 띄는 준안정상을 통해 새로운 성능을 가진 소재를 개발하기 위한 많은 연구가 이뤄져 왔으나 절삭·가공용 다이아몬드 합성과 박막증착처럼 주로 연구자의 경험, 직관, 추론 등 경험적인 방법론에 의존하는 경향이 있었다. 

KIST 연구진은 소재의 결정성장과정을 실시간 관찰하기 위한 도구인 투과전자현미경을 소재합성에 활용했다. 연구진은 "백금, 금 등의 경우 액상투과전자현미경을 이용한 결정성장과정 실시간 관찰연구가 많이 보고되고 있는 반면에 팔라듐의 경우 연구보고가 전무한 상황이어서 호기심에서 시작된 연구"라고 소개했다.

연구진은 준안정상 소재 개발의 체계적인 이론화를 위해, 투과전자현미경 액상셀 내부에 수소분자와 수소라디칼이 급격하게 증가하도록 환경을 조성하고 현미경의 빔량과 팔라듐의 농도에 따라 생성되는 팔라듐 수소화물(PdH)의 결정구조와 수소함유량을 분석했다. 이 과정에서 팔라듐 대비 수소가 풍부한 환경에서 육방밀집구조를 갖는 준안정상 팔라듐 수소화물의 형성이 촉진됨을 확인했다. 이렇게 개발된 준안정상 팔라듐 수소화물은 안정상 소재보다 우수한 열안정성과 더불어 수소저장 성능이 2배에 가까운 것으로 확인됐다.

연구진은 이렇게 개발한 준안정 금속 수소화물 합성법의 과학적 근거를 마련하기 위해 밀도범함수 이론 계산 및 몬테카를로 계산을 통해 기존에 알려진 입방밀집구조와 다른 결정구조를 갖는 준안정상 수소화물의 생성원리를 규명했다. 또한 원자분해능 전자토모그라피를 통해 준안정상 수소화물의 구조를 원자수준에서 규명하고 준안정상 팔라듐 수소화물이 열역학적으로 안정적임을 증명했다.

연구책임자인 천동원 박사는 “새롭게 개발한 준안정상 소재합성방법론으로 경량원소가 포함된 합금신소재 개발의 중요한 원천기술을 마련하게 됐다”며 “추가 연구를 통해 수소, 리튬 등을 저장할 수 있는 준안정상 기반 친환경 에너지소재 개발과 함께 현대 반도체 산업의 핵심기술이 된 초크랄스키 공정(웨이퍼 제조공정)처럼 새로운 소재 혁신의 전기가 될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업과 KIST 미래원천청정신기술 개발 사업으로 수행됐다.

*논문명 : Metastable Hexagonal Close-Packed Palladium Hydride in Liquid Cell TEM/ nature

*저자 : 홍재영 연구원 (現, UIUC), 배지환 전문원(이상 제1저자), 손창윤 포항공대 교수, 양용수 KAIST 교수, 이영수 KIST 박사, 유성종 KIST 박사, 천동원 KIST 박사(이상 교신저자)