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‘중수소’ 다공성 물질로 손쉽게 분리

기사승인 2017.12.07  22:30:00

김기곤 기자

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9면  
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UNIST ‘플렉시블 금속-유기 골격체 시스템’ 개발

문회리 자연과학부 교수팀
MIL-53 자극 후 추출 방식
美 JACS 온라인 발표

숨 쉬면 폐가 늘어나듯 기체를 받아들이면 구멍이 커지는 ‘다공성 물질’을 이용해 비싼 ‘중수소’를 쉽게 분리하는 기술이 개발됐다.


UNIST(총장 정무영) 자연과학부 문회리 교수팀은 경남과기대의 오현철 교수, 막스플랑크연구소의 마이클 허셔 박사와 함께 중수소를 분리하는 ‘플렉시블 금속-유기 골격체’ 시스템을 개발해 미국화학회지(JACS) 12월 4일 온라인 속보로 발표했다.


플렉시블 금속-유기 골격체는 기체의 온도나 압력에 영향을 받아 구멍이 커지는 독특한 물질이다. 외부 자극만으로 기공(氣孔)이 팽창하기 때문에 복잡한 설계 없이 동위원소 동위원소(同位元素, Isotope): 원자번호가 같지만 원자량이 다른 원소를 말한다. 어떤 원소의 동위원소는 그 원소와 같은 수의 양성자와 전자를 가지지만, 다른 수의 중성자를 가진다. 물리·화학적 성질이 비슷해 분리하기 까다롭다.


문회리 교수팀은 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체인 ‘MIL-53’을 이용해 중수소를 효과적으로 분리하는 데 성공했다. 다공성 물질에 외부 자극을 줘서 동위원소 기체를 손쉽게 분리하는 방식을 제안한 최초 연구라 학계에서 주목받고 있다. 


제1저자인 김진영 UNIST 자연과학부 석·박사통합과정 연구원은 “플렉시블 금속-유기 골격체가 외부자극에 노출되면 미세한 구멍(細孔)이 팽창하거나 수축하는 ‘호흡 현상’을 보인다”며 “이를 이용하면 원하는 기체만 골라 흡착시키거나 탈착시키는 게 가능하다”고 말했다. 


문 교수팀은 수소 기체를 만날 때 기공 구조가 바뀌는 ‘MIL-35(Al)’을 선택해 중수소 분리에 도전했다. 이 물질은 양쪽 끝이 뚫린 긴 고무관처럼 생긴 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체다. 


MIL-35(Al)의 작은 기공(0.26㎚, 1㎚=10억 분의 1m)은 극저온(-233℃)에서 수소 기체를 만나는 순간부터 커져서 큰 기공(0.85㎚)으로 변한다. 기공의 확장은 입구부터 시작해 중심부로 연속해서 진행된다. 이때 중수소는 작은 기공이 있는 중심부로 먼저 이동한다. 이들이 다공성 물질의 벽면에 먼저 흡착되기 때문에 뒤따라온 수소는 다시 빠져나가게 된다. 결국 MIL-35(Al)에는 중수소만 남게 되는 것이다. 


문회리 교수는 “플렉시블 금속-유기 골격체의 기공 크기가 변하는 중에 중수소를 가장 잘 골라낼 수 있는 순간이 있다”며 “이 때를 잘 파악하면 복잡하게 분리 시스템을 설계하고 가공하지 않아도 손쉽게 최고의 효율로 중수소를 얻을 수 있다”고 설명했다. 


이번 연구는 한국연구재단 주관 핵융합기초연구사업, 우수과학연구센터(SRC), 신진연구자지원사업, 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐다.    

 

김기곤 기자 nafol@iusm.co.kr

입력.편집 :   2017-12-07 21:34   김지은 기자
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