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다공성 물질의 기공을 0.01 나노미터 단위로 정밀하게 조절할 수 있는 기술이 개발되었다. 이 기술은 자연계에서 매우 적은 양만 존재하는 중수소를 효율적으로 분리할 수 있는 가능성을 열어준다. 중수소는 수소의 동위원소로 핵융합발전과 반도체 공정 등 다양한 산업에 중요한 자원이다.

▲ 이온 교환 방식을 통한 다공성 물질의 기공조절과 중수소 분리 개념도.

이 기술은 오현철 UNIST 화학과 교수팀과 이은성 서울대 화학부 교수팀의 공동 연구에 의해 개발되었으며, 이들은 금속 유기 골격체(MOF)의 기공 크기를 0.01 나노미터 수준까지 정밀하게 조절하는 방법을 제시했다. 이를 통해 중수소의 분리 효율을 기존보다 약 두 배 향상시킬 수 있었다.

금속 유기 골격체는 다공성 물질로, 기공을 활용해 중수소와 수소를 효과적으로 분리할 수 있다. 수소와 중수소의 크기가 모두 약 0.3 나노미터 수준으로 매우 작기 때문에, 기공의 크기를 정확하게 조절하는 것이 중요하다. 연구팀은 JCM-1이라는 금속 유기 골격체 소재의 이온을 질산염(NO₃⁻)에서 염화물(Cl⁻)로 교환함으로써 기공의 크기를 0.39 나노미터에서 0.36 나노미터로 줄이는 데 성공했다.

이 과정에서 염화물이온이 질산염이온보다 더 강하게 기공을 당기게 되어, 기공 크기가 변화한 것으로 분석되었다. 이로 인해 JCM-1(Cl⁻)의 중수소 분리 효율은 14.4에서 27.7로 급격히 향상되었다. 기존의 극저온 증류방식에서는 24K(-249.15°C)에서만 이루어지던 중수소 분리가 JCM-1(Cl⁻)에서는 상대적으로 높은 온도인 50K(-223.15°C)에서도 안정적으로 진행될 수 있어, 산업적 활용 가능성도 높다.

김현림 연구원은 "JCM-1(Cl⁻)은 기존 극저온 방식보다 9배 이상 뛰어난 성능을 보였으며, 다양한 산업 분야에서 중요한 잠재력을 가지고 있다"고 설명했다. 오현철 교수는 "이번 연구는 다공성 물질의 나노 기공 크기를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시하며, 동위원소 분리뿐만 아니라 다양한 가스 분리 기술에도 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 진행된 중견연구 및 기본연구사업의 일환으로 수행되었다.

출처 : 에너지신문(https://www.energy-news.co.kr)