기후변화로 인한 여러 문제가 발생하면서 기존 화석 연료를 대체할 친환경 에너지원 발굴에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 이에 따라 대체 에너지원으로 수소가 주목받고 있는데요. 수소는 지구상에 풍부한 물에 다량으로 포함되어 있어 고갈될 우려가 적을뿐만 아니라 에너지를 얻기 위하여 연소되는 과정에서 환경을 오염하는 물질이 방출되지 않는다는 장점을 가지고 있습니다. 이런 수소를 에너지원으로 활용하기 위해서는 생산한 수소를 안전하고 효율적으로 저장하는 기술이 필수적입니다. 최근에는 수소를 보다 효율적이고 경제적으로 저장할 수 있는 신물질이 연구되고 있습니다.

기존 수소 저장 기술의 한계
현재 수소를 저장하는 데 보편적으로 이용되는 기술은 고압 탱크에 압축하여 저장하는 방식입니다. 하지만 이 방법은 높은 압력을 가하는 데 있어 많은 에너지가 필요하고, 이를 견딜 수 있는 내구성이 강한 용기를 개발하는 데에도 어려움이 있다는 단점이 존재합니다.

고압 수소 탱크 외에 또 다른 방식인 액화 냉각 기술은 수소를 액체 상태로 유지하기 위해 영하 253도 이하의 온도까지 냉각해야 하고, 액화된 수소가 시간이 지남에 따라 용기에서 유출되는 양이 많다는 문제점이 있습니다. 또한, 냉각 과정에서 냉매를 마련하고 기체를 다시 팽창시키는 등 상당한 에너지가 투입되어야 한다는 문제점이 있습니다.

▼ 기존의 수소 저장 기술 ▼
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화학 결합력 이용하기: 금속수소화물
앞서 언급한 기존 수소 저장 방법의 한계를 극복하기 위해 신물질에 수소를 가둬 두는 방안을 고안하였습니다.

그중 금속수소화물을 이용하는 방식은 물질과 수소 사이의 화학 결합력을 이용하는 기술입니다. 이 기술은 더 좁은 공간에 더 많은 양의 수소를 저장하기 위해 금속수소화물을 사용하여 고체 상태로 수소를 저장하는 것입니다.

금속수소화물이란, 수소와 주로 주기율표 왼쪽에 위치해 있는 금속 원소가 화학 결합을 이룬 물질을 말하는데, 수소가 금속 원소와 결합을 이룰 때 흡수 공정에 의하여 고체 상태로 금속 상에 화학적으로 저장됩니다.

이러한 수소 저장 방식은 수소를 상온, 저압인 조건에서도 고밀도로 저장할 수 있으며, 다른 저장 방법에 비해 더욱 안전합니다. 하지만, 같은 양의 수소를 저장하기 위해 필요한 금속수소화물의 무게가 많이 나간다는 단점이 있습니다.

물리 구조 이용하기: 나노 구조
금속수소화물이 지닌 문제점을 해결하기 위해 최근에는 탄소 재료를 이용한 수소 저장 방식이 주목받고 있습니다. 바로 다공성 탄소 재료가 그 주인공입니다.

다공성 탄소 재료는 탄소나노튜브, 그래핀과 같은 탄소 재료가 가지고 있는 빈 나노 구조를 활용하여 그 안에 수소를 가두려는 방안입니다. 탄소 재료가 수소 저장에 적합하려면, 전체 부피에 비해 표면적이 넓어야 하는데요. 부피에 비해 표면에 달라붙을 수 있는 수소의 양이 많으면 저장 밀도가 증가하여 경제성이 높아지기 때문입니다. 따라서 여러 층을 가지고 있는 다층 구조의 물질이 수소 저장 물질로 각광을 받고 있습니다. 대표적으로 Graphite라는 물질이 있는데, 탄소 원자가 화학 결합을 이룬 평면 구조가 삼차원으로 적층 되어 층과 층 사이가 비어 있는 다층 구조를 가지고 있습니다.

탄소 나노튜브 역시 중간이 비어 있고 부피 대비 넓은 표면적을 가지고 있는 물질로 이를 활용하여 수소를 저장하려는 연구가 진행되고 있습니다.

활성탄도 주목받는 다공성 재료입니다. 활성탄은 수소를 흡착하는 능력이 뛰어나 많은 주목을 받고 있는데요. 특히 다른 탄소 재료에 비하여 대량생산이 가능하므로 가격이 비교적 저렴하고 공업적 사용이 용이하다는 특징이 있습니다.

 

앞서 소개한 신소재를 이용한 수소 저장 방식은, 안전성은 확실히 보장되지만, 아직까지 기술적 발전이 충분히 이루어지지 않아 수소 저장 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있습니다. 현재 여러 대학과 연구 기관에서 이를 개선하려는 시도가 이루어지고 있는데요. 앞으로 새로운 소재가 등장하여 수소를 상용화된 에너지원으로 이용하는 날이 찾아오길 희망합니다.

 

*이 콘텐츠는 한국에너지공단 SNS 기자단의 기사입니다. 한국에너지공단 공식입장과 일치하지 않을 수 있습니다.

 

참고자료
유한영 외 3인, 나노 물질을 이용한 수소 저장, 전자통신동향분석 제23권 제6호
박병흥 외 3인, 금속수소화물을 이용한 수소 저장, NICE 제38권 제3호

 

이미지 출처

클립아트 코리아(http://www.clipartkorea.co.kr/)