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보도자료 |
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배포일 |
2024년 4월 3일(수) |
엠바고 |
온라인 : 2024년 4월 3일(수) 12:00 지 면 : 2024년 4월 4일(목) 조간 |
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문 의 |
연구부서 |
화학공정연구본부 박지훈 CO2에너지연구센터장(042-860-7612, 010-9480-5023) 화학공정연구본부 정관용 연구원(042-860-7339, 010-4087-8869) |
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홍보부서 |
대외협력실 양경욱 실장(042-860-7998, 010-5564-1700) 대외협력실 김도균 선임행정원(042-860-7826, 010-2594-5342) |
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안전하게 저장하고 고효율로 추출 가능한 세계 최고 수소 저장 소재 개발 - 계산화학을 통해 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 분자를 제어하여 획기적 성능 향상 성공 - 기존 화석연료와 같은 안전성과 높은 확장성까지 지녀 수소에너지사회로의 전환 가속화 기대 |
□ 탄소중립녹색성장위원회는 글로벌 중요 이슈인 탄소중립 달성을 위하여 ‘2050 탄소중립 달성과 녹색성장 실현’을 위한 국가 기본계획을 수립한 가운데, 화석연료 에너지원을 대체할 친환경 수소에너지가 주목받고 있다. 특히 수소 분야는 ‘12대 국가전략기술’에 포함되는 주요 분야로 인식되고 있다. 이러한 시점에 국내 연구진이 대용량 수소를 폭발 위험 없이 안전하게 저장하면서도 높은 효율로 저장·추출하는 기술을 개발하였다.
◯ 한국화학연구원(원장 이영국) 박지훈 박사 연구팀은 서울대학교 한정우 교수 및 고려대학교 최정규 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 가장 안전한 수소 저장 기술로 알려진 ‘액상유기물 수소운반체(LOHC*)’ 기술의 획기적 성능과 확장성까지 확보한 혁신적인 수소 저장 소재를 개발하였다.
* Liquid Organic Hydrogen Carrier
◯ 이번 성과는 계산화학*을 통해 LOHC의 화학구조에서 부수적으로 여겼던 작은 분자들이 수소 저장·추출 공정의 성능과 효율 향상의 핵심임을 밝혀내, 향후 혁신적 수소에너지 저장 소재 개발에 지속 활용될 것으로 기대된다.
* 계산 화학(computational chemistry) : 컴퓨터의 연산 능력을 활용하여 여러 화학 이론에 대한 수치 해석적 방법을 구현하고 응용하는 화학의 한 분야
□ 수소는 온실기체의 배출이 없는 청정한 에너지임에도 불구하고, 부피가 상대적으로 크고 위험한 물질이기 때문에, 얼마나 많은 양의 수소를 안전하게 운반하는지가 수소에너지 경제 전환의 핵심이자 큰 숙제이다.
◯ 이러한 고민의 해답이 바로 LOHC 기술이다. LOHC 기술은 상온·상압 에서도 적은 용량의 액체에 대량의 수소를 담아 운반 안정성과 효율이 높다. 수소가 충전된 액상 유기물을 기존 활용 유조차로 운반하면 되므로, 수소 도시를 위한 에너지 인프라 구축 비용도 경제적이다.
◯ LOHC 기술의 핵심은 무엇보다 수소를 저장하는 액상 유기화합물 소재 개발이다. 유기화합물 소재의 특성에 따라 수소 저장 용량, 수소 저장·추출 성능, 반복사용 안정성 등이 모두 좌우되기 때문이다.
◯ 하지만 기존 LOHC 연구는 기본적으로 탄소 육각 고리 구조인 ‘벤젠 (benzene)’을 기반으로 하여 수소 저장·추출에 유리하지만, 물질 다양성이 낮아 성능을 높이는 확장성에 한계가 있다. 따라서 새로운 소재를 개발하기 위해서는 완전히 새로운 구조를 찾아야 하는 어려움이 있다.
□ 이에 연구팀은 기존 알려진 LOHC 소재에서 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 메틸 분자(CH3)를 제어하고 활용하면 화학반응을 더욱 유리하게 조절할 수 있다는 사실을 발견하여, 기존 대비 뛰어난 성능의 새로운 LOHC 소재를 개발하였다.
◯ 연구팀이 ’18년 개발한 LOHC 소재는 질소(N)를 활용하여 성능을 높였다. 그런데 실험적 결과와 이론적 계산을 바탕으로 질소 이외에 당시에는 큰 영향이 없다고 여겼던 메틸 분자가 LOHC 소재의 성능을 높이는 데 중요한 요인이 된다는 것을 발견하였다.
◯ 이는 새로운 합성법을 적용하여 이루어낸 성과이다. 기존 혼합물 형태의 LOHC 소재와 달리, 연구팀은 순수한 조성의 소재를 얻을 수 있는 합성법을 활용하여, 메틸 분자의 위치를 특정한 위치로 조정할 수 있게 되었다.
◯ 이러한 사실을 바탕으로 수소 저장 및 방출 속도가 각각 206% 및 49.4% 증가한 새로운 LOHC 소재를 개발하였고, 소재가 촉매 물질과 상호작용하여 수소가 추출되는 세부 작용에 대한 상세한 원리를 밝혔다.
◯ 본 연구성과는 메틸 분자의 역할을 통해 손쉽게 더 좋은 물질을 개발할 수 있는 방법을 찾아낼 수 있고, 이를 통해 수소 저장체의 설계와 최적화의 새로운 방법론을 제시하였다는 데에 큰 의의가 있다.
◯ 연구팀은 개발된 LOHC 소재를 활용하여 수소 모빌리티에 직접 안전한 수소를 공급하거나, 수전해 수소의 직접 저장이 가능한 소재 등 수소 사회 구현을 위한 맞춤형 LOHC 기술도 후속 연구 중이다.
□ 화학연 이영국 원장은 “이번 성과는 LOHC 기술의 핵심인 저장체 설계 분야에서 세계에서 가장 발전된 개발 기술을 선보였다는 점에서 큰 의미가 있으며, 이를 계기로 수소 경제에서 우리나라가 경쟁력을 확보하기 위한 탄탄한 기반이 되기를 희망한다.”라고 말했다.
◯ 본 연구는 ’24년 3월 에너지 분야의 권위지인 ‘에너지 스토리지 머트리얼즈 (Energy Storage Materials, IF : 20.1)’와 환경·에너지 촉매 분야 권위지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 환경 & 에너지(Applied Catalysis B: Environment & Energy, IF : 22.2)’에 연달아 게재되었다.
◯ 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업 및 혁신연구 지원사업과 과학기술정보통신부 수소에너지원천기술개발사업으로 수행되었다.
◯ 한편 박지훈 박사 연구팀은 LOHC 기술 개발 성과로 ’19년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정된 바 있다.
연 구 결 과 문 답 |
이번 성과가 기존과 다른 점은? (기존 기술과 차이 비교) |
- 2050 탄소배출 Net-zero 달성을 위하여 친환경 수소에너지가 주목받고 있으나, 안전성·경제성 우려로 인해 일상적 활용성 확보에는 한계. - 폭발 위험, 고가의 촉매, 높은 인프라 구축비 등의 안전성·경제성 이슈로 높은 규제장벽과 진입 저항에 막혀 도심지내 인프라 확보가 어렵고, 대중적인 활용성 확보에는 한계가 있기 때문 - LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)는 대용량 수소를 액상 유기화합물에 담아 안전하게 이송하는 기술로 개발되어 주로 저장·운송 기술로 활용될 수 있어 주목받고 있음. 이미 독일과 일본에서는 상용 운전에 돌입하였음. - 그러나 LOHC 기술의 확장성을 위해서는 다양한 수소 응용 분야와 연계될 수 있는 특성을 지닌 LOHC 소재의 개발이 핵심 - 이미 한국화학연구원은 2018년부터 질소가 도입된 고효율 LOHC 소재를 독자 개발하여, LOHC 물질 개발에서 세계적인 선도 기관임 - 이번 성과에서는 저장 소재 개발의 한계로 지목되는 한정된 물질 구조를 ‘Magic Methyl(매직 메틸)’이라고 명명하는 작은 화학 구조 도입을 통해 세분화하였으며, 그 과정에서 기개발 소재와 유사한 특성을 가지면서도 성능이 향상된 새로운 LOHC 소재를 개발하였음 - 이번 연구의 핵심인 ‘Magic Methyl’은 이름처럼 유기분자에서 탄소1개와 수소 3개로 이루어진 가장 간단한 구조이지만, 1개의 기본구조를 최소 4개 이상의 신규 소재로 손쉽게 세분화하고 위치에 따른 서로 다른 성능의 차이를 유발하는 놀라운 효과를 보였음. - 세분화된 물질 구조로 인한 성능 차이와 도입된 분자들의 수소 추출 공정에서의 거동을 계산화학을 통해 실험과 이론의 연계성을 찾아내고 규명하였음 - 이번 성과를 통해 주로 LOHC 소재의 핵심 구조를 보조하기 위한 작용기로 여겨졌던 분자들의 작동 원리와 확장 가능성을 밝혀냈으며, 상용 LOHC 소재 등 LOHC 소재 개발 적용 시 기존의 성능을 기반으로 한 효율적인 성능 개선이 기대되어 보다 혁신적인 수소에너지 저장 소재 개발에 활용될 것으로 기대 |
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어디에 쓸 수 있나? (활용 분야 및 제품) |
- 그동안 수소 저장 방식으로서 안정성을 특징으로 대용량의 수소 저장/운송기술로만 활용되던 LOHC기술을 수소 생산과 활용을 연계하는 핵심기술로 활용할 가능성 제공 - 개발된 물질은 안정성은 유지하면서도 수소 추출 효율을 높일 수 있어, 소형화 공정기술과 결합하여 수소 모빌리티용 직접 수소 공급 기술로 활용될 수 있음 - 기존연료와 같은 안전성과 높은 확장성을 지닌 수소 인프라 기술로 수소에너지의 활용방식에 새로운 전환의 계기 마련 가능 |
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실용화를 위한 과제는? |
- 개발된 LOHC 소재의 대량 생산을 위한 제조 공정 기술 확보와 효율적인 수소 추출 특성을 수소 활용 분야와 연계하기 위한 모듈화 및 on-board가 가능한 소형화 수소 추출 시스템 기술 개발이 함께 수행되어야 함 |
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실용화 가능 시기는? |
- 실용화를 위한 수소 추출 공정 및 장치화 개발이 완료되는 시점에 가능할 것으로 판단하며, 기술개발 4년과 실증 평가 2년 정도가 소요될 것으로 전망 |
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산업적, 경제적 파급효과는? |
- 수소 운송·저장 수단으로만 주목받았던 LOHC의 기술을 분산 발전, 도심형 친환경 에너지, 모빌리티 등의 다양한 일상활용 분야에 확장할 수 있는 특성을 지닌 핵심 소재 기술로 수소에너지 활용의 새로운 기준 제시 - 안전성과 경제성이 높은 LOHC 핵심 기술의 독자적인 개발 가능성으로 해외 기술에 의존하지 않는 수소 생태계 기반 마련이 가능하며, 활용기술의 확보로 도심지 내외에서 다양한 일상형 무탄소 에너지원으로 활용 가능 - LOHC 수소연료 사용으로 운송비용 및 유지비용 절감 효과, 기존의 구축된 인프라 활용으로 수소에너지의 경제성을 향상시키고 수소경제사회로의 전환을 촉진 |
연구 관련 이미지 및 사진 |
□ 논문명(에너지 스토리지 머트리얼즈, Energy Storage Materials) |
- 논문명(영) : ‘Magic methyl effect’ in 2-benzylpyridine-based H2 storage materials: Enhanced H2 storage/release performances - 논문명(국) : 2-벤질피리딘 기반의 수소 저장 물질에서 수소 저장 및 추출 성능을 향상시키는 ‘매직 메틸 효과’ |
□ 논문명(어플라이드 카탈리시스 B: 환경 & 에너지, Applied Catalysis B: Environment) |
- 논문명(영) : Roles of bridge carbon and heteroatom during the dehydrogenation reaction of dicyclohexylmethane derivatives on Pd and Pt catalysts for liquid organic hydrogen carrier - 논문명(국) : 다이사이클로헥실메테인 유도체 기반의 액상유기물 수소운반용 저장체에서 팔라듐 및 백금으로 촉매화된 탈수소화 반응 중 다리 탄소 및 헤테로원자의 역할 |
□ 연구팀의 LOHC 소재의 개발 과정 |
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▲ 연구팀은 ’18년 탄소로만 이루어진 소재(➀)에 질소를 도입하여 효율과 안정성을 높이는 성과를 도출(➁)하였음 ▲ 기존 개발 소재(➁)에서는 큰 영향이 없다고 여겨졌던 메틸 분자가 성능과 효율을 높이는 데 중요한 요인이 된다는 것을 실험적 결과와 이론적 계산을 결합하여 밝혀냄(➂) |
□ 새롭게 개발된 LOHC 소재의 향상된 수소 저장 및 추출 속도 |
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▲ 기존 알려진 LOHC 소재에서 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 메틸 분자(CH3)를 제어하면 원하는 반응이 더욱 빠르고 많이 일어나게끔 화학반응을 조절할 수 있다는 사실을 발견함. ▲ 특히 새로 개발된 LOHC 소재에는 메틸 분자의 효과를 도입하여 기존 소재 대비 200% 가량의 수소 저장 속도와 50% 가량의 수소 추출 속도가 향상됨을 확인하였음. |
□ 실험과 계산화학을 연계하여 규명한 탄소 다리의 수소 추출 과정에서의 역할 |
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▲ 연구팀은 기존 LOHC 소재에서 저장·추출에 기여하지 못하던 탄소 다리(CH2)를 활용하면 촉매와의 상호작용을 촉진하여 원하는 반응이 더욱 빠르고 많이 일어나게끔 화학반응을 조절할 수 있다는 사실을 규명함. |
