고체 내에서 액체처럼 흐르는 수소이온…수전해 실현되나
친환경 이차전지나 연료전지, 수전해 기술 실현 가능성이 한층 가까워졌다. 한-일 연구진이 수소를 음이온 상태로 만들어 액체저럼 빠르게 이동시키는 기술을 개발했다. 다만, 학술적인 가치는 큰 반면 산업 적용까지는 험난한 여정이 남았다. 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 화학과 김상륜 교수(에너지융합대학원 겸임) 연구팀이 한국원자력연구원 및 일본 도쿄과학대학과 공동으로 고체 내 수소음이온의 전도 속도를 기존대비 1천 배 이상 높이는데 성공했다고 말했다. 이 연구는 기존의 리튬이온전지나 전고체전지와는 전혀 다른 방식의 에너지 이동 기술로, 수소음이온(H⁻)을 활용한 친환경 이차전지, 연료전지, 수전해 기술의 실현 가능성을 한층 끌어올렸다는 점에서 가치가 크다는 것이 연구를 책임진 김상륜 교수 얘기다. 연구진은 이 연구에서 분자성 착이온을 활용했다. 착이온은 중심 원자에 여러 개의 분자 또는 이온이 붙어 있는 구조를 말한다. 전하를 띤 다원자 이온이다. 연구에서는 BH4⁻ (수소화붕소 음이온)을 사용했다. 이를 페로브스카이트 구조의 결정 내에 수소음이온과 함께 배치한 것. 페로브스카이드 구조는 광석과 같은 결정구조다. 원자 수준에서 이들의 상호작용을 분석한 결과, 착이온의 고환원성(전자를 내주는 성질)에 의해 수소음이온이 안정화될 뿐 아니라, 착이온의 정전기적 상호작용이 약한 영역에서는 낮은 에너지 장벽이 형성돼 수소음이온이 보다 쉽게 이동할 수 있다는 것을 확인했다. 연구진은 보다 정밀한 분석을 위해 중성자 회절 실험을 진행한 결과도 공개했다. 중성자를 물질에 쏘아 원자에 부딪혀 반사되는 패턴을 분석해보니, 착이온과 수소이온이 단일상(균일한 결정구조)으로 안정적으로 유지되는 것을 밝혀냈다. 김상륜 교수는 "MEM(맥시멈 엔트로피 방식) 분석으로 착이온이 주변 이온들과 비대칭적으로 상호작용하며 제자리에 고정되어 있다는 것도 확인했다"며 "착이온이 없는 기존 구조와 비교했을 때, 수소음이온의 이온전도도가 무려 1천배 이상 증가했다"고 설명했다. 김 교수는 “세계 처음 착이온에 의한 수소음이온 전도를 구현한 사례"라며 "다만, 상용화하려면 이 기술 구현 온도를 현재의 100도에서 실온 수준으로 낮춰야하고, 기존 양산체제를 모두 바꿔 새로 시스템을 갖춰야하는 어려움이 있다"고 말했다. 연구는 석박사통합과정 김태현·김태승·이태경 연구원이 공동 주저자로 참여했다. 연구결과는 화학분야 국제학술지(Journal of the American Chemical Society)에 지난 17일 온라인으로 게재됐다.
