韓日 연구진, ‘수소’ 이동속도 1000배 높인 신기술 개발

- GIST-원자력연-도쿄과학대 공동연구 성과

김상륜(왼쪽부터) GIST 교수, 김태현·김태승·이태경 석박사통합과정 학생.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과 일본 공동연구진이 수소를 음이온 상태로 만들어 고체 속에서 마치 액체처럼 빠르게 이동시키는 새로운 기술을 개발됐다.

이번 연구는 기존 리튬이온전지나 전고체전지와는 전혀 다른 방식의 에너지 이동 기술로, 수소음이온(H⁻)을 활용한 친환경 이차전지, 연료전지, 수전해 기술의 실현 가능성을 한층 끌어올렸다는 점에서 학술적·산업적 가치가 높다.

광주과학기술원(GIST)은 화학과 김상륜 교수 연구팀이 한국원자력연구원과 일본 도쿄과학대학nce Tokyo)과의 공동연구를 통해 분자성 착이온을 활용해 고체 내 수소음이온의 전도 속도를 획기적으로 높일 수 있다는 사실을 규명했다.

일반적으로 고체 상태에서는 이온이 자유롭게 움직이기 어렵지만, 특정 이온이 고체 내에서도 빠르게 이동할 수 있다면 리튬이온 전고체전지와 같은 에너지 저장·변환 기술에 혁신적인 전기를 마련할 수 있다.

이러한 이유로 새로운 전도성 이온의 발견은 학문적 의미뿐만 아니라 향후 산업적 응용 가능성 측면에서도 매우 중요한 성과로 평가된다.

수소는 친환경 에너지원으로 각광받고 있지만, 다른 물질과 쉽게 반응하는 성질 때문에 안정적으로 다루기 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 수소를 음이온(H⁻) 형태로 안정화하고, 고체 내에서 빠르게 이동할 수 있도록 분자성 착이온을 활용한 새로운 구조를 설계했다.

수소음이온을 안정화시키고 이동 속도를 높이기 위해 페로브스카이트 구조의 결정 내에 착이온 BH4⁻와 수소음이온을 함께 배치하는 독자적인 설계 원리를 제안했다.

원자 수준에서 이들의 상호작용을 분석한 결과, 착이온의 고환원성(전자를 내주는 성질)에 의해 수소음이온이 안정화될 뿐만 아니라, 착이온의 정전기적 상호작용*이 약한 영역에서는 낮은 에너지 장벽이 형성되어 수소음이온이 보다 쉽게 이동할 수 있음이 확인되었다.

연구팀은 먼저 전자를 잘 내주는 성질(고환원성)을 가진 착이온 BH4⁻(수소화붕소이온)이 수소를 음이온 상태로 안정화시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

이 결과를 바탕으로, BH4⁻와 수소음이온이 공존하는 새로운 물질을 단일상(균일한 결정 구조)으로 합성하는 데 성공했다.

연구팀은 착이온과 수소음이온이 함께 존재하는 단일상 구조와 이온의 이동 특성을 보다 정밀하게 분석하기 위해, 수소 대신 중수소(D)를 넣은 화합물을 합성하고 중성자 회절 실험을 진행했다.

분자성 착이온을 포함하는 수소음이온 전도성 페로프스카이트 구조.[GIST 제공]

그 결과, 페로브스카이트 격자 안에서 착이온과 수소음이온이 무질서하게 섞여 있는 상태임을 밝혀냈으며, 이러한 무질서한 배열 덕분에 단일상 구조가 더 안정적으로 유지된다는 사실을 확인했다.

특히 주목할 만한 점은, 이러한 비대칭적 착이온이 만든 정전기적 상호작용이 약한 경로를 따라 수소음이온이 훨씬 더 빠르게 이동했다는 것이다. 실제로 착이온이 없는 기존 구조와 비교했을 때, 수소음이온의 이온전도도가 무려 1000배 이상 증가한 것으로 확인됐다.

김상륜 교수는 “이번 연구는 세계 최초로 착이온에 의한 수소음이온 전도를 구현한 사례로, 앞으로 수소 기반의 새로운 친환경 에너지 기술 개발에 중요한 전환점을 마련할 수 있을 것”이라고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국 화학회지’에 4월 17일 온라인 게재됐다.