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2016/07/05 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자

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[이달의 연구자] 수소 추출의 문제점, 그래핀으로 잡다

7월 이달의 연구자 다닐 부흐발로프 교수(화학과)

이종명

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/2qqB

내용
과학자들은 화석 에너지의 고갈을 대비해 차세대 에너지를 찾고 있다. 태양열, 핵융합과 함께 수소 연료도 차세대 에너지 중 하나다. 최근에는 수소연료 자동차가 출시되는 등 수소에너지 개발 움직임이 뚜렷하다. 문제는 자연상태의 화합물에서 수소를 추출하는 방법이 중요해졌으나, 기존의 수소 연료 생산 방법으로는 안전성과 경제성을 담보할 수 없다는 것. 다닐 부흐발로프 교수(Danil Boukhvalov, 화학과) 연구팀은 그래핀을 이용해 수소를 추출하는 방법을 고안했다.

수소 추출의 문제점, 그래핀으로 잡다

▲ 다닐 부흐발로프 교수(Danil Boukhvalov, 화
학과)를 지난 28일 자연과학대에 위치한 연구실
에서 만났다. 다닐 교수가 자신의 연구한 부분에
대해 설명하고 있다.

수소는 발열량이 매우 높고, 연소 반응 후 물 외에는 부산물이 나오지 않아 ‘친환경 에너지’로 주목 받고 있다. 또 대기와 해양에 녹아 있는 양이 충분하기 때문에 화석 에너지에 비해 천문학적으로 많은 양을 사용할 수 있다. 이런 장점 덕에 수소는 차세대 에너지 중에서도 매우 효과적인 자원으로 분류된다. 그러나 ‘무공해’란 장점에도 불구하고 상용화에는 여러 문제가 따른다.

지금까지 알려진 수소 추출 방법은 매우 다양하다. 메탄을 이용하는 방법, 물을 전기 분해하는 방법 등이 주로 알려져 있다. 하지만 메탄을 이용하는 방법은 추출 과정 중 이산화탄소가 발생하므로 이상적인 방법이 아니다. 때문에 물을 전기 분해하는 방식이 더 선호되고 있다. 이 방법은 완벽히 환경친화적이지만, 물에서 수소를 분리할 때 쓰이는 촉매의 가격이 문제가 된다. 촉매제는 대부분 금속으로 가격이 매우 비싸기 때문. 원자단계의 수소는 반응성이 뛰어나 폭발과 누수의 위험도 있다. 이처럼 수소 추출 과정에서 발생하는 문제를 해결하기 위해 다닐 교수와 연구진은 ‘결정축에 따른 그래핀(Epitaxial Graphene)’을 이용했다.


그래핀의 촉매 반응, 컴퓨터로 예측하다

▲ 다닐 부흐발로프 교수(Danil Boukhvalov, 화학과)를 지
난 28일 자연과학대에 위치한 연구실에서 만났다. 다닐 교수
가 자신의 연구한 부분에 대해 설명하고 있다.

그래핀은 벌집 모양의 육각형으로 배열된 흑연의 탄소 평면을 말한다. 물리적, 화학적 안정성이 매우 높은 물질이라 여러 분야에서 각광받는 신 소재다. 다닐 교수는 수소 추출의 촉매로 그래핀을 사용하는 방법을 연구했다. “그래핀은 그 자체로도 매우 흥미로운 물질입니다. 저희 팀은 그래핀의 ‘촉매 작용’에 대해서 연구한 것이죠.” 그래핀을 촉매재로 사용하면 물에서 분해된 수소가 그래핀으로 흡수된다. 이를 통해 그래핀의 결정축과 같은 모양의 수소층이 생긴, 수소화된 그래핀(Hydrogenated Graphene )’이 탄생한다. “예전에는 수소가 산소와 만나 폭발하기 일쑤였어요. 하지만 수소화된 그래핀에다 산소를 더하면 순수 수소를 사용하지 않아서 폭발 위험을 피할 수 있어요. 게다가 누수가 일어나지 않고 값이 싸서 경제적이죠.”

연구에서 활용된 다닐 교수의 전문 분야는 ‘컴퓨터 화학’이다. 컴퓨터 프로그램을 통해 원자와 분자의 예상 이동 경로를 예측하고 모델화하는 일이 컴퓨터 화학이다. 다닐 교수는 수소화된 그래핀의 적정 두께와 이에 따른 수소 분자의 이동, 발생하는 에너지의 양 등을 계산했다. “화학 반응을 통해 형성된 원자는 여기저기로 움직이고 변화해요. 때문에 컴퓨터를 통해 원자의 변화나 그 과정 등을 예측하죠.” 다닐 교수는 팀원들이 제공한 수소 결합 그래핀 모델들을 분석했다. “컴퓨터 프로그램 상에서 원자와 분자들을 움직여 보고, 에너지 양이나 분자 사이의 거리 등을 계산합니다. 이를 기반으로 어떤 모델이 가장 좋은지 결정했죠.”

이처럼 컴퓨터 화학을 통해 그래핀 모델 중 필요 없는 것을 버리고 최적화된 모델만을 골라내는 것이 다닐 교수의 몫이었다. 가장 효율적이고 안정적으로 수소 분자를 흡수할 수 있는 그래핀의 ‘결정축’을 찾는 작업이다. “그래핀 표면의 두께가 어느 정도여야 하는지, 가장 적절한 수치를 찾아야 합니다. 너무 얇으면 안정성이 떨어지고 너무 두꺼우면 그만큼 합성하는 시간이 많이 걸리죠. 기본적인 계산은 컴퓨터가 하지만 편의성이나 안정성 등 직관이 필요한 부분은 사람이 해야 해요.” 다닐 교수의 컴퓨터 화학 연구를 통해 그래핀의 결정축을 찾는 일이 한층 수월해졌다는 평가다.

수소 연료의 가능성에 힘 보태다


다닐 교수는 “앞으로 수소 연료의 중요성은 더욱 커질 것”이라고 말했다. “이번 연구를 통해 친환경 에너지로서의 수소 연료가 더욱 발전할 수 있을 거예요. 물론 제가 한 부분은 컴퓨터 화학으로 그래핀 모형을 정확히 계산한 것에 불과하지만, 수소 추출의 촉매재로서 그래핀의 가능성을 시험한 연구였어요. 수소 연료의 발전에 큰 도움이 될 거라 믿습니다.” 컴퓨터를 이용해 화학을 연구하는 다닐 교수. 앞으로는 더 많은 연구팀과 협업하는 것이 목표다. “제 목표는 무언가의 과정뿐 아니라 그 뒤에 숨은 원리를 찾아내는 겁니다. 2차원 물질도 더 연구하고 싶고, 반도체 연구와 유기농 화학, 독성학 등과의 협업도 고려하고 있어요. 앞으로 더 열심히 연구해 더 많은 것들을 이해하고 싶습니다.”

▲ 이번 연구에 컴퓨터 화학자로 참여한 다닐 부흐발로프 교수는 "더 많은 분야와 함께 협업해 연구하고 싶다"며 "단순한 사실의 발견이 아닌 그 이면을 넘어선 진리의 발견이 자신의 목표다"고 말했다. 

글/ 이종명 기자           tmjo2000@hanyang.ac.kr (☜ 이 기자의 다른 기사 보기)

사진/ 최민준 기자        lovelymin12@hanyang.ac.kr

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