[투데이에너지 임승희 기자] 일본 홋카이도대학은 은 팔라듐을 이용한 합금막 보다 50배 높은 수소 투과속도를 갖은 새로운 수소 분리 막 개발에 성공했다.
일본 스마트재팬 지난 12일 보도에 따르면 홋카이도대학은 지난 9월 전부터 알려진 세라믹에 있는 질화티탄(TiN)의 나노 입자막이 상온에서 대단히 우수한 수소 투과성을 갖는 것을 발견했다고 발표했다.
수소는 의약품이나 여러 가지 화학제품의 원료로 이용됐을 뿐만 아니라 최근에는 연료전지의 그린에너지원으로써도 주목받고 있다. 보통 수소는 물의 전기분해나 천연가스의 개질 등에 의해 생성됐지만 그 과정에서 생기는 공정가스에는 수소 외에도 여러 가지 성분이 포함되고 공정가스로부터 수소만을 선택적으로 분리해야 한다.
수소를 분리하는 가장 간단하고 효율적인 방법은 수소만을 선택해 투과하는 고체막을 이용하는 방법이다. 니켈, 티타늄, 니오브, 바나듐 등의 합금은 수소를 대량으로 흡수하는 성질을 갖고 있어서 이 합금들의 막의 한 면에 수소를 포함 고압 공정가스를 채우고 반대쪽 면의 압력을 내리면 수소가 분리된다. 수소가 합금을 투과하면 금속 원자 간의 결합을 절단시키기 때문에 수소 취화에 의해 합금이 부식돼서 수소를 장시간 사용할 수 없다. 금속재료 중 유일하게 팔라듐은 심각한 수소 취화를 일으키지 않는 것으로 알려져 있지만 팔라듐은 희소한 금속이여서 대규모로 응용, 실용화는 어렵다. 이에 따라 현재 금속의 수소 투과성에 의지하지 않는 전혀 새로운 원리의 수소 투과막 재료를 찾고 있다.
최근에는 수소투과합금에 대신하는 재료로 프로톤과 전자 양방을 전도하는 금속산화가 활발하게 개발되고 있다. 이처럼 막으로 고압 프로세스가스와 저압 공간을 구분하면 막 안에 전자의 이동이 일어나 결과적으로 수소를 수송하게 된다. 세라믹의 H+는 세라믹스 안의O2－이온과 매우 강하게 연결 되어 있어 그 속박을 피해 자유롭게 움직이게 하려면 세라믹 온도를 높여야 한다. 프로톤 전도체는 수소막 뿐만 아니라 연료전지에도 필수적인 재료라서 현재 전 세계에서 활발하게 연구개발이 진행되고 있다.
또한 개발자들은 질화티탄에 주목하고 있다. 질화티탄은 잘 알려진 구조용 세라믹 재료로 금속드릴이나 날붙이 등의 초경합금 코팅과 반도체장치 전극에 사용된다.
질화티탄의 일함수는 비교적 작기 때문에 입자표면에 흡착한 수소는 질화티탄으로부터 전자를 받아 수소화이온이 되면 질화티탄 양자 양면위에 인접한 Ti를 쉽게 이동시킨다. 현재 연구그룹은 질화티탄의 미립자로 만들어지는 치밀한 막을 두께 200nm까지 줄이는데 성공했고 두께 5 마이크로미터의 은 팔라듐 합금막 보다도 실온에서 50배 높은 수소 투과속도 실행을 성공시켰다.
연구그룹은 이번 성공 이후 각종 화학 공정에서 수소 분리, 광수분해, 전기분해에서 생성한 수소와 산소의 혼합가스로부터 수소만을 상온 분리하는 것이 가능해졌다. 이에 따라 가정용, 차재용 연료전지의 고순도 수소분리 공급이 가능할 전망이다.