수소방출 성능이 개선된 수소저장 물질 - 암모니아 보레인 (ammonia borane)

[아이팍스]

수소방출 성능이 개선된 수소저장 물질 - 암모니아 보레인 (ammonia borane)

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-05-02

중국 연구팀이 수소저장 물질로서 암모니아보레인 (ammonia borane)의 성능을 향상시켜 수소자동차에 사용할 수 있는 저장용기로서의 가능성을 높였다. 이들은 수소방출 성능을 향상시키기 위해 나노입자 촉매를 암모니아보레인에 첨가해서 수소를 더 낮은 온도에서 더 깨끗하게 방출하도록 했다.

수소를 압축하거나 액화해서 저장하기 위한 보통의 금속 용기는 무겁고 부피가 크며 비싸기 때문에 차세대 연료전지자동차를 위해서는 수소의 저장방법을 찾는 것이 하나의 도전과제이다. 금속 용기를 사용하는 것 보다 더 나은 방법은 고체 저장 물질을 사용하는 것이고 유망한 후보중의 하나가 대부분 수소로 이루어져 있는 왁스상 물질인 암모니아보레인 (NH3BH3) 이다.
하지만 이 물질은 단점이 있는데, 그것은 수소를 방출시키는 것이 쉽지 않다는 것이다. 보통 100°C 이상으로 가열해야 하기 때문에 고분자 소재의 연료전지에는 너무 높은 온도이다. 게다가 물질이 불안정해지는 경향이 있어서 급격하게 팽창하거나 폼 (foam)을 형성하고 방출되는 수소는 소재의 가열로부터 방출되는 다른 가스에 의해 오염되게 된다.

중국 대련 화학물리연구소의 Ping Chen 연구팀이 암모니아보레인의 구조를 변경하여 이 문제들을 해결하는 방법을 찾아냈다. Chen은 코발트와 니켈촉매의 나노입자를 구조에 넣음으로써 59°C 라는 낮은 온도에서 거의 무게비로 6%의 수소를 방출시킬 수 있었으며 부산물이나 폼을 만드는 현상도 없었다고 Chemistry World에 밝혔다.

연구팀은 싱가포르 국립대학교 (National University of Singapore) 연구팀과 함께 연구를 수행했으며, 작은 양의 나노입자 촉매를 암모니아보레인 구조에 균일하게 분산하기 위해 공동침전 (co-precipitation) 기법을 사용했다. 이 새로운 물질은 현재까지 알려진 것 중 가장 낮은 온도에서 수소를 방출하며 높은 안정성을 가지고 있어 실용적인 차량 탑재형 (onboard) 수소 저장 물질로 계속 연구가 필요하다.

암모니아보레인의 수소저장물질로서의 가능성을 처음 발견한 미국 PNNL (Pacific Northwest National Laboratory)의 Tom Autrey는 이 시스템이 수소 방출 온도를 낮춰주므로 연료전지에 효율적으로 수소를 공급해줄 수 있는 가능성이 있다고 하면서, 암모니아보레인이 분해 발생하여 수소를 오염시키는 보라진 (borazine)의 농도도 감소시키는 장점이 있다고 설명했다.

Autley는 하지만 이 기술이 실제로 사용되기 위해서는 아직 계속되어야 할 연구가 있다면서, 쉽게 가역적으로 (reversible) 일으킬 수 있는 공정이 아니라서 연료 탱크에 수소를 쉽게 채우는 방법도 개발할 필요가 있다고 언급했다.

암모니아보레인은 높은 수소 함유 밀도(19.6wt%)와 양호한 열 안정성 및 화학 안정성으로 차량탑재 수소저장용 물질로 관심을 받아 왔다. 미국 에너지부 (DOE) 에서는 차량 탑재용 수소저장 시스템의 무게비 수소저장용량 목표로 2015년까지 5.5%, 최종적으로 7.5% 이상을 달성할 것을 목표로 하고 있다.

References: T He et al, Chem. Mater., 2009. DOI: 10.1021/cm900672h

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