[인더스트리뉴스 최용구 기자] 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 천연가스 및 수소와 같은 에너지 가스의 저장량을 극대화할 수 있는 ‘가스 하이드레이트’ 원천기술을 개발했다고 지난 14일 밝혔다.

GIST 지구·환경공학부 박영준 교수 연구팀은 ‘튜닝 효과(Tuning effect)’를 활용해 열역학적 형성 조건을 완화함으로써 가스 저장량을 향상시키는 방안을 제시했다.

연구팀은 열역학적 형성 촉진제의 농도를 선택적으로 조절했다. 이를 통해 하이드레이트의 나노 격자 공간 중 일부를 비우고 이를 가스 분자로 채워 열역학적인 상태를 조절했다.

물과 가스로 만들어지는 가스 하이드레이트는 가스 저장, 분리 등 산업적으로 활용 범위가 넓다. 저장 매체로 사용될 경우 상온·저압 조건에서 천연가스를 저장할 수 있다.

열역학적 형성 촉진제는 ‘저온·고압’ 조건의 가스 하이드레이트 형성 조건을 ‘상온·저압’으로 완화하기 위해 사용된다.

튜닝 효과는 수소에너지를 저장하는 데 있어 효과적인 접근법으로 알려져 있다. 가스 하이드레이트 기술의 문제점인 극한의 형성 조건을 완화시킴과 동시에 제한된 저장량의 한계점을 극복한다. 그만큼 가스의 저장량을 대폭 늘릴 수 있다는 것이 장점이다.

연구팀은 기존 확인된 메탄 및 수소 등 에너지뿐만 아니라 이산화탄소에 대한 튜닝 효과도 유도했다. 이산화탄소는 구조 I·II에서, 메탄은 구조 H에서 세계 최초로 튜닝 효과를 발견했다. 이들 구조는 가스 하이드레이트의 동공 내 포집되는 분자의 크기와 모양에 따라 좌우된다.

연구진은 이같은 튜닝효과의 적용을 위해 열역학적 형성 촉진제를 활용했으며 가스 하이드레이트에서 연구된 튜닝효과의 개념을 대량생산에 유리한 물 기반의 하이드레이트로 확장했다.

아울러 튜닝 효과를 유도하기 위한 ‘공융점’ 및 ‘하이드레이트 전환율’과 같은 주요 인자들의 상관관계를 규명했다.

공융점은 두 성분 이상의 고체 혼합물이 용융될 때 고용체의 생성 없이 액체 상태에서 완전히 녹아 섞이는 불변점을 말한다.

연구진에 따르면 이번 실험에선 얼음 기반 하이드레이트의 튜닝 효과가 유도됐는 데 이는 열역학적 형성 촉진제를 화학양론적 농도 이하에서 사용한 모든 경우에서 확인됐다.

반면 물 기반으로 형성된 하이드레이트의 경우 열역학적 형성 촉진제의 농도가 공융점 이하에서 사용된 경우에만 튜닝 효과가 유도되는 특이점을 보였다.

일반적으로 높은 튜닝 효과를 달성하기 위해선 열역학적 형성 촉진제의 농도가 낮아야 한다. 하지만 동시에 하이드레이트의 전환율 또한 낮아져 가스 저장량 또한 낮아질 수 밖에 없다.

연구팀은 열역학적 형성 촉진제를 공융점 아래의 농도에서 사용하되 공융점과 인접한 농도에서 하이드레이트를 형성하는 방식을 이용했다.

그 결과, 튜닝 효과가 유도된 하이드레이트는 화학양론적 농도로 형성된 하이드레이트 대비 가스 저장량이 대폭 향상된 것을 확인했다. 열역학적 형성 촉진제의 최적 농도는 공융점 아래의 인접한 농도 영역임을 발견했으며 높은 공융점을 갖는 열역학적 촉진제를 사용하는 것이 유리함을 확인했다.

GIST 박영준 교수는 “가스 하이드레이트의 에너지 저장량을 극대화하기 위해 튜닝 효과를 활용해 원천 기술을 확보했다”면서, “다가오는 수소에너지 시대에 높은 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견 개인기초연구자 지원사업을 통해 진행됐다. 연구에는 GIST 박영준 교수 외 이윤석 박사, 서동주·이승인 박사과정생이 함께 참여했다.

한편, 관련 실험 결과는 학술지 ‘Accounts of Chemical Research’ 및 ‘Chemical Engineering Journal’에 11월 7일과 10월 1일자로 각각 게재됐다.

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