KIMS 해외단신 121호 (2012.04.19)

쿄토대학, 대량의 수소를 흡수하는 세라믹 개발

    일본 마이나비뉴스 2012년 4월 17일자 기사에서는 일본의 연구팀이 대량의 수소를 흡수하는 능력이 있는 세라믹을 개발했다고 밝혔다.

    다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

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   쿄토대학과 고휘도광과학연구센터(JASRI)는 4월 16일, 세라믹재료가 대량의 수소를 흡수하는 능력이 있다는 사실을 밝혔다.

   이번성과는 쿄토대학과 JASRI, 쿠라시키예술과학대학, 동경공업대학, 물질·재료연구기구, 렌느 제1대학의 연구팀에 의한 공동연구결과이다. 연구와 관련된 자세한 내용은 4월 15일자 영국 과학잡지 ‘Nature Materials'에 게재되었다.

   바륨티타네이트(BaTiO3)는 1940년대에 처음으로 합성된 이래 모든 전자기기에 사용되고 있는 유전체재료이다. 연구팀은 이번 연구에 앞서 2007년에 수소화합물을 이용한 ‘저온합성법’을 통해 오랫동안 불안정하다고 여겨져 왔던 철의 국소구조를 실현해 네이처지에 보고한바 있다.

   일반적으로 산화물(세라믹)은 1000℃이상의 고온에서 합성되지만 적절한 반응제(이번 연구에서는 수소화칼슘)를 선택함에 따라 500℃이하의 저온에서도 반응을 진행시키는 것이 가능하며 그러한 반응을 저온합성법이라고 한다.

   이번연구에서는 바륨티타네이트(BaTiO3)에 대하여 같은 저온반응을 실시하였고 결정에 있는 산소의 일부를 수소로 변환하는데 성공했다. 구조는 이화학연구소가 소유하고 JASRI가 운영하는 대형방사광시설「SPring-8」분말결정구조해석빔라인「BL02B2」의 고휘도 X선을 이용해 분석했다.

   바륨티타네이트(BaTiO3)에 수소의 도입을 실험한 연구는 이전에도 있었지만 매우 미량(산소대비 0.1%이하)이었다. 하지만 이번에 개발된 방법을 이용할 경우 수소양은 최대 20%(BaTiO2.4H0.6)까지 달성된다. 이렇게 새로 합성된 물질은 안정한 것으로 그린에너지자원인 수소를 변환/운송/저장하는데 적합한 수소재료로써 그 역할이 기대되고 있다.

   이 신물질은 수소저장량이 많다는 사실뿐만이 아니라 포함된 수소의 전하상태에도 학술적으로 큰 의의를 가진다. 일반적으로 산화물에 존재하는 수소는 플러스 전하를 가지는 ‘프로톤(H+)'로써 존재한다. 가까운 예로 녹의 성분인 수산화철(Fe(OH)2) 등이 있다.

   이에 대하여 마이너스 전하를 가지는 ‘하이드리드(H-)'는 강력한 환원제이기 때문에 티탄과 같은 전이금속과는 공존할 수 없다고 생각하는 것이 고체화학의 상식이었다. 하지만 이번에 얻어진 물질의 수소는 마이너스 전하를 가지고 있어 종래의 상식을 뒤엎는 결과가 되었다.

   이번 연구에 의해 산화물 중 H-가 전이금속과 공존할 수 있다는 사실이 확인되어 향후에는 하이드리드의 흐름을 제어해 이용할 수 있는 ‘산화물하이드닉스’라는 새로운 학문체계가 발전해 갈수도 있을것으로 기대된다.

   이번에 합성한 물질 중 수소는 400℃정도의 저온에서 결정 안을 돌아다니는 능력을 가진다는 사실이 밝혀졌다. 이 결과는 수소이온(H-)전도성을 시사하고 있다. 산소이온전도체는 현재 연료전지의 전해질로 실용화되어 있지만 수소는 산소와 비교해 가볍고 움직이기 쉬워 보다 낮은 온도에서 빠르게 움직이는 것이 가능하다. 동시에 티탄이 가지는 전자에 유래하는 전자전도성도 있어, 예를 들면, 수소를 연료로 하는 연료전지에 필요한 전극 외에 수소센서분야에서의 응용이 기대되고 있다.
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