[이슈메이커=임성희 기자]
가스 하이드레이트(Gas Hydrate), 분리막 등 활용한 친환경·저에너지 소재 연구
탄소중립 시대 이바지하는 연구로 기대
에너지 효율적인 가스 저장 및 가스 혼합물 분리 소재 연구
미래 청정에너지원으로 주목받는 천연가스 하이드레이트는 물 분자로 이루어진 축구공 같은 격자에 천연가스를 가두고 있는 형태로, 외관이 얼음과 비슷하며 불을 붙이면 연소하는 성질이 있어 ‘불타는 얼음’으로도 불린다. 심해의 저온 고압 환경에서 만들어지는 가스 하이드레이트의 특성상 깊은 바다 밑에 매장되어 있어 채취에 따른 기술적 어려움과 경제성 등으로 인해 실용화 여부는 아직 미지수다. 하지만 실험실에서 인공적으로 가스 하이드레이트 구조를 만들어 다양한 가스 저장 및 분리에 활용하는 독창적인 연구를 개척하고 있는 국내 연구자가 있다. 안윤호 교수는 탄소중립의 중요성을 누구보다도 강조했다.
‘에너지’와 ‘환경’은 떼려야 뗄 수 없는 관계
안윤호 교수는 “가스를 저장하고 분리하는데 관심이 많아 관련 연구를 많이 했습니다. ‘어떻게 하면 더 안전하게 저장하고, 더 친환경적인 저장물질을 만들 수 있을까’를 고민하다 가스 하이드레이트를 연구해서 좋은 저널에 논문을 낼 수 있었습니다”라고 밝혔다. 그는 Clathrate Hydrate라는 물질의 동공 내에 수소-천연가스 혼합물을 저장한 연구(Q1, JCR랭킹 상위 3%)와 Clathrate Hydrate의 동공을 Nanocage Reactor로 활용하여 온실가스인 N2O를 비온실가스인 N2와 O2로 분해한 연구(Q1, JCR랭킹 상위 2%)를 발표하며 Clathrate Hydrate 분야에서 처음 시도된 창의적이고 독창적인 연구 성과로 2020년 숭실대에 부임할 수 있었다. “‘에너지’와 ‘환경’은 결국 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있습니다. 환경 오염, 특히 대기 오염 및 지구 온난화 문제를 최소화하기 위해서는 좀 더 에너지 효율적인 화학 공정을 개발하고, 친환경적인 소재 개발이 필연적입니다. 저희 에너지환경시스템 연구실에서는 Clathrate Hydrate라는 물 기반의 친환경적 기능성 소재와 에너지 효율적인 혼합물 분리를 가능하게 하는 분리막 소재를 연구하고 있습니다”
포접 화합물 특성을 활용한 수소 저장, 이산화탄소 포집 등 지속가능한 기술 개발
연구실은 학과의 도심형 수소 에너지 전주기(생산, 저장/운송, 활용, 안전) 산업 육성을 위한 기술개발 및 수요인력 공급을 위한 ‘지역연계형 수소산업 혁신인재양성사업’에 참여하고 있다. 또한, 안 교수는 KAIST, 에너지기술연구원, 한양대학교와 함께 ‘분산형 저탄소 수소생산 연구센터(ERC)’ 과제를 수행하며 바이오 폐자원을 통해 생성된 청정수소를 에너지 효율적이고 지속 가능한 방법으로 저장하는 기술을 연구하고 있다. “한국가스공사의 지원을 받아 저에너지 직접 공기 포집 기술도 개발하고 있습니다. 이는 공기 중 이산화탄소를 포집하여 e-메탄 생산 원료를 공급하는 플랫폼을 개발하는 연구로, 탄소중립에 이바지할 수 있는 기술이 될 것으로 기대하고 있습니다” 그 외에도 쓰리이솔루션(주)과 함께 피부에 고농도의 산소 전달이 가능한 하이드레이트 기반의 기능성 화장품 개발 연구도 눈에 띈다. 최근에는 반도체 폐수 내 테트라메틸암모늄 등 특정 이온을 제거할 수 있는 하이드레이트 기반의 수처리 공정을 개발하며 우수한 제거 효율을 얻어 현재 특허 출원과 논문을 준비 중이다. “수소결합 엔지니어링 및 자외선 조사를 통한 혼합 기질 분리막의 특성을 튜닝하는 연구를 진행하고 있으며, 이를 통해 좀 더 우수한 분리 성능을 갖는 기체 혼합물 분리막을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다”
대학원생들의 논문 성과와 수상실적 주목
어려서 선생님을 꿈꿨다는 안윤호 교수는 현재 교수로서 학생들 지도에 최선을 다하고 있다. “우리 연구실 재학생, 졸업생들의 우수한 연구역량 및 그에 따른 실적이 우리 연구실의 대표적인 성과라고 할 수 있겠습니다” 지난 2년간 연구실 15편의 논문 중 대학원생들이 주저자로 참여한 논문이 7편이다. “2년간의 짧은 석사 기간이지만 학생들이 1~2편의 SCI(E)급 논문을 출판하는 등 연구자로서의 기초 역량을 탄탄히 다지고 졸업하였고, 그로 인해 삼성전자, 삼성SDI 등 대기업에 취업할 수 있었습니다. 현재 재학 중인 2명의 석사과정생은 높은 경쟁률을 뚫고 한국연구재단의 ‘석사과정생 연구장려금 지원사업’에 선정되기도 했습니다” 석사과정생들이 한국화학공학회, 한국수소및신에너지학회 등 외부 학회에서도 우수발표상 및 우수학술논문상 등을 수상했고, 작년에는 하이드레이트 분야 최고 권위 학회인 국제 가스하이드레이트학회(ICGH 10)에서 연구실 박사 과정 학생이 우수 발표상을 수상하며 연구실의 우수성을 대내외에 알리기도 했다.
물이 수소를 가두고, 최소 효율로 이산화탄소 포집하는 기술개발
안윤호 교수는 천연가스 하이드레이트처럼 물이 수소를 가두는 미래를 꿈꾸고 있다. 가스 하이드레이트에 수소를 가두고, 이를 물에 녹이면 수소를 얻을 수 있고, 이 물을 얼리면 다시 수소를 가둘 수 있는 친환경적인 선순환 소재이다. 그리고 그가 주목하는 것은 대기 중 이산화탄소를 포집할 수 있는 기술 ‘Direct Air Capture(DAC; 직접공기포집)’이다. 이 기술은 전 세계적인 관심사고, 많은 연구진이 관련 기술을 개발 중이다. Fan으로 공기를 불어 넣어 흡착 소재에 이산화탄소를 흡착시키는 방식이 보편적으로 활용되는데 에너지 효율 문제로 아직 기술개발이 더디다. 하지만 안 교수는 관련 기술에 비전을 보고 매진하고 싶다는 마음을 밝혔다. “좀 더 에너지 효율적인 DAC 기술을 구현하려면 Fan을 작동하는데 필요한 에너지를 최소화해야 할 것입니다. 식물이 기공을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수해 포도당으로 전환하는 광합성을 하는 것처럼, 스스로 대기 중 이산화탄소를 좀 더 빠르고 많이 흡수할 수 있는 흡착 소재를 개발해보고 싶습니다”
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