대용량 수소 폭발 위험 낮춘 '수소 저장 소재' 액상유기물 수소운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC)’ 개발

수소 저장 시 별다른 기여를 못하는 분자를 제어해 수소 저장 성능을 획기적으로 향상시킨 기술이 개발됐다. 친환경 에너지인 수소 에너지 사회로의 전환에 도움이 될 것으로 기대된다.

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한국화학연구원은 박지훈 화학공정연구본부 책임연구원 연구팀이 한정우 서울대 교수, 최정규 고려대 교수 연구팀과 가장 안전한 수소 저장 기술로 알려진 ‘액상유기물 수소운반체(LOHC)’ 기술의 성능과 확장성을 확보한 수소 저장 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

수소는 온실기체 배출이 없는 청정 에너지지만 부피가 크고 위험한 물질이기 때문에 안전한 운반이 중요하다. 해결책 중 하나는 LOHC 기술이다. LOHC 기술을 이용하면 상온·상압에서도 적은 용량의 액체에 대량의 수소를 담아 운반의 안정성과 효율을 높일 수 있다. 수소가 충전된 액상 유기물을 기존 활용 유조차로 운반하면 되므로 수소 도시를 위한 에너지 인프라 구축 비용도 경제적이다.

 

LOHC 기술의 핵심은 수소를 저장하는 액상 유기화합물 소재 개발이다. 탄소 육각 고리 구조인 ‘벤젠’은 수소 저장과 추출에 유리해 LOHC 소재로 연구되고 있지만 성능을 높이는 확장성에 한계가 있다. 새로운 소재 개발이 필요한 상황이다.

 

연구팀은 LOHC 소재 연구에서 수소 저장·추출에 기여하지 못하던 메틸 분자를 제어·활용하면 화학반응을 더욱 유리하게 조절할 수 있다는 사실을 발견했다.

 

연구팀은 기존 혼합물 형태의 LOHC 소재와 달리 순수한 조성의 소재를 얻을 수 있는 합성법을 활용해 메틸 분자의 위치를 특정한 위치로 조정할 수 있도록 했다. 이를 바탕으로 수소 저장 및 방출 속도가 각각 206%, 49.4% 증가한 새로운 LOHC 소재를 개발했다.

 

연구팀은 개발한 LOHC 소재를 활용해 수소 모빌리티에 직접 안전하게 수소를 공급하거나 수전해 수소에 직접 저장할 수 있는 소재 등 맞춤형 LOHC 기술에 대한 후속 연구를 진행 중이다.

 

이영국 화학연 원장은 “이번 성과는 LOHC 기술의 핵심인 저장체 설계 분야에서 세계에서 가장 발전된 개발 기술을 선보였다는 점에 큰 의미가 있다”며 “이를 계기로 수소 경제에서 우리나라가 경쟁력을 확보하기 위한 탄탄한 기반이 되기를 희망한다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈’와 ‘어플라이드 카탈리시스B 환경 & 에너지’에 게재됐다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337323010378

Abstract Liquid organic hydrogen carrier (LOHC) has been developed to overcome the low efficiency of conventional hydrogen storage methods. Although 2-[n-methylbenzyl]pyridine (MBP), one of dicyclohexylmethane derivatives, has been reported as a high-performance LOHC material, its dehydrogenation mechanism has yet to be fully understood. Here, we combine both experiments and theoretical calculations to comparatively elucidate the dehydrogenation mechanism of H12-MBP on Pd and Pt catalysts. The experimental results for hydrogen release from H12-MBP and H6-MBP show that Pd/Al2O3 has a faster initial hydrogen release rate than Pt/Al2O3. Density functional theory calculations reveal that the N-heteroatom in the pyridine ring has a significant effect on the adsorption of H12-MBP. In addition, the hydrogen migration in the pyridine ring serves as the rate-determining step, where the activation free energy of Pd(111) is lower than that of Pt(111). Our results provide insight into the dehydrogenation of heterocyclic compounds with a bridge structure on metal catalysts.