양성자를 통과시키는 그래핀의 전망

모든 기체 및 액체가 투과할 수 없는 그래핀(graphene)이지만 양성자(proton)는 쉽게 투과할 수 있다는 사실이 맨체스터대학(University of Manchester) 연구팀에 의해 발견되었다.

Nature지에 게재된 본 연구는 연료전지 및 다른 수소기반의 기술에 혁신을 가져올 것으로 기대되는데, 이런 기술에서는 수소 만이 통과할 수 있도록 하는 차단막이 필요하기 때문이다.

게다가, 그래핀 멤브레인은 대기에 미량으로 존재하는 수소를 추출해 내는데 사용할 수 있기 때문에 공기로 구동되는 전기 발전기의 가능성을 높여주고 있다.

원자 한 개 정도의 두께를 가진 그래핀은 2004년 맨체스터대학(The University of Manchester)에서 처음 분리 및 연구되었으며, 독특한 차단 능력 때문에 유명해졌다. 이런 차단 능력은 부식방지 코팅이나 불침투성 포장과 같은 다양한 분야에 활용될 수가 있기 때문이다.예를 들어, 가장 작은 원자인 수소는 그래핀 단일층을 평생토록 통과하지 못할 것이다.

Andre Geim이 이끄는 연구팀은 그래핀이 양성자도 차단할 수 있는지를 조사하였다. 연구팀은 양성자도 수소와 마찬가지로 그래핀을 통과할 수 없을 것이라는 기존의 이론예측을 바탕으로, 양성자의 투과가 차단될 것으로 예상했었다.

이런 비관적 예측에도 불구하고, 양성자는 매우 얇은 결정을 매우 쉽게 통과하였으며 특히 높은 온도 및 백금과 같은 촉매 나노입자로 그래핀 표면을 코팅했을 때 양성자의 통과가 더욱 용이한 것으로 나타났다.

본 연구를 통해, 그래핀 및 유사한 물질인 질화붕소(boron nitride)의 단일층은 양성자 전도성 멤브레인(proton-conducting membrane)으로서의 유망한 물질로 대두되게 되었다. 양성자 전도성 멤브레인은 현대 연료전지의 핵심이다. 연료전지는 연료로서 산소와 수소를 사용하며, 투입된 화학적 에너지를 전기로 변환시킨다. 다른 물질의 통과를 억제하면서 양성자의 흐름을 가능하게 하는 멤브레인이 없다면, 이런 기술은 존재하지 못할 것이다.

비록 잘 정립되었음에도 불구하고 연료전지 기술은 실용화를 위해 더 많은 개선을 필요로 하고 있다. 주요한 걸림돌 중 하나는 기존의 양성자 멤브레인을 통한 연료의 교차현상(fuel crossover)으로, 연료전지의 효율성 및 내구성을 저하시킨다.

맨체스터대학 연구팀은 그래핀 혹은 질화붕소 단일층의 사용으로 기존 멤브레인을 더욱 얇고 효율적으로 제조할 수 있어서, 연료의 교차 및 오염문제가 감소하게 될 것이라고 밝혔다. 이로써 연료전지의 경쟁력도 향상될 것이다.

또한 원자 한 개 두께 정도의 멤브레인은 습한 대기로부터 수소를 추출하는데 이용할 수도 있다고 연구팀은 밝혔다. 이런 방식의 수소 수확은 연료전지와 결합하여, 대기 중 수소를 연료로 사용하는 휴대용 발전기의 출현을 가능하게 할 것으로 기대된다.

연구팀은 작은 멤브레인을 대상으로 연구를 수행했으며, 지금까지 수소의 흐름량은 당연히 적었다. 그러나 본 발견의 초기 단계에 불과하기 때문에, 수소를 수확하는 능력은 향후 훨씬 개선될 것으로 기대된다. 본 연구의 제1저자이자 박사후 과정 연구원인 Sheng Hu 박사는, 본 연구가 매우 단순하면서도 동시에 전망이 밝다고 밝혔다. 오늘날 그래핀은 평방미터 단위의 시트 형태로 생산되기 때문에, 조만간 상업용 연료전지에도 적용될 수 있을 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 양성자를 통과시키는 그래핀의 전망