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영하 253도의 극저온에서 저장되는 액화수소(LH₂)는 액체 상태에서 높은 체적 에너지 밀도를 확보할 수 있어 대량·장거리 운송에 유리하다. 하지만 외부에서 미세한 열이 계속 유입되면 액화수소 일부가 기체로 변하면서 탱크 내부 압력이 상승한다. 압력이 일정 수준을 넘으면 안전을 위해 기체 수소를 외부로 배출하는 과정에서 수소 손실이 발생한다. 진공 단열이나 다층 단열재(multilayer insulation·MLI)를 적용해 열 유입을 줄일 수 있지만 실제 저장 탱크에서 외부 열 유입을 완전하게 차단하기 어려운 문제가 있다.
이에 연구팀은 MOF에 주목했다. MOF는 넓은 내부 표면적과 나노미터 크기의 기공을 갖고 있어 극저온에서 수소를 흡착할 수 있다. 액체에서 기체 상태로 전환되는 수소의 일부가 MOF 표면에 일시적으로 흡착되면 기체로의 전환과 이에 따른 압력 상승을 늦출 수 있다. 또 흡착된 수소가 다시 기체 상태로 방출되는 탈착 과정에서도 열이 필요하므로 유입된 열이 수소를 기화시키는 과정에서 추가적인 완충 역할을 할 수 있는 것이다.
이를 검증하기 위해 연구팀은 기공 특성이 서로 다른 MOF인 IRMOF-20과 MIL-53(Al)을 선정했다. IRMOF-20은 큰 기공 부피와 높은 표면적을 갖는 안정적 구조의 소재인 반면 MIL-53은 수소 흡착 상태에 따라 기공 구조가 변화할 수 있다.
연구팀이 극저온·저압 조건에서 두 소재의 수소 흡착 성능을 비교한 결과 IRMOF-20의 수소 저장량이 MIL-53보다 높았다. 특히 IRMOF-20은 MOF 자체가 차지하는 공간까지 고려해도 순수 액화수소 탱크의 약 96.6%에 해당하는 저장량을 유지하는 저장 성능을 보였다. IRMOF-20은 넓은 기공을 바탕으로 높은 수소 저장량을 확보하는 데 강점을 보인 반면 MIL-53은 저장량은 상대적으로 낮았지만 수소 방출을 더 높은 온도까지 지연시킬 수 있었다. 이는 MOF의 구조적 특성에 따라 수소를 많이 저장하는 능력과 수소의 방출을 늦추는 능력을 각각 조절할 수 있음을 의미한다.
문회리 교수는 “이번 연구를 통해 MOF와 같은 다공성 물질에서 기공 설계가 얼마나 중요한지를 밝혀냈다”고 연구 의의를 설명했다.
