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미국의 저명한 경제학자 제레미 리프킨은 2002년 그의 저서 ‘수소혁명’에서 2020년쯤 화석에너지에 의존하는 탄소시대가 종말을 고하고, 수소가 주인공으로 등장하는 ‘수소경제시대’가 열릴 것이라고 예측했다.

수소가 산소와 결합해 물이 만들어지면서 전기가 발생하는 수소연료전지 발전은 지구에서 가장 구하기 쉬운 수소를 원료로 사용하기 때문에 원료가 고갈될 걱정이 없다. 물론 이산화탄소 같은 온실가스도 배출하지 않는다.

지난 2008년 12월 7일 서울시는 노원구 상계동과 양천구 목동에 2010년까지 세계최대규모의 수소연료전지 발전소 건립 계획을 발표했다. 수소경제시대가 우리 눈앞에 성큼 다가온 셈이다. 원료인 수소는 월드컵공원 내 마포자원회수시설에 ‘수소스테이션’을 세워 쓰레기 매립가스에서 추출한다는 계획이다.

한국기초과학지원연구원 대덕본원 나노물성연구팀 김해진 박사는 “수소를 쉽게 충전할 수 있는 소용량 수소저장용기를 개발하면 수소스테이션에서 만든 수소를 개인용 수소연료전지 차량이나 가정용 발전기에 사용할 수 있다”면서 “많은 양의 수소를 쉽게 충방전할 수 있는 수소저장용 물질을 찾는 일이 관건”이라고 말했다.

여러 번 충방전 가능한 수소저장물질을 찾아라!

1950년대 수소를 이용해 발전을 할 수 있다는 가능성이 처음 제시된 뒤, 과학자들은 수소를 안전하게 저장하고 쉽게 뽑아 쓸 수 있는 용기를 개발하는 일에 매달려 왔다. 공업용으로 사용되는 수소는 기체 상태의 수소를 고압으로 압축해 탱크에 저장한다. 하지만 수소를 더 많이 저장할수록 수소기체의 압력을 견디기 위해 저장 용기는 두껍고 무거워졌다.

수소를 액체 상태로 저장하는 액화저장방식을 사용하면 탱크가 두꺼워질 필요가 없다. 하지만 액화저장방식은 수소를 액화 온도인 -253℃까지 냉각시키기 위해 필요한 비용이 만만치 않다.

과학자들의 관심은 상온에서 낮은 압력으로 수소를 저장하는 방법을 찾는데 모아졌고, 수소저장합금이 새로운 대안으로 떠올랐다. 금속에 수소를 화학 결합시켜 금속수소화합물(예를 들면, Mg₂NiH₄)을 만들면 상온에서 수소를 고체 형태로 저장할 수 있다.

하지만 여기에도 문제가 따른다. 저장된 수소 양에 비해 금속수소화합물이 지나치게 무거운데다가 이들 사이의 금속 결합이 너무 단단해 수소를 다시 빼내는데 에너지가 많이 들기 때문.

1990년대 후반 과학자들은 나노물질에서 희망을 찾았다. 수소를 쉽게 저장하고 다시 분리하려면 가볍고 표면적이 넓은 물질이 필요했다. 가벼운 탄소로 이뤄졌으면서 대롱이나 공 같이 다양한 모양을 만들 수 있는 탄소나노튜브가 강력한 후보로 등장했다. 하지만 수많은 과학자들이 희망을 걸고 도전했음에도 불구하고, 탄소나노튜브는 너무 안정된 구조여서 수소가 잘 들러붙기 어렵다는 한계가 존재했다.

수소가 잘 붙어 저장용기로서 탁월하면서도 여러 번 충전해도 구조가 흐트러지지 않는 물질은 없는 걸까. 김 박사는 휴대전화 배터리에 쓰이는 충전용 리튬이온전지의 전극물질에서 해답을 찾았다.

리튬이온전지는 리튬금속산화물을 양(+)극으로, 흑연을 음(-)극으로 사용한다. 두 전극에 전류를 흘려주면 리튬이 금속산화물에서 이온으로 분리된 뒤, 흑연으로 이동하며 충전이 된다. 반대로 다시 리튬 이온이 금속산화물로 이뤄진 양극으로 돌아와 제자리를 찾으면 전류가 흐른다.

김 박사는 리튬이 아무리 옮겨 다녀도 전극 재료인 금속산화물의 구조가 깨지지 않고 일정하게 유지된다는 사실에 착안했다. 여기에 수소가 반데르발스 힘으로 리튬에 결합하는 성질을 응용해 리튬금속산화물에 수소를 저장하는 방법을 구상했다. 즉 리튬은 수소라는 포스트잇을 쉽게 떼었다 붙일 수 있는 메모판인 셈이다.

그의 예감은 적중했다. 상온에서 리튬이산화망간(LiMnO₂)이나 리튬니켈이산화물(LiNiO₂)같은 리튬이온전지 전극 물질에 수소를 저장했다가 다시 뽑아내는 실험에 성공한 것. 리튬과 수소 사이의 힘이 적당히 약하기 때문에 작은 압력 변화로 수소를 충방전할 수 있다.

김 박사는 “2007년 ‘금속산화물 나노튜브를 이용한 수소 저장 재료’ 이름으로 국내 특허 등록을 마쳤고, 미국과 일본, 유럽에도 특허 신청을 한 상태”라며 2025년쯤 금속산화물 나노튜브를 이용한 수소저장재료가 장착된 자동차용 연료전지를 상용화할 수 있을 것”이라고 밝혔다.