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  • 역 전기투석의 에너지 수확을 향상시키는 새로운 멤브레인등록일 : 2015/12/02
  • 이온 전달을 선택적으로 조절하는데 매우 뛰어난 성능을 보여주는 새로운 종류의 나노다공성 멤브레인이 과학자들에 의해 개발되었다. 예를 들어, 음으로 하전된 이온은 구멍을 통과시키면서도 양으로 하전된 이온의 통과는 저지하는 것과 같은 것이다. 연구팀은 이 재료의 활용성을 증명하기 위해, 하전된 입자를 분리하는 능력을 이용해 에너지를 수확하는 에너지 전환 기기(energy conversion device)에 개발된 멤브레인을 사용하였다. 이 기술은 역 전기투석(reverse electrodialysis)과 매우 유사하지만, 멤브레인의 구조는 기존의 역 전기투석의 제약을 하나 극복할 수 있도록 함으로써 전력 생산을 증가시키는 결과를 낳는다.

    중국 과학원(Chinese Academy of Sciences)의 과학자인 Zhen Zhang 및 Liping Wen 등은, Journal of the American Chemical Society지에 새로운 멤브레인에 대한 연구결과를 게재하였다.

    과학자들은 개발된 멤브레인을 비대칭성 불균일 멤브레인(engineered asymmetric heterogeneous membrane)이라고 묘사하고 있다. 살아있는 유기체의 약한 세포막을 강화시켰으며, 멤브레인의 각 면에서 차단되는 이온의 종류가 다르며, 각 면은 다른 재료로 구성되어 있기 때문이다. 연구팀은 두 가지 종류의 고분자 재료를 사용하였다. 하나는 블록 공중합체(block copolymer)이고 다른 하나는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)였다. 비록 모든 비대칭적 멤브레인이 불균일한 것은 아님에도 불구하고, 불균일 특성을 갖는 것은 제작이 더 쉽고 단일 재료로 만들어진 비대칭성 멤브레인보다 더 많은 기능성을 제공하는 것과 같은 이점을 가지고 있다.

    새로운 멤브레인의 가장 큰 특징은, 한 방향으로의 이온 수송을 향상시키고 다른 방향으로는 억제한다는 점이다. 결과적으로 멤브레인의 한 방향에서 생성되는 전류의 양이 반대 방향보다 많게 되어 이를 이온성 전류의 정류(ionic current rectification)라고 칭한다. 개발된 멤브레인은 정류비가 약 1075로, 지금까지 보고된 최고 값보다도 2배 크다. 정류 비는 전하의 비대칭적 흐름을 나타내는 것이기 때문에, 결국 개발된 멤브레인의 화학적, 기하하적 및 전하의 비대칭성을 대표하는 것이며 다양한 분야에서 활용이 가능하게 된다.

    이런 거동은 전자의 이동을 조절하기 위한 반도체 다이오드의 메커니즘과 유사하며, 특정한 타입을 방향성을 가지고 전달할 수 있으며 분자 혹은 이온의 양도 조절이 가능함을 의미한다고 Wen은 밝혔다.

    유체에서 분자 혹은 이온 종을 조작할 수 있는 새로운 가능성을 열어준 연구이다. 반도체 전자회로의 경우와 유사하게, 높은 정류 비를 가지는 나노유체 다이오드(nanofluidic diode)는 이온 회로를 위한 핵심 빌딩블록이다. 이온 회로(ionic circuits)는 전해질 용액에서 이온 및 분자를 통제하고 감지하고 분리하는 것 등을 가능하게 해 준다. 또한 비대칭성 멤브레인 기반의 광전자 에너지 변환시스템에서는, 높은 정류 비가 유리하며 이는 반대방향의 이온 이동이 전력밀도를 감소시키기 때문이다.

    에너지 변환 기기로서, 새로운 멤브레인의 기능은 역 전기투석과 유사하다. 역 전기투석은 멤브레인의 양측에서 이온의 농도 차이를 이용해 에너지를 수확한다(예, 음으로 하전된 염소 이온 및 양으로 하전된 칼륨 이온). 농도구배(concentration gradient) 하에서, 염소 이온은 멤브레인을 통해 농도가 낮은 쪽으로 확산하며, 이온 확산에 의해 생성된 에너지는 수확이 가능하다.

    연구팀은 새로운 멤브레인이 제곱미터당 수 천 와트의 출력을 낼 수 있으며, 이는 일부 상업용 역 전기투석 멤브레인과 동등하거나 잠재적으로 더 뛰어나다고 예측하고 있다. 이런 높은 성능의 이유를 찾기 위해, 연구팀은 개발된 멤브레인의 비대칭성이 기존의 역 전기투석 멤브레인이 가진 농도 분극(concentration polarization) 현상을 제거했기 때문임을 찾아내었다. 이 문제는 낮은 농도의 염소 이온이 존재하는 쪽의 멤브레인 면에서, 염소 이온이 양으로 하전된 멤브레인의 구멍에서 응집하는 경향을 나타낸다. 이런 응집현상은 용액이 아닌 멤브레인의 구멍 근처에서 염소 이온의 농도를 높이기 때문에, 원래 의도했던 것과는 달리 용액에서의 농도의 차이를 저감시키는 결과를 낳는다. 따라서 멤브레인을 통과하는 염소 이온의 양이 감소한다.

    개발된 멤브레인은 이 문제를 해결하였을 뿐만 아니라, 실제로 용액에서보다 멤브레인 구멍 근처에서의 염소 이온의 농도도 낮춤으로써 이온의 확산을 촉진하였다. 연구팀은 이런 특성이 멤브레인의 비대칭적 구조 및 약하게 음으로 하전된 구멍에 의한 것이라고 여기고 있다.

    새로이 개발된 멤브레인을 염의 농도 구배를 이용한 발전에 적용하게 되면, 출력밀도는 크게 향상될 것이다. 이것은 기존의 역 전기투석에서 흔히 나타나는 농도 편극화 현상이 비대칭적 양극성 구조에 의해 소멸되기 때문이다. 이로써 현재의 이온교환 멤브레인 기반의 에너지 전환 시스템에 대한 가이드를 제공하는 기회가 되었다고 연구팀은 평가하였다.

    향후 연구팀은 추가적으로 멤브레인을 개선시켜, 전력생산, 수질 정화 및 담수화 등에 활용할 계획이다. 연구팀은 이온성 다이오드 멤브레인을 개발할 계획이며, 이를 위해 선택적 멤브레인의 조성을 최적화하고 다공성을 증가시키며, 제조원가를 감소시킬 것이다.

    그림> 비대칭 불균일 멤브레인에서, 비대칭성의 한 가지는 PET 멤브레인 구멍의 기하학적 형태이다. 이것은 그림 (b), (c)에 나타나 있으며, 원추형 구멍은 한 쪽이 다른 쪽에 비해 더 큰 구멍을 가지게 된다. 블록 공중합체 멤브레인은 (d), (e)에서 보여주는 것과 같이 다양한 크기를 가지고 있다.

    원문정보: Zhen Zhang, et al. "Engineered Asymmetric Heterogeneous Membrane: A Concentration-Gradient-Driven Energy Harvesting Device." J. Am. Chem. Soc., Article ASAP. DOI: 10.1021/jacs.5b09918

  • 키워드 : 멤브레인, 역 전기투석, 농도 분극, 비대칭성
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑