Research

[태양빛만으로 고농도 염수에서 리튬만 골라내는 차세대 나노필터 개발]

스마트폰을 충전하고, 전기차를 달리게 하고, 태양광 발전소에서 만든 전기를 저장하는 것. 이 모든 일을 하기 위해서는 '리튬'이 필요하다. 너무 중요한 나머지 '하얀 석유'라는 별명까지 붙은 이 자원을, 단지 햇빛만으로 바닷물에서 골라낼 수 있는 길이 열렸다. 

 POSTECH 기계공학과 이상준 교수, 샤킬루르 라헤만(Shakeeur Raheman) 박사 연구팀이 태양빛을 이용해 고농도 염수에서 리튬만 선택적으로 회수하는 나노여과막 기술을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재됐다.

 리튬은 바다와 염분이 높은 호수에 녹아 있지만, 정작 꺼내 쓰기가 쉽지 않다. 문제는 마그네슘이라는 '훼방꾼' 때문이다. 마그네슘은 리튬과 그 특성이 비슷해 함께 녹아 있는데, 물 분자를 강하게 끌어당기고 있어 리튬만 따로 분리하기가 매우 까다롭다. 기존에는 드넓은 증발지에 염수를 가득 채우고 수개월씩 햇볕에 말리거나, 강한 화학약품을 대량으로 쓰는 방식도 있지만 당연히 에너지가 많이 소모되고 환경에도 부담이 컸다. 전기차 시장이 폭발적으로 커지면서 리튬 수요가 치솟는 지금, 보다 깨끗하고 환경친화적이며 효율적인 추출 기술이 절실 하게 필요한 상황이 되었다.

 연구팀은 '그래핀 나노리본(GNR¹⁾)'과 '광열 환원 그래핀 산화물(PrGO²⁾)'을 결합한 초미세 나노 채널을 개발했다. 원리는 이렇다. 물에 녹은 이온은 주변 물 분자를 달고 이동하는데, 마그네슘은 리튬보다 물 분자를 훨씬 강하게 붙잡는다. 리튬은 가벼운 백팩 하나만 메고 좁은 문을 통과하는 반면, 마그네슘은 커다란 짐을 잔뜩 짊어지고 있어 같은 문을 빠져나가지 못하는 것과 같은 원리다. 

 그래핀 나노리본 가장자리에는 여러가지 화학 기능기가 있는데, 이 기능기들은 리튬 이온 주변 물 분자를 살짝 떼어내서 이동을 돕는다. 덕분에 리튬은 보다 빠르고 수월하게 막을 통과한다. 그리고, '광열 환원 그래핀 산화물‘ 구조는 태양 빛을 열로 바꾸는 변환 능력이 있어, 햇빛을 받으면 막의 내부 온도가 올라가고 리튬 이온 이동 속도도 덩달아 빨라진다. 

 기본 태양광 조건(1kW·m-2)에서 시스템을 구동한 결과, 리튬과 마그네슘을 분리하는 선택성이 크게 높아졌고, 염수 속 리튬의 농축 효율은 기존 대비 약 28배까지 향상됐다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션으로도 이 원리를 확인했다. 리튬 이온은 막을 지나는데 필요한 에너지가 매우 낮아 빠르고 쉽게 통과할 수 있지만, 마그네슘은 이동 경로가 좁고 복잡하여 통과하기 어렵다는 사실을 수치해석으로 증명한 것이다.

 이 기술은 '태양광'이라는 무한하고 친환경적인 에너지를 동력으로 사용한다는 점에서 큰 의미가 있다. 화학약품도, 거대한 증발지도 필요 없다. 2030년이면 전 세계 리튬 수요가 현재의 수 배에 달할 것이라는 전망 속에서, 바다와 염호를 거대한 리튬 광산으로 바꿀 수 있는 현실적인 열쇠가 될 수 있다. 

 POSTECH 이상준 교수는 "태양광 기반 광열 효과와 그래핀 나노구조를 결합해 리튬을 효율적으로 회수하는 플랫폼을 제시했다"라며, "차세대 친환경 이온 분리 기술과 리튬 자원 확보 기술 개발에 폭넓게 활용될 것"이라고 전했다. 

 한편, 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202528238

1. GNR(graphene nanoribbon) : 펼쳐진 탄소나노튜브(Unzipped carbon nanotube)로부터 유래한 그래핀으로, 선택적으로 기능화될 수 있는 풍부한 가장자리(edge) 부위를 노출시켜 음전하를 띤 작용기 (Mg2+)의 침투를 억제하고, 질소 함유 작용기는 Li+ 배위를 촉진함.

2. PrGO(photothermally-reduced graphene oxide) : 팽창 방지 기능이 있는 흑연 연속체이자 전도성 지지체인 광열 환원된 그래핀 산화물로 장기간 작동에도 나노채널 구조를 지속적으로 유지함.