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- 가스와 처음 접촉하면 분홍색으로 변하고 추가로 노출되면 무색으로 바뀐다.
- 분말은 사용하기 쉽고 빠르게 반응하며 전원 공급 장치나 복잡한 측정 기술이 필요
- 센서 분말은 수소 누출을 소급적으로 표시하고 누출을 실시간 모니터링 가능

수소 지시약으로서의 분말
미세 입자는 색상을 변경해 보이지 않는 수소 가스를 볼 수 있다.

인화성이 높고 감지하기 어려운 수소 가스를 놀랍도록 간단한 개념으로 눈에 보이게 만들 수 있다. 연구원들은 전기나 복잡한 센서 기술 없이 수소가 있는 상태에서 두 단계로 색이 변하는 미세 분말을 개발했다. 가스와 처음 접촉하면 분홍색으로 변하고 추가로 노출되면 무색으로 바뀐다. 이를 통해 실시간으로 가스 누출을 감지할 수 있다. 

▲ 센서 입자의 색상 변화: 첫 번째 접촉은 색상을 보라색에서 분홍색으로 비가역적으로 변경하고, 추가 노출은 초입자를 탈색시킨다. 그러나 가스가 존재하는 동안에만 가능하다.

수소는 미래의 중요한 에너지 운반체로 간주된다.
이 가스는 전기 생산, 난방 및 드라이브 연료로 사용될 수 있고 연소될 때 물만 생성되기 때문이다. 그러나 인화성이 높고 산소와 접촉하면 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 수소를 취급하는 것은 위험하다. 극적인 결과가 1937년 "Hindenburg" 비행선의 화재와 더 최근에는 노르웨이의 수소 충전소 폭발로 나타난적이 있었다.

▲ 수소는 가연성이 높지만 냄새가 없고 보이지 않는다. 더 중요한 것은 좋은 센서이다. © bentrussell/ Getty images

3가지 성분으로 구성된 초미립자

파이프나 운송 컨테이너에서 수소 누출을 적시에 감지하는 것이 더욱 중요하다.
Erlangen-Nuremberg 대학의 야콥 라이히슈타인(Jakob Reichstein)과 그의 동료들은 이제 어디서나 사용할 수 있는 간단한 방법을 개발했다. 새로운 수소 센서의 핵심은 색 변화와 함께 수소의 존재에 반응하는 미세 입자다. 전기 및 복잡한 측정 장치 없이도 육안으로 볼 수 있는 보이지 않는 무취의 가스를 만든다.

이것은 이러한 슈퍼입자의 특별한 구성과 구조에 의해 가능하다.
그것들은 세 가지로 구성된다. 규산염 나노 입자는 작은 구멍 가스와 지시-염료 레자주린(resazurin 레자주린은 산화 환원 지시약인 청색 염색 시약)이다. 용액이 순환할 수 있는 다공성 프레임 워크를 형성한다. 세 번째 구성 요소는 금-팔라듐 나노 입자에 의해 형성되며, 이는 염료의 수소 유도 전환 반응에 대한 촉매 역할을 한다.

▲ H2 지시약 SP의 빌딩 블록, 제조 및 형태학적 특성: a) AuPd NP 및 b) SiO2 NP 분산의 디지털 사진 및 TEM 현미경 사진 c) 레자주린 염료 수용액의 디지털 사진; d) 자유 유동 보라색 분말로의 액적 증발(도구로 분무 건조 사용)을 통한 SP 제작의 개략도; e) SP 및 f) 표면의 SEM 현미경 사진. (출처: 관련논문 Fig.1 Supraparticles for Bare-Eye H2 Indication and Monitoring: Design, Working Principle, and Molecular Mobility)

2단계로 색상 변경

분말이 수소 가스와 접촉하면 첫 번째 비가역적 색상 변화가 단 1초 이내에 발생한다.
일반적으로 보라색인 레자주린은 수소와 반응해 레소푸린(Resofurin)을 형성하고 이 과정에서 분홍색으로 변한다. 이 반응은 되돌릴 수 없으므로 예를 들어 라인이나 용기에서 수소 가스가 누출되었다는 최초의 지속적 경고 역할을 한다.

▲ H2 지시약 SP의 색상 변화 반응: a) 기능적 특성화를 위한 설정; b) 정의된 H2 노출 프로그램에 처음으로 노출되었을 때 SP 분말의 색상 변화 반응의 스냅샷 및 c) 반복 노출 시. 전체 비디오는 온라인에서 볼 수 있다. (출처: 관련논문 Fig 3)

반면에 두 번째 단계는 가역적이다.
수소 가스가 환경에 여전히 존재하면 분홍색의 레소푸린이 탈색되어 히드로레소푸린이 된다. 센서 분말은 이제 무색이다. "이 무색 상태는 수소 노출이 지속되는 동안에만 유지된다"고 연구자들은 설명했다. 더 이상 수소가 없으면 미세 분말은 약 3초 후에 다시 분홍색으로 변한다.

▲ 4 nm 크기의 수막(파란색) 및 5개의 레자주린 분자와 접촉하는 실리카 슬래브(회색)를 특징으로 하는 H2 지시약 SP에서 레자주린의 H2O 유도 분자 이동성에 대한 분자 역학(MD) 시뮬레이션: MD 시뮬레이션의 스냅샷 a) 각각 a) 낮은 수분 함량(준비된 상태의 SP 모방) 및 b) 완전히 H2O로 채워진 SiO2 기공(H2O 투여 후 SP 모방)이 있는 H2 지시약 SP. 스케일 바는 5 nm를 나타낸다.(출처: 관련논문 Fig 6 Supraparticles for Bare-Eye H2 Indication and Monitoring: Design, Working Principle, and Molecular Mobility)

실시간 모니터링과 녹화를 동시에

이를 통해 센서 분말은 수소 누출을 소급적으로 표시하고 누출을 실시간으로 모니터링할 수 있다. Reichstein과 그의 동료들은 "공간적으로 고해상도 실시간 모니터링과 기체 접촉의 비가역적 기록의 결합은 초입자를 미래의 녹색 수소 경제에서 안전 보조자로서 특히 매력적으로 만든다"고 말했다.

또 다른 장점으로 분말은 사용하기 쉽고 빠르게 반응하며 전원 공급 장치나 복잡한 측정 기술이 필요하지 않다. 육안으로 수소 가스의 존재를 감지하기에 충분하다. 미립자는 다양한 방식으로 사용될 수 있으며 예를 들어 코팅의 첨가제로 사용될 수도 있다.
연구팀은 이미 입자 센서를 더욱 최적화하고 대규모 제조 및 적용을 준비하는 과정에 있다. (Advanced Functional Materials, 2022, doi: 10.1002/adfm.202112379)
출처: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
독일 에어랑엔-뉘른베르크의 프리드리히 알렉산더 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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