서 론

지질학적 수소(geological hydrogen)는 화석연료를 대체할 수 있는 잠재적 1차 에너지원으로 주목받고 있으며, 탄소중립 전환과 에너지 안보 측면에서 그 중요성이 빠르게 부각되고 있다(Nikolaidis and Poullikkas, 2017; Smith et al., 2005; Zgonnik, 2020). 지질학적 환경에서 수소가 생성되는 과정은 크게 ① 열수 반응에 따른 철의 산화(iron oxidation), ② 방사선 분해(radiolysis), ③ 암석 파쇄 시 발생하는 기계화학적 라디칼 생성(mechanoradical formation), ④ 화산 기체 방출(volcanic degassing), ⑤ 미생물 활동에 의한 생물기원성 생성(biogenic H₂) 등 다양한 과정으로 구분된다(Klein et al., 2020). 이 가운데 Fe²⁺를 함유한 광물이 물과 반응하여 Fe³⁺로 산화될 때 H₂가 방출되는 반응은 지질학적 수소 생성의 가장 보편적이며 근본적인 메커니즘으로 널리 받아들여진다(Crouzet et al., 2017; Klein, 2005).

이러한 생성 메커니즘과 탐사 가능성에 대해서는 국내외에서 자연수소의 발생 기작, 지질 환경별 분포 특성, 잠재적 저장 구조 및 자원화 가능성을 중심으로 다양한 연구가 수행되어 왔다(Cha and Lee, 2023; Etiope and Schoell, 2014; Jung et al., 2022; Kim, 2022; Park et al., 2024; Sherwood Lollar et al., 2007; Woo et al., 2025; Zgonnik, 2020). 그러나 국내 연구의 상당 부분은 해외 사례와 기존 이론적 메커니즘을 정리하는 데 초점을 두고 있어, 특정 암석 유형이나 개별 지질 환경에서의 수소 생성 반응을 직접 검증한 실험적 연구는 아직 제한적인 실정이다(Cha and Lee, 2023: Jung et al., 2022). 따라서 지질 환경별 수소 생성 메커니즘을 실험 및 현장 관측을 통해 정량적으로 규명하는 연구는 자연수소 자원의 잠재성을 평가하고, 실제 자원화 가능성을 판단하는 데 필수적인 단계라 할 수 있다(Sherwood Lollar et al., 2007; Zgonnik, 2020).

대표적인 철 산화 기반 수소 생성 메커니즘인 사문암화 작용(serpentinization)은 200–400°C 범위의 고온·고압 조건에서 Fe²⁺–풍부한 감람석·휘석과 물이 반응할 때 H₂가 대량 생성되는 반응으로, 지금까지 가장 활발하게 연구되어 왔다(Brunet, 2019; Klein et al., 2020). 사문암화의 경우, 열역학 계산과 자연 표본 분석에서 < 200°C 조건에서도 약 50–150 mmol H₂/kg rock 수준이 예측되며, 느린 해령 환경과 같이 반응이 장기간 지속되는 경우에는 ~200–350 mmol H₂/kg rock까지 도달할 수 있음이 보고되었다(Rezaee, 2025). 또한, 실험실 조건에서 부분 사문암화된 오만 듀나이트에서 ~0.47 mmol H₂/kg(Miller et al., 2017)이나 30–70°C의 저온에서 0.5–1.5 mmol H₂/kg와 같은 비교적 작은 양의 H₂ 생성도 관측되었다(Neubeck et al., 2011).

이와같이 자연수소 연구는 오랫동안 고온 열수 환경을 중심으로 전개되어 왔으나, 최근에는 “H₂ 생성이 고온 조건에서만 지배적으로 일어난다”는 기존 관점을 재검토할 필요성이 제기되고 있다. 특히 Geymond et al.(2022)은 호상철광상(banded iron formation, BIF)의 자연 풍화대에서 Fe²⁺ 산화가 지표 또는 근지표의 비교적 낮은 온도 조건에서도 진행될 수 있음을 지질학적·광물학적 증거로 제시하였다. 이는 철 산화 기반 H₂ 생성이 고온 열수계에 국한되지 않으며, 저온 조건에서도 의미 있는 수준으로 발생할 수 있음을 시사한다.

이어진 실험 연구에서 Geymond et al.(2023)은 무산소수(anoxic water) 조건에서 자철석(magnetite)이 200°C 이하의 온도에서도 마그헤마이트(γ–Fe₂O₃)로 변질되며 동시에 H₂가 생성될 수 있음을 batch reactor 실험을 통해 제시하였다. 이들은 자철석이 기존에 ‘촉매’로만 간주되던 것과 달리, 자체적으로 Fe²⁺→Fe³⁺ 산화가 진행되면서 H₂를 생성할 수 있는 잠재적 원천임을 제시하였다. 따라서 자철석을 포함하는 철–풍부 암석, 특히 호상철광상은 자연수소 생성 및 축적 시스템의 후보 지질환경으로 새롭게 주목받고 있다(Geymond et al., 2023; Geymond et al., 2022).

호상철광상은 총철 함량이 일반적으로 20–40 wt.%에 이르며, Fe²⁺을 함유한 자철석과 철 규산염광물이 풍부하게 존재하는 선캄브리아기 대표 철광상으로, 전 지구적 철광석의 약 60% 이상을 구성한다(Angerer et al., 2012; Bekker et al., 2010; Klein, 2005). 이러한 특성 때문에 호상철광상은 자원뿐 아니라 수소 발생 잠재성 측면에서도 새로운 관심 대상이 되고 있다. 실제로 Kim et al.(2025)은 중국 우강(Wugang) 및 항양(Hengyang) 지역의 호상철광상시료를 대상으로 철 산화 상태(Fe²⁺/Fe³⁺)와 자철석 함량을 정량화하고, 자철석 내 Fe²⁺ 산화로부터 이론적으로 생성 가능한 H₂ 잠재량을 산출함으로써, 자철석이 호상철광상의 수소 생성 잠재력을 규정하는 핵심 요소임을 제시하였다. 이러한 연구들은 호상철광상이 단순한 철광상에 그치지 않고, Fe²⁺ 산화 기반 지질학적 수소 생성의 유망한 원천이 될 수 있음을 뒷받침한다(Geymond et al., 2023; Geymond et al., 2022; Kim et al., 2025).

그럼에도 불구하고 호상철광상에서 H₂가 실제로 어느 온도 범위에서, 어떤 광물 조성(특히 자철석 함량) 조건에서 얼마나 생성되는지, 그리고 그 과정에서 자철석의 산화가 어떤 광물학적 상전이(예: 적철석/마그헤마이트 생성)를 수반하는지에 대해서는 아직 실험 기반의 정량 자료가 충분하지 않다(Geymond et al., 2023; Lee and Xu, 2016). 특히 자연수소 탐사 관점에서는 H₂ 생성의 열역학적 가능성뿐만 아니라, 온도·반응 시간·자철석 함량과 같은 지질학적 변수에 따라 H₂ 생성 속도와 양이 어떻게 변화하는지를 속도론적(kinetic) 측면에서 제약하는 것이 필수적이다.

본 연구는 이러한 연구 공백을 보완하기 위해, 자철석 함량이 서로 다른 호상철광상 관련 시료를 대상으로 오토클레이브 기반 수열반응 실험을 수행하고, 반응 조건(온도·시간) 변화에 따른 H₂ 생성 특성과 광물상 변화를 정량적으로 평가하고자 한다. 본 연구 결과는 호상철광상 기반 자연수소 생성 메커니즘의 정량적 이해를 강화하고, 자철석 풍부 철광상 및 주변 모암/변질대의 자연수소 탐사 잠재성을 평가하는 기초자료를 제공할 것이다.

시료 채취 지역

중국의 선캄브리아기 기반암은 크게 북중국 지괴(North China Craton, NCC)와 남중국 지괴(South China Craton, SCC)로 구성되며, 두 지괴는 진링–다비(Qinling-Dabie) 조산대를 포함한 여러 조산대 벨트를 통해 구조적으로 접합된다(Zhai and Santosh, 2013; Zhao et al., 2005). 이 중 북중국 지괴는 중국에서 가장 오래되고 규모가 큰 지괴로, 복잡한 지각 성장 역사와 풍부한 광물자원으로 인해 활발히 연구되어 왔다(Zhai and Santosh, 2013). 북중국 지괴는 암석학적·변성작용·지질연대학적 차이에 따라 TNCO(Trans-North China Orogen) 조산대를 경계로 동부 블록과 서부 블록으로 구분된다. TNCO 남부에는 타이화 복합체(Taihua Complex)를 포함한 시생대(Archean) 지괴들이 광범위하게 분포한다(Liu et al., 2018; Zhai and Santosh, 2013; Zhao et al., 2005; Zhao and Zhai, 2013)(Fig. 1).

Fig. 1.

(a) Distribution of China’s major Precambrian cratons, the North China Craton and the South China Craton (Zhao et al., 2001). (b) Location of the Wugang banded iron formation (BIF) deposit within the North China Craton (Lan et al., 2013; Santosh, 2010).

타이화 복합체는 신시생대(Neoarchean)에 형성된 선캄브리아기 지질 단위로, 루산(Lushan), 우강 등 여러 지괴로 이루어져 있으며, 이 복합체는 약 1.96–1.80 Ga 동안 상부 각섬석상에서 백립암상 변성작용(upper amphibolite-granulite facies metamorphism)을 겪은 것으로 보고된다(Lu et al., 2014). 본 연구 대상인 우강 지괴는 타이화 복합체의 동단부에 위치하며, 중국 내 대표적인 철광석 산지로 알려져 있다(Liu et al., 2018).

우강 지역에는 (1) 티에산먀오형(Tieshanmiao-type) 호상철광층(BIF-hosted iron deposit)과 (2) 자오안좡형(Zhaoanzhuang-type) 마그마성 철광상의 두 유형 철광상이 산출된다. 이 중 본 연구의 대상인 티에산먀오형 호상철광상은 평균 총철 함량이 25–29 wt%이며, 매우 낮은 Al₂O₃·TiO₂·NiO 함량과 현대 해수 및 열수와 유사한 REE+Y 패턴을 보여 전형적인 호상철광상 기원을 갖는다. 해당 호상철광상은 주요 광체가 NW-SE 방향으로 배열되며, 미그마타이트, 각섬석 편마암, 규암, 대리암과 교호하는 층서적 산상 및 구조적 특징을 갖는다(Lan et al., 2013; Yao et al., 2015).

연구 방법

시료 준비

본 연구에서는 북중국 우강 호상철광층에서 산출된 철광석 시료를 사용하였으며, 자철석 함량이 낮은 시료(20WG-21-a)와 높은 시료(20WG-23-a)(Moon et al., 2023), 그리고 자연적으로 자화된 자철석인 lodestone을 대상으로 분석을 수행하였다. 모든 시료는 오염을 최소화하기 위해 아게이트 막자사발을 사용하여 미세 분말로 분쇄하였고, 105°C 건조 오븐에서 24시간 건조하여 잔류 수분을 제거한 후 데시케이터에 보관하였다. 건조·보관된 분말 시료는 동일한 전처리 조건을 유지한 상태에서 이후 수열반응 실험에 사용하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Schematic of the autoclave experimental setup. (a) Reactor vessel assembly (Φ56 × h115 mm). (b) PTFE inner reaction vessel (25 mL; Φ33 × h64 mm).

Lodestone 시료는 미국 유타주 아이언 카운티(Iron County, Utah, USA)에서 산출된 자연 자화 자철석시료이며 암회색–흑색의 괴상 내지 반자형 조직을 보이며, 금속–아금속 광택과 불규칙한 파단면을 보여준다(Lee and Xu, 2018). 해당 시료는 지질학적으로 아이언 스프링스(Iron Springs) 광상대에 특징적인 철 산화물 스카른형(iron-oxide skarn) 자철석 광화작용의 산물로 보고된 바 있으며, 본 연구에서는 자철석의 산화 전환과 이에 수반되는 H₂ 생성 특성을 비교하기 위한 고자철석 엔드멤버(end-member) 시료로 활용하였다.

오토클레이브 수열 반응

수열 반응 실험은 내부가 PTFE(Polytetrafluoroethylene)로 라이닝된 25 mL 용량의 고압 반응기(hydrothermal synthesis autoclave reactor; SL.Ves7001)를 사용하여 수행하였다(Fig. 2). PTFE 라이너는 고온·고압 조건에서 반응기 재질의 화학적 부식과 금속 이온 용출에 의한 시료 오염을 최소화하기 위해 적용하였다. 각 반응기에는 건조·전처리된 분말 시료 0.2 g과 3차 증류수 10 mL를 투입한 뒤 즉시 밀봉하였다. 이때 고체–액체 비는 모든 실험에서 동일하게 유지하였으며, 반응기 충전율을 약 40%로 설정하여 상부공간(headspace) 약 15 mL를 확보하였다. 반응기 조립 후에는 가열 전 누출 여부를 확인하여 밀봉 상태를 점검하였다. 밀봉된 반응기는 건조 오븐에서 150°C 및 230°C 조건으로 각각 가열하였으며, 반응 시간은 150°C에서 30일, 230°C에서 22일로 설정하였다. 모든 실험은 설정 온도에서 항온 조건을 유지하도록 운영하여 온도 변동에 따른 반응 편차를 최소화하였다.

본 연구에서 설정한 반응 시간은 철 산화물 및 규산염 광물의 수열 산화 속도론(kinetics)을 규명한 선행 연구(Brunet, 2019; Crouzet et al., 2017)의 결과를 근거로 하였다. 해당 연구들에 따르면, 수열 조건 하에서 Fe²⁺의 산화에 수반되는 H₂ 발생은 반응 개시 후 수일에서 수주 이내에 정량 분석이 가능한 유의미한 농도에 도달한다. 특히, 열역학적 평형 상태에 근접한 광물상 전이를 실험적으로 확인하기 위해서는 최소 2–4주 이상의 충분한 반응 시간이 요구되는 것으로 보고된 바 있다. 따라서 본 실험에서는 이러한 속도론적 특성을 고려하여, 각 온도 조건에서 생성 기체의 정량화와 광물학적 변화를 명확히 관찰할 수 있는 반응 기간(22–30일)을 설정하였다.

수소 농도 분석

반응 종료 후 반응기 상부 공간에 존재하는 기체상의 수소 농도를 정량하기 위해 휴대용 가스 감지기(Portable Gas Detector, GPD-100)를 사용하였다. 본 장비의 측정 범위는 0–1,000 ppm, 분해능은 1 ppm이다. 해당 기기의 측정 오차는 ±3% 이내로 본 예비 연구의 수소 생성 경향성을 파악하기에 충분한 정밀도를 가진다. 해당 장비는 내장형 다이어프램 펌프를 통해 기체를 흡입하며, 기체 유량은 분당 300–500 mL 범위로 유지하였다. 분석 시 외부 대기의 혼입을 최소화하기 위해 반응기 개방 직후 즉시 감지기의 흡입구를 상부 공간에 밀착시키고 측정을 수행하였다. 수소 농도는 ppm 단위로 기록하였으며, 측정값의 평균을 최종 농도로 사용하였다. 아울러 동일한 절차로 증류수만을 주입한 블랭크(blank) 조건을 측정하여 배경 신호를 확인하였으며, 측정 전 장비의 영점(제로) 보정을 수행한 뒤 분석을 진행하였다.

XRD

수열반응에 따른 수소 생성 과정이 시료의 광물 조성 및 광물상 전이에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해, 반응 전후의 고체 시료를 대상으로 X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 수행하였다. 분석에는 Rigaku Miniflex 600 powder X-ray diffractometer(Rigaku, Tokyo, Japan)를 사용하였으며, Cu Kα 방사선(λ = 1.5406 Å, 40 kV, 15 mA)을 이용하여 2θ 기준 3°–90° 범위에서 측정하였다(Lee et al., 2025). 측정 전 회절각 정확도를 확보하기 위해 실리콘(Si) 표준시료를 이용하여 기기 캘리브레이션을 수행하였다. 분석용 시료는 공기 중에서 충분히 건조한 뒤 아게이트 막자를 사용하여 미세 분말로 균질화하였고, 배향 효과(preferred orientation)를 최소화하고 재현성을 확보하기 위해 평판 시료 홀더에 균일한 밀도로 충전하여 장착하였다. 회절 패턴은 상온·대기압 조건에서 연속 스캔모드로 취득하였다. 획득된 회절 패턴은 SmartLab Studio II(Rigaku, Japan) 소프트웨어를 이용하여 배경 보정, Kα₂ 성분 제거 및 피크 분리 등의 과정을 거친 후 해석하였다. 광물상의 동정은 소프트웨어에 내장된 표준 회절 데이터베이스(American Mineralogist Crystal Structure Database)에 수록된 표준 패턴과 주요 회절 피크의 2θ 위치 및 상대 세기를 비교함으로써 수행하였다(Downs and Hall-Wallace, 2003). 이후 Rietveld refinement 방법을 적용하여 격자 상수, 피크 폭 및 스케일 팩터 등을 동시에 최적화하였다. 최종적으로 산출된 스케일 팩터를 바탕으로 각 광물상의 함량을 정량화하고, 이를 통해 반응 전후 시료에서의 상대적인 광물상 비율 변화를 평가하였다.

연구 결과

수열반응 및 광물의 상 변화

본 연구에서 수행한 오토클레이브 기반 수열반응 실험은 호상철광상 시료가 고온·고압 조건에서 물과 상호작용할 때, 자철석 내 Fe²⁺가 Fe³⁺로 산화되고 이에 수반하여 물 분자가 환원되며 H₂가 생성되는 반응 메커니즘을 검증하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 150°C에서 30일, 230°C에서 22일의 두 조건에서 수열반응을 수행하였다. 실험온도는 Geymond et al.(2023)에서 수행된 자철석–수열 반응 실험과 이에 대한 열역학 시뮬레이션 결과를 바탕으로 설정하였다. 실험에는 총 철 함량이 낮은 20WG-21-a(Fe₂O₃T 3.82 wt.%), 총 철 함량이 높은 20WG-23-a(Fe₂O₃T 49.1 wt.%)(Table 1), 그리고 고순도 자철석으로 구성된 자연 자화 시료인 lodestone을 사용하였다. 이 중 20WG-21-a는 우강 호상철광상 주변에서 산출되는 편마암 기원의 자철석 함량이 낮은 시료로, 총 Fe 함량이 낮으며, Fe-bearing 산화광물 조성이 낮은 조건에서의 반응성을 평가하기 위해 포함하였다. 반면 20WG-23-a는 동일 지역 호상철광층에서 채취된 철 함량 및 자철석 함량이 높은 시료로, 본 연구에서는 두 시료를 자철석 조성 범위의 엔드멤버(end-member)로 설정하여 자철석 함량이 수열반응성과 H₂ 생성량에 미치는 영향을 비교·평가하였다. Lodestone은 Fe²⁺–Fe³⁺ 산화 반응의 진행과 이에 따른 광물상 전환을 가장 명확하게 확인할 수 있는 기준시료로 활용하였다(Figs. 3, 4, 5, Table 2).

총 철 함량이 낮은 20WG-21-a 시료에서는 150°C 조건에서 18 ppm, 230°C 조건에서 31 ppm의 H₂가 생성되었다. 이는 반응 전 자철석 3.1%, 적철석 0%였던 광물 조성이 반응 후 150°C에서 자철석 2.3%·적철석 0.8%, 230°C에서 자철석 2.0%·적철석 1.1%로 변화한 결과와 부합한다. 즉, 온도가 증가함에 따라 자철석의 산화가 더 적극적으로 진행되었고, 이에 비례하여 H₂ 생성량도 증가하였다(Fig. 3).

Fig. 3.

X-ray diffraction (XRD) patterns of the low–total-Fe samples obtained before and after the reaction, showing changes in mineral assemblages. Peak positions were identified using reference patterns for quartz, phlogopite, magnetite, and hematite.

총 철 함량이 높은 20WG-23-a 시료에서도 동일한 경향이 확인되었다. 반응 전 자철석 7.6%, 적철석 13.7%였던 조성은 150°C 조건에서 자철석 7.1%·적철석 14.2%로 변화하면서 42 ppm의 H₂가 생성되었다. 230°C에서는 자철석이 3.5%까지 감소하고 적철석이 17.8%까지 증가하는 동시에 H₂가 62 ppm까지 증가하였다. 이러한 결과는 자철석의 산화가 온도에 크게 의존하며, 생성된 H₂의 양이 이에 수반되는 광물학적 변화와 밀접하게 연계되어 있음을 보여준다(Fig. 4).

Fig. 4.

Comparison of mineralogical compositions in the high–total-Fe samples before and after the reaction based on XRD analysis. Peak assignments were made using reference patterns for quartz, illite, magnetite, and hematite.

Lodestone의 경우, 반응 전 자철석 96.9%, 적철석 3.1%였던 조성이 230°C에서 22일 반응 후 자철석 45.7%, 적철석 55.3%로 크게 전환되었으며, 이 과정에서 총 335 ppm의 H₂가 생성되었다. 자철석이 압도적으로 풍부한 시료일수록 Fe²⁺ 산화 반응이 크게 진행되고, 그에 따라 H₂ 생성량도 현저히 증가하는 전형적인 양상이 확인된다(Fig. 5).

Fig. 5.

XRD-based comparison of mineralogical compositions of the lodestone sample before and after the reaction. Peak assignments were made using reference patterns for magnetite and hematite.

종합하면, 모든 시료에서 수열 조건 하 자철석의 산화 정도는 온도 상승에 따라 뚜렷하게 증가하였으며, Fe²⁺→Fe³⁺ 산화 반응의 진행 정도가 H₂ 생성량을 제어하는 핵심 인자임이 확인되었다. 또한 시료 간 비교 결과, 자철석 함량 자체가 H₂ 생성 잠재력을 규정하는 주요 지질학적 변수로 작용함을 보여주며, 이는 호상철광상 기반 자연수소 생성 가능성을 평가하는 데 있어 철 산화물 조성의 중요성을 시사한다.

고 찰

호상철광상의 연구 잠재성

풍화를 받지 않은 호상철광상은 총철 함량이 20–40 wt.%에 달하며 Fe²⁺ 비율이 높아, 물–암석 산화반응을 통한 지질학적 수소 생성의 잠재적 원천으로 주목받고 있다(Geymond et al., 2023; Geymond et al., 2022). 자연 수소 발생의 대표적 지질학적 메커니즘으로 알려진 사문암화 작용은 일반적으로 약 300°C의 고온에서 가장 활발한 H₂ 생성 반응성을 보이는 것으로 실험 및 열역학 계산을 통해 제시되어 왔다(Brunet, 2019).

그러나 Geymond et al.(2022)는 호상철광상의 풍화작용이 지표 또는 근지표 온도에서도 Fe²⁺의 산화가 진행될 수 있음을 지질학적·광물학적 증거를 바탕으로 제시하였다. 이어서 Geymond et al.(2023)은 200°C 이하의 상대적으로 낮은 온도에서 무산소수(anoxic water)와 자철석이 반응할 때 자철석이 불안정화되며 마그헤마이트(γ–Fe₂O₃)로 부분 변질되고 동시에 H₂가 발생함을 batch reactor 실험을 통해 규명하였다. 이는 자철석이 단순한 촉매 역할을 넘어, 광물 자체의 Fe²⁺→Fe³⁺ 산화가 진행되는 동안 H₂를 생성할 수 있는 반응성 원천임을 시사한다.

더불어 Kim et al.(2025) 는 중국 우강과 항양지역의 호상철광상 시료에 대해 광물학적·지구화학적 분석을 수행하여, 자철석(magnetite)에 포함된 Fe²⁺의 비율과 자철석 함량이 호상철광상의 잠재적 H₂ 생성량을 결정하는 핵심 요인임을 정량적으로 제시하였다. 해당 연구에서는 XRD와 Mössbauer 분광 분석을 이용하여 자철석·적철석·규산염광물의 철 산화 상태를 정밀하게 규명하였으며, 이를 바탕으로 호상철광상에 포함된 Fe²⁺의 이론적 산화에 의해 생성될 수 있는 H₂ 잠재량을 Geymond et al.(2022) 에서 제시한 계산식에 따라 산출하였다. 이들 선행연구는 자철석이 풍부하고 Fe²⁺ 공급원이 큰 호상철광상이 철 산화 기반 자연수소 생성의 유망한 지질학적 원천이 될 수 있음을 지질학적 관찰, 실험적 검증, 그리고 정량적 잠재량 평가의 측면에서 일관되게 뒷받침한다(Geymond et al., 2022; Geymond et al., 2023; Kim et al., 2025).

향후 연구 방향

본 연구의 예비 실험 결과를 바탕으로, 향후에는 오토클레이브 수열 반응 실험을 50, 75, 100, 150, 200, 250 및 300°C의 세분화된 온도 구간으로 확장하여 체계적으로 수행할 예정이다. 선행 연구인 Geymond et al.(2023) 에 따르면, 무산소 조건에서 자철석 내 Fe²⁺의 부분적 산화에 의해 생성되는 H₂의 양은 자철석 1 kg당 수 μmol 수준에 불과하며, 225°C에서도 최대 약 10 μmol/kg 자철석에 그치는 것으로 보고되었다. 반면, 동일 연구의 일부 실험 조건에서는 80°C와 200°C에서 각각 자철석 1 kg당 약 38 mmol 및 10 mmol 수준의 높은 H₂ 생성량이 측정되어, 특정 온도 및 반응 조건에서 수소 생성 반응이 비선형적으로 급격히 활성화될 수 있음을 시사한다. 이러한 선행 연구 결과와 본 연구에서 관찰된 온도 의존적 H₂ 생성 경향을 바탕으로, 향후 연구에서는 기존 실험(Kim et al., 2025)에서 사용한 자철석 함량이 낮은 시료와 높은 시료를 엔드멤버(end-member)로 설정하고, 두 엔드멤버 사이의 자철석 함량을 갖는 추가 호상철광상 시료를 선정하여 자철석 함량 변화에 따른 반응성을 정량적으로 비교할 계획이다. 이를 통해 자철석 함량과 반응 온도의 상호작용이 수소 생성 효율에 미치는 영향을 보다 체계적으로 규명하고자 한다. 확장된 오토클레이브 실험에서는 각 온도 조건에서 생성되는 H₂의 발생량을 정량적으로 측정하고, 반응 과정에서 수반되는 광물상 전이, 즉 자철석의 부분적 산화와 마그헤마이트 및 적철석의 생성 여부를 XRD, Mössbauer 분광법, Raman 분석을 통해 체계적으로 추적할 예정이다. 또한 동일 온도 조건에서 반응 시간을 단계적으로 변화시켜(예: 수일–수주–수개월) H₂ 생성의 시간 의존성과 반응 속도론(kinetics)을 제약하고자 한다. 자연계 열수/지하수 조성을 모사하기 위해 pH 및 주요 이온(예: Cl⁻, HCO₃⁻) 조성을 조절한 용액을 사용함으로써 수화학 조건 변화에 따른 H₂ 생성량과 광물상 전이를 평가할 계획이다.

본 연구에서 사용된 휴대용 감지기는 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있으나, 센서의 특성상 발생할 수 있는 타 기체 성분의 잠재적 간섭(interference) 효과를 완전히 배제하기 어렵다. 생성 기체의 정량 정확도를 높이기 위해 향후에는 기체 크로마토그래피(gas chromatography) 분석을 병행하여 headspace H₂ 농도를 교차 검증하고, 검출한계 및 재현성(표준편차 등)을 함께 제시할 예정이다. 구체적으로는 가스 기밀 주사기(Gas-tight syringe)를 이용한 정밀 포집 및 표준 가스와의 비교 분석을 통해 현재 데이터의 정확도를 교정(Calibration)하고, 검출 한계(LOD) 및 재현성(표준 편차 등)을 체계적으로 제시함으로써 호상철광상 기원 수소 발생량 산정의 신뢰도를 확보하고자 한다.

한편 반응 전후 시료의 미세조직 및 표면 변화를 SEM-EDS로 관찰하여 반응이 입자 표면에서 주로 진행되는지, 또는 입자 내부까지 확산을 수반하는지에 대한 반응 경로를 제약할 예정이다. 아울러 호상철광상자체뿐 아니라 주변 모암 및 변질대 시료로 실험 범위를 확장하여, 자연수소 시스템에서의 잠재적 기여 범위를 정량화하고자 한다. 최종적으로 도출된 최적 반응 조건과 임계 온도 구간은 호상철광상이 분포하는 지질환경(매몰 심도, 열수 영향 범위)과 연계하여 자연수소 생성 가능성이 높은 조건을 해석하는 데 활용될 것이다.

결 론

본 연구는 호상철광상에서 자철석 내 Fe²⁺의 산화 반응을 통해 지질학적 수소가 생성될 수 있는지를 평가하기 위해, 자철석 함량이 서로 다른 시료를 대상으로 오토클레이브 기반 수열반응 실험을 수행하고 반응 전후의 광물학적 변화를 정량 분석하였다. 자철석 함량이 낮은 시료, 자철석 함량이 높은 시료, 그리고 자철석이 우세한 lodestone을 150°C 및 230°C 조건에서 반응시킨 결과, 모든 시료에서 H₂ 생성이 확인되었으며 온도 상승에 따라 H₂ 생성량이 증가하는 일관된 경향이 나타났다. 특히 자철석이 가장 풍부한 lodestone시료에서는 230°C에서 22일 반응 후 총 335 ppm의 H₂가 생성되었고, 이에 수반하여 자철석이 적철석으로 전환되는 뚜렷한 산화 반응이 관찰되었다. 이는 Fe²⁺→Fe³⁺ 산화 반응의 진행 정도가 H₂ 생성량과 직접적으로 연계되며, 자철석 함량이 높을수록 H₂ 생성 잠재력이 크게 증가함을 보여준다. 또한 자철석 함량이 낮은 시료에서도 150–230°C 범위의 중·저온 조건에서 유의미한 수준의 H₂가 생성되었다는 점은, 호상철광상 자체뿐 아니라 주변 모암 및 변질대 역시 자연수소 시스템에서 잠재적 기여원이 될 수 있음을 시사한다. 시료 간 비교 결과, 자철석 함량은 H₂ 생성량을 제어하는 핵심 지질학적 변수로 확인되었다.

종합하면, 본 연구는 호상철광상에서의 Fe²⁺ 산화 기반 H₂ 생성 메커니즘을 실험적으로 검증하고, 자철석 함량과 온도 조건이 H₂ 생성량을 좌우하는 주요 인자임을 제시한다. 이에 따라 자철석 함량 및 철 산화도(자철석→적철석 전환 정도)는 자연수소 탐사에서 유효한 지질학적 지표로 활용될 수 있으며, 평가 대상은 호상철광상 본체에 더해 철–풍부 모암 및 변질대까지 확장될 필요가 있다. 향후에는 온도–시간–수화학 조건을 체계적으로 확장한 실험과 정밀 분광·미세조직 분석을 병행하여, H₂ 생성량의 스케일링 관계와 최적 생성 조건을 정량적으로 제약하는 것이 요구된다.