값비싼 백금 촉매를 대체할 수 있는 저비용·고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.
기초과학연구원은 나노입자 연구단 그룹리더인 성영은 서울대학교 교수 연구팀이 저비용 고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.
이차전지 및 연료전지는 차세대 에너지 저장소 및 동력으로 각광받고 있으나, 이차전지의 경우 에너지 및 출력 밀도를 충족시킬 수 있는 새로운 전극 개발이 필요하고, 연료전지는 값비싼 백금촉매를 대체할 전극의 개발이 절실한 상황이었다.
기초과학연구원에 따르면 이번 성과는 황과 질소가 도핑된 그래핀을 대량 생산할 수 있는 친환경적이며 경제적인 공정을 개발했다는 점에서 의미가 크며 특히 이차전지의 성능 향상과 연료전지의 비용 문제를 동시에 해결 가능하다.
꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전도성, 유연성, 내구성 등 탁월한 물리적 성질을 가진다. 도핑 그래핀은 여기에 질소, 황 등 헤테로원자(탄소와 수소 이외 원소의 원자)를 더해 탄소 소재의 화학적 성질을 개선된 것으로, 전기화학 촉매나 연료전지의 전극재료에 적합하다.
그러나 기존 합성법은 값 비싼 금속 촉매와 특수한 장비를 사용하거나 공정이 복잡해 대량생산이 어렵다.
이에 연구진은 흔히 쓰는 시약인 가성소다(NaOH)와 헤테로원자가 함유된 유기용매를 사용하여 용매열합성법으로 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성해 리튬이온전지 전극에 적용했다.
그 결과 연구진이 개발한 도핑 그래핀은 황과 질소의 도핑 함유량이 높으며 비표면적이 넓은 장점을 가지고 있어 리튬이온전지의 전극 물질에 적용했을 때, 리튬이온이 이동하는 거리를 단축시킬 수 있어 출력이 우수하다는 사실을 밝혔다.
또 지금까지 리튬이온전지에 사용되어온 탄소(흑연)의 이론용량에 비해 더 높은 용량을 보였고 충전·방전 실험에서도 용량퇴화가 없는 높은 안정성을 갖는다는 사실을 실험을 통해 확인했다.
연구팀은 연료전지의 환원극에 적용하였을 때도 값비싼 백금 촉매에 버금가는 성능을 보였다며 우수한 대체 소재가 될 것으로 기대했다.
백금은 고유의 화학적·전기적 우수성 때문에 환원극 촉매로 각광받아왔으나 비싼 가격과 한정된 매장량이 상용화의 걸림돌이 되어왔다.
성영은 IBS 나노입자 연구단 그룹리더는 "도핑 그래핀 합성기술은 황, 질소 외에 불소, 붕소, 인 등 다양한 헤테로원자에 적용할 수 있으며 연료전지, 리튬 2차 전지, 센서, 반도체 등의 넓은 분야에 신소재로 활용될 가능성을 갖고 있다"며 "앞으로 다양한 형태의 탄소소재 제조 및 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 미래부 미래부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 세계적인 과학저널 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 7월 10일자에 온라인 게재됐다.
bbrex@fnnews.com 김혜민 기자
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