국내 연구진이 반응성이 낮은 질소가스를 직접 그래핀*에 고정한 그래핀 대량생산공정을 개발했다. 그래핀의 원료가 되는 흑연 역시 반응성이 낮아 이들 두 물질을 직접 결합시킨 예는 없었다. 질소가 고정된 그래핀은 효율과 안정성 측면에서 기존 고가의 귀금속 백금촉매를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
* 그래핀 : 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질로, 높은 전기전도성과 전하 이동도를 갖고 있어 응용가능성이 높아 꿈의 신소재로 불림
울산과기대(UNIST) 친환경에너지공학부 백종범, 박노정 교수 및 캐이스웨스턴리저브 대학교 리밍 다이(Liming Dai) 교수가 주도하고 전인엽, 최현정, 고려대학교 주명종 연구원 등이 주저자로 참여한 이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의 연구중심대학(WCU)육성사업 등의 지원으로 수행되었고, 이번 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)지 7월 23일자 온라인판에 게재됐다.
(논문명: Direct nitrogen fixation at the edges of graphene nanoplatelets as efficient electrocatalysts for energy conversion)
세제나 비료 등에 다양하게 응용되는 질소는 공기의 주성분으로 쉽게 얻을 수 있지만 안정성이 높아 반응성이 낮은 것이 응용의 한계였다.
값싼 흑연과 공기 중 질소를 이용하여 원하는 기능을 갖춘 그래핀을 대량으로 생산하기 위해서는 질소의 낮은 반응성을 극복하는 것이 관건이었다.
기존 증기증착이나 산화흑연을 이용하는 방법으로 질소나 붕소 등을 그래핀에 고정하려는 시도가 있었지만 고정이 어렵고 유독물질이나 비싼 중금속을 사용하는 등 한계가 있었다.
연구팀은 10기압의 질소가스가 채워진 밀폐용기에서 흑연을 분쇄할 때 만들어지는 활성탄소가 질소와 직접 반응하도록 해 질소가 고정된 그래핀을 생산할 수 있는 간단한 공정을 개발했다.
질소가 고정된 그래핀은 탄소로만 이뤄진 그래핀보다 촉매역할을 더 효과적으로 수행할 수 있어 연료전지* 및 염료감응 태양전지** 등에 활용가치가 높다.
개발된 공정은 유독물질을 사용하지 않아 친환경적이며 그래핀 구조가 손상될 우려가 적다는 설명이다.
크기가 큰 흑연을 분쇄하면 탄소간 결합이 끊어지면서 가장자리에 생성된 활성탄소가 주변의 질소와 반응하면서 자발적으로 5각형과 6각형의 고리를 만들면서 질소가 고정된다.
* 연료전지 : 연소반응이 아닌 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 효율이 높고 유해물질 배출이 거의 없어 차세대 동력원으로 꼽힘
** 염료감응 태양전지 : 박막태양전지의 일종으로 식물이 엽록소를 통해 광합성 하듯이 염료가 태양빛을 받아 전기를 생산하는 전지
생산된 그래핀을 연료전지에 적용한 결과 촉매활성과 전기화학적 안정성 모두 백금촉매보다 뛰어난 것으로 나타났다.
연료전지에 100회 사용 시 백금촉매 성능이 4.5% 감소한데 반해 질소가 고정된 그래핀 촉매의 경우 성능 감소가 0.4%에 그쳤다.
염료감응 태양전지에 적용한 경우에도 백금을 사용한 경우보다 에너지변환효율이 높고 사용수명도 길어졌다.
탄소를 기반으로 하는 염료감응 태양전지는 일반적으로 에너지변환 효율이 낮지만 질소가 고정된 그래핀을 이용하는 경우 백금 기반의 염료감응 태양전지의 효율을 뛰어넘을 수 있다는 설명이다.
백 교수는 “수소연료전지 자동차 한대에 필요한 백금 촉매 70~90g을 이번에 개발한 질소가 고정된 그래핀 촉매로 대체할 경우 가공비를 포함해 대당 천만원 이상의 제조비용을 절감할 것으로 예상된다”고 밝혔다.
