그래핀의 단점을 극복해 연료전지를 영구히 사용할 수 있는 길이 열렸다.
UNIST(총장 조무제) 백종범 교수(에너지 및 화학공학부) 연구팀은 그래핀에 ‘안티몬(Antimony)’이라는 준금속을 도입해 전기화학적 촉매 특성을 극대화했다.
안티몬이 도입된 그래핀을 투과전자현미경으로 분석한 결과, 안티몬이 그래핀 가장자리에만 선택적으로 붙어 있음을 확인했다. 또 전기화학적 활성이 우수하고, 10만 번을 사용해도 처음과 동일한 촉매 활성을 유지해 높은 안정성을 보였다. 연료전지의 촉매에 이를 적용할 경우 영구적으로 사용 가능하다.
안티몬은 금속과 비금속의 중간 성질을 가진 화학 물질로 그래핀에 도입된 것은 이번이 세계 최초다. 그래핀을 연료전지의 촉매로 적용할 경우 기존 백금 촉매의 활성을 능가할 수 없으나 안티몬이 도입된 그래핀의 경우 활성과 안정성 모두 값비싼 백금 촉매를 능가했다.
백종범 교수는 “준금속인 안티몬을 그래핀에 도입해 기존연구에서 발견하지 못했던 새로운 특성을 가진 그래핀의 제조가 가능해졌다”며 “그래핀이 다양한 분야로 상용화될 계기를 마련한 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 자연과학분야의 세계적 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 22(금)일 게재됐다.
그래핀은 뛰어난 물리, 전기, 화학적 성질을 지녀 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 하지만 그래핀은 탄소로만 이루어져 촉매로 사용 시 전기화학적 활성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 이종원소(질소, 산소, 등)를 도입해야 하는데 이종원소의 도입 자체가 어려울 뿐만 아니라 도입하더라도 그래핀의 결정성이 손상돼 전기적 특성이 저하된다.
백 교수 연구팀은 쇠구슬을 이용해 흑연을 얇게 깨뜨리는 기계화학적공정(볼밀링)으로 준금속인 안티몬을 그래핀 가장자리에 도입해 그래핀의 결정성(전기적 특성)을 그대로 유지했다. 쉽고, 친환경적인 공정으로 이종원소를 그래핀 가장자리에 도입한 것이다.
백 교수는 “이 기술이 포함된 그래핀 대량 생산기술이 지역 중견업체인 덕양(주)에 이전되어 양산 준비 중이다”며 “지역 산업 발전은 물론 국가 산업을 위한 원천소재공급에도 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)의 ‘중견 및 리더연구자 지원사업’의 지원을 받았으며, UNIST의 김건태 교수(공동저자), 정후영 교수(공동교신저자), 박노정 교수(공동교신저자), 전인엽 박사(제1저자)가 공동으로 참여했다.
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