전기전도도가 우수한 그래핀으로 만들어진 새로운 ‘메조(meso)다공성’ 탄소가 개발됐다. 그래핀 메조다공성 탄소는 차세대 에너지 생산 및 저장 장치의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
UNIST(총장 이용훈) 화학과 주상훈 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 김진영 박사팀과의 공동연구를 통해 그래핀 튜브(탄소 나노튜브)가 규칙적 연결된 ‘그래핀 골격 메조다공성 탄소(Ordered Mesoporous Graphitic Tubular Carbon, OMGC)’를 합성하는 데 성공했다. (그림 2참조) 구멍이 많고 전기전도도가 높아 연료전지 촉매, 촉매 지지체, 에너지 저장장치 등으로 다양하게 쓰일 수 있다.
메조다공성 탄소는 기공 크기가 일정하고 균일하게 배열된 탄소 나노물질이다. 반응 표면적이 넓어 촉매로서 유리하다. 그러나 전기전도도가 낮다는 단점 때문에 쓰임새의 제한이 있었다. 물로 수소를 만드는 ‘물 전기 분해 시스템’이나, 수소로 전기를 만드는 연료전지 촉매로 쓰이려면 물질의 전기전도도가 높아야 한다.
그림1. 메조다공성 흑연질 탄소 골격 구조
주 교수 연구팀은 ‘메조다공성 실리카’와 ‘몰리브데늄 카바이드’를 틀(주형)로 사용하는 ‘이중 주형법’을 고안했다. 제1저자인 백두산 화학공학과 박사과정 연구원은 “‘몰리브데늄 카바이드’를 메조다공성 구조로 만들게 되면 겉에 그래핀 층(few-layer graphene)이 여러 겹 생긴다”며 “이 상태에서 ‘몰리브데늄 카바이드’만 제거하면 그래핀 튜브로 이뤄진 메조다공성 탄소를 얻을 수 있다”고 설명했다.
그림2. 메조다공성 흑연질 탄소 골격 제조 방법(이중주형법)
이 물질과 루테늄을 함께 쓴 촉매는 상용 촉매 (루테늄, 백금)보다 높은 성능을 보였다. 실제 상용화된 수소생산 장치에서도 우수한 성능을 보였다. 이 실험을 진행한 한국과학기술연구원 김진영 박사는 “차세대 수소생산 장치로 각광받고 있는 알칼리 고체막 물분해 장치의 성능 향상에 큰 전기를 마련한 연구”라고 전했다.
한편 이 소재는 에너지 저장장치로도 쓰일 가능성이 보였다. 에너지 저장장치 중 하나인 리튬이온 커패시터(Lithium-ion capacitor)에서 그래핀 메조다공성 탄소는 기존 메조다공성 탄소 대비 우수한 에너지 저장 성능을 보였다.
주상훈 교수는 “새롭게 개발한 소재는 메조다공성 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브의 장점을 결합한 물질”이라며 “에너지 변환장치용 촉매 또는 촉매 지지체, 에너지 저장장치, CO2 흡착제, 오염물질 흡착제 등에 다양하게 응용될 것”이라고 기대했다.
UNIST 화학과 주상훈 교수팀, 에너지화학공학과 강석주 교수팀, KIST 김진영 박사팀이 참여한 이번 연구는 화학 분야 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 11월 12일자로 온라인 출판됐다.
연구 수행은 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 한국연구재단(이사장 노정혜)이 추진하는 ‘기후변화대응기초원천기술개발사업’, ‘미래소재디스커버리사업’, ‘수소에너지혁신기술개발사업’ 및 한국과학기술연구원 주요사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
