^*씨투엔(C₂N): 백종범 교수팀에서 세계 최초로 개발해 2015년 Nature Communications에 보고한 2차원 유기 구조체로 탄소와 질소가 2:1 비율로 일정하게 배열된 그물 구조를 이룬다.

^**첨부 동영상 참고: 전자현미경으로 2차원 유기구조(바깥 테두리)가 철 이온을 감싼 모습을 촬영했다.

[붙임] 논문 정보

1. 나노 에너지(Nano Energy) 논문

• 논 문 명: Fe@C2N: A highly-efficient indirect-contact oxygen reduction catalyst
• 저자정보: 자비드 마흐무드(Javeed Mahmood) UNIST 박사, 펭 리(Feng Li) UNIST 박사, 김창민 UNIST 박사과정 연구원, 최현정 UNIST 박사, 권오훈 UNIST 박사과정 연구원, 정선민 UNIST 박사, 서정민 UNIST 박사, 조성준 전남대 교수, 주용완 원광대 교수, 정후영 UNIST 교수, 김건태 UNIST 교수(교신저자), 백종범 UNIST 교수(교신저자)

2. 미국화학회지(JACS) 논문

• 논 문 명: Defect-Free Encapsulation of Fe0 in 2D Fused Organic Networks as a Durable Oxygen Reduction Electrocatalyst
• 저자정보: 김석진 UNIST 박사과정 연구원, 자비드 마흐무드(Mahmood J) UNIST 박사, 김창민 UNIST 박사과정 연구원, 가오 펭 한(Gao-Feng Han) UNIST 박사, 김성욱 UNIST 박사과정 연구원, 정선민 UNIST 박사, 구오민 주(Guomin Zhu) 워싱턴대 박사과정 연구원, 제임스 디 요레오(James De Yoreo) 워싱턴대 교수, 김건태 UNIST 교수, 백종범 UNIST 교수(교신저자)

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

화석에너지를 대체하기 위한 청정에너지 개발에 전 세계가 적극 나서고 있다. 특히 수소와 산소를 이용하는 연료전지는 유해물질을 배출하지 않기 때문에 상용화 추진이 활발하다. 연료전지에서는 수소를 산화시키는 것도 중요하지만 산소를 환원시키는 부분이 에너지 관점에서 많은 비중을 차지한다. 이 때문에 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)과 관련한 문제들이 중심적으로 연구되고 있다.

현재까지 최고의 ORR 촉매로 알려진 금속은 백금이다. 낮은 과전압과 빠른 전자 이동으로 효율적인 산소 환원 능력을 보여주기 때문이다. 그러나 백금은 많은 산업에서 요구하는 귀금속이며 내구성 문제로 인해 실질적으로 상용화하기에 치명적인 단점을 가지고 있다. 이 때문에 백금을 대체하기 위한 ORR 촉매 연구는 에너지 분야에서 매우 중요하게 다뤄지고 있다.

최근에는 철(Fe)-질소(N)-탄소(C) 기반의 전기화학 촉매가 백금 기반의 촉매와 비슷한 성능을 보여주며 많은 연구자들의 이목을 끌고 있다. 철 기반의 촉매는 백금에 비하면 저가 금속이라 상업화에 유리한 장점을 가진다. 하지만 안정성에 대한 연구가 미흡해 상용화 부분은 지체되고 있다.

2. 연구내용

본 연구성과는 앞서 기술된 철 기반 촉매의 안정성 문제를 2차원 유기 구조체와 결합시켜 해결하는 방법을 제시한다.

나노 에너지(Nano Energy)에서는 2차원 망상 유기고분자가 철 이온을 완벽하게 감싸 안정한 철 촉매를 만들 수 있음을 증명했다. 그 결과물은 우수한 산소환원반응과 안정성을 가진다는 내용을 설명한다. 아연-공기, 리튬-공기 전지 시험을 통해 상업용으로 사용되고 있는 백금을 대체할 수 있는 성능을 보여주고 철이 2차원 망상 유기고분자에 감싸지는 과정도 원자분해능 전자현미경으로 면밀하게 관찰했다.

이 논문에서 철 촉매를 감싸는 데 사용한 물질은 2015년 개발한 ‘C₂N’이다. 이 물질은 그래핀처럼 한 겹의 막으로 이뤄져 있는데 규칙적으로 구멍이 뚫려 있고, 각 구멍마다 질소 원자가 규칙적으로 배치돼 있다. 질소 원자 위에 철 이온을 고정시킨 뒤, 열처리하면 철 입자를 중간에 둔 채 C₂N이 누에고치처럼 감싸게 된다. 나노 크기의 철 입자를 중심으로 2차원 망상 유기고분자가 탄화돼 몇 겹의 완벽한 그래핀 층을 형성한 물질이 만들어지는 것이다.(그림1과 영상자료 참고) 이 물질은 백금을 대체할 만한 수준의 성능을 보였을 뿐 아니라 시간이 지나도 닳거나 녹아버리지 않아 반영구적으로 사용할 수 있다.

후속 발표된 미국화학회지(JACS) 표지논문에는 2차원 망상 유기고분자들이 구조적으로 어떠한 기여를 하는지에 대한 비교실험을 진행했다. 비교대상은 저분자를 이용해 만든 철 촉매다(기존방법). 이를 통해 2차원 망상 유기고분자가 안정적이며 고성능을 보이는 철 촉매 제조의 열쇠임을 입증했다. 철 촉매의 발전에 힘입어 보고된 수많은 철 촉매들은 왜 이런 안정성을 나타내지 못했는지를 설명하기 위해 화학적으로 유사한 저분자를 이용해 철 촉매를 만든 뒤, 결함과 안정성의 상관관계를 논리적으로 풀어냈다.

연구팀은 기존에 많이 보고된 철 촉매 제조방식인, 단순히 저분자들과 철 이온을 교반시켜 얻은 철촉매(Fe@TAB)를 합성했다. 이 물질과 비교하자 2차원 망상 유기고분자가 결정적인 역할을 한다는 게 증명됐다. ‘저분자 기반 철 촉매(Fe@TAB)’와 ‘2차원 망상 유기고분자로 감싼 철 촉매(Fe@Aza-PON)’는 구조부터 다르다. 저분자 기반 철 촉매는 철 표면이 완벽하게 감싸져 있지 않아 결함이 존재한다. 반면 2차원 망상 유기고분자를 이용해 만든 철 촉매는 철의 양이 많고, 철을 완벽하게 감싸고 있어 안정성이 월등히 우수하다.(그림 3)

두 논문의 성과는 촉매 제조법과 메커니즘(비접촉 촉매 작용)에 대해 새로운 패러다임을 제시하며 2차원 망상 유기고분자를 이용한 촉매제조의 무한한 가능성을 제시했다. 특히 그래핀처럼 순수 탄소로만 이루어진 2차원 구조체가 할 수 없던 일을 질소가 많이 포함된 2차원 망상 유기고분자인 C₂N과 Aza-PON을 이용해 해냈다는 점에서도 상당한 의미가 있다.

3. 기대효과

두 연구 결과는 2차원 망상 유기고분자가 손쉽게 철 이온을 감싸 안정한 산소환원용 촉매가 만들어짐을 연속적으로 입증했다. 이는 ‘현대 연금술’이라 불릴 정도의 획기적인 연구결과다. 이는 우선 연료전지와 금속-공기전지처럼 산소환원반응을 필요로 하는 차세대 에너지 소재 분야에 큰 기여를 할 것으로 보인다. 두 기술의 상업화에 가장 큰 걸림돌인 귀금속 촉매의 가격과 안정성 두 가지 모두를 한번에 해결할 수 있기 때문이다. 또한 비접촉 촉매 작용을 처음으로 제안함으로써 미래 촉매 산업에서 안정성 개선에 새로운 해결법을 제시했다.

이 방법을 이용하면 철뿐만 아니라 다른 금속을 도입해 다양한 촉매 반응에서 우수한 성능을 나타낼 것으로 기대된다. 더 나아가 금속 원자들과 2차원 망상 유기고분자 간에 상호작용을 심도 있게 연구한다면, 산소환원 촉매를 넘어 다양한 반응의 촉매에도 적용할 수 있을 것이다. 이를 토대로 다양한 촉매구조를 설계할 수 있으며, 보고되지 않은 새로운 물리화학적 현상들을 발견할 수 있을 것으로 보인다.

또 기존 산소환원반응의 촉매 원리의 새로운 관점, 즉 간접 접촉 촉매 작용을 제시해 학술적으로도 큰 의의를 가진다. 세계적으로 많은 연구자들이 앞 다투어 연구하는 분야에서 새로운 과학적 현상을 발표함으로써 우리나라의 우수한 연구역량을 알리는 데도 기여했다.

[붙임] 용어설명

1. 나노 에너지 (Nano Energy)

에너지 재료 분야에서 세계적 권위를 인정받는 과학전문지이다.(2016 IF=12.343)

2. 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)

1879년부터 미국화학회가 창간한 과학저널이다. 화학의 전 분야에 관한 순수연구를 출판하며 세계적으로 화학 분야에 권위있는 저널로 평가 받는다.(2016 IF=13.858)

3. 촉매

화학반응에 참여하여 반응속도를 변화시키지만 그 자신은 원래대로 남아있는 물질을 말한다. 역할에 따라 정촉매, 부촉매로 나뉘지만 일반적으로 활성화 에너지를 낮춰 반응이 잘 이뤄지도록 돕는 정촉매를 일컫는다. 본문에서는 전기 에너지를 이용해 산소를 환원하는 반응에서 과전압을 낮춰주는 물질로 정의된다.

4. 연료전지

외부에서 수소와 산소를 계속 공급해 전기 에너지를 생산하는 장치다. (-)극에 수소가 공급되고, (+)극에 산소가 공급돼 전해질에서 만나 각각 산화와 환원 반응이 발생해 물이 생성된다.

5. 금속-공기 전지

아연, 알루미늄, 리튬 등의 금속들을 공기 중 산소와 결합시켜 전기 에너지를 발생시키는 차세대 이차전지다. 일반적으로 기존 이차전지보다 에너지 밀도가 매우 높아 기술개발에 박차를 가하고 있다.

6. C₂N

UNIST 백종범 교수 연구팀에서 세계 최초로 개발해 2015년 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 보고된 2차원 망상 유기 고분자로 탄소와 질소가 2:1 비율로 일정하게 배열된 물질을 말한다.

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

2차원 유기 구조체를 활용하여 기존 Fe-N-C 복합체들과 비교해 새로운 합성 방법과 안정성에 기여한다는 발견은 에너지 소재 분야에서 획기적인 패러다임을 제시한다.

2. 어디에 쓸 수 있나

본 연구의 결과물은 산소환원반응이 필요한 에너지 분야에 전기화학 촉매로써 반영구적으로 이용할 수 있다.

3. 실용화까지 필요한 시간은

5-10년

4. 실용화를 위한 과제는

본 연구성과는 철을 감싼 것만 발표했고, 근본적인 원리를 찾기 위해 깊이 있게 연구한다면 최적의 합성 조건을 찾아 시장 가치에 맞는 촉매를 생산할 것으로 판단된다. 따라서 촉매-소재-산학 연구팀들의 활발한 교류를 통해 실용화를 촉진할 수 있을 것이다.

5. 연구를 시작한 계기는

본 연구팀은 2015년 네이처 자매지에 유기 반도체 소자로써 그래핀을 뛰어넘는 2차원 유기구조체(C2N)를 발표했다. 이를 기반으로 응용분야를 탐색하다가 촉매 분야에 독특한 기여를 할 것이라 생각해 시작하게 되었다.

6. 에피소드가 있다면

2차원 유기구조체가 어떻게 해서 철을 감싸는지, 어떤 구조로 형성하고 있는지 밝히기 위해 오랜 시간이 소요됐다. 그 과정에서 많은 연구자들이 노력했고, 새로운 과학적 현상들을 발견할 수 있었다.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

2010년 노벨상을 받은 그래핀의 한계를 일찌감치 인지하게 됐고, 그 한계를 극복하기 위해 새로운 2차원과 3차원 유기물 구조체를 합성하고 있다. 이 연구를 계속해 학계는 물론 산업계에서도 가장 주목 받는 연구집단으로 성장하고 싶다.

8. 신진연구자를 위한 한마디

열정과 자신감을 가지고 꾸준히 즐겁게 연구하면 좋은 성과를 얻을 수 있을 것이다.

[붙임] 그림 설명