Press release

2020. 11. 17 (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

“구멍 숭숭, 전기 씽씽”... 그래핀 메조다공성 탄소 나왔다!

UNIST·KIST 공동연구팀, 그래핀 튜브가 규칙적으로 이어진 메조다공성 구조 구현
에너지 변환·저장 장치 적용 가능한 탄소 나노물질... 앙게반테 케미 논문 게재

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.
[연구그림] 메조다공성 흑연질 탄소 골격 구조

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 참조) 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.
[연구그림] 메조다공성 흑연질 탄소 골격 제조 방법(이중주형법)

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.

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.

논문명: Ordered Mesoporous Carbons with Graphitic Tubular Frameworks via Dual Templating for Efficient Electrocatalysis and Energy Storage
자료문의

대외협력팀: 김학찬 팀장, 양윤정 담당 (052) 217 1228

화학과: 주상훈 교수 (052) 217 2522
  • [연구그림] 메조다공성 흑연질 탄소 골격 제조 방법(이중주형법)
  • [연구그림] 메조다공성 흑연질 탄소 골격 구조
  • [연구그림] 메모다공성 흑연질 탄소 골격의 성능
 

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

탄소 나노튜브(원통형 탄소 구조체), 그래핀(평면형 탄소 구조체), 풀러렌(구형 탄소 구조체), 메조다공성 탄소 등 새로운 형태의 입체 탄소 구조체는 전례 없는 물리화학적 특성으로 인해 다양한 화학, 물리, 나노재료 및 공학 등의 연구분야에 혁신적인 발전을 가져왔다. 그 중 메조다공성 탄소는 그 골격이 일정한 기공을 가지면서 규칙적으로 배열 된 탄소 나노물질이며, 촉매 혹은 지지체, 기체 흡착제, 에너지 변환 및 저장장치, 환경 복원 등의 다양한 분야에서 관심을 받아왔다. 메조다공성 탄소는 크게 ‘하드 템플레이팅’(주형) 혹은 ‘소프트 템플레이팅’으로 합성되며, 각각 메조다공성 실리카 자체를 주형으로 하거나 자가조립 된 미셀(특정 분자 또는 이온들이 자발적으로 모인 입자 클러스터)주형으로 하여 합성된다. 이 메조다공성 탄소는 넓은 표면적과 기공 부피를 가지며 서로 연결된 메조 기공을 지니고 있기 때문에 많은 응용분야에서 상용 탄소 대비 우수한 특성을 보인다.

많은 새로운 메조다공성 탄소의 합성에 대한 연구들이 진행되었으나, 대부분의 메조다공성 탄소들은 로드형태 혹은 튜브형태의 무정형(amorphous, 원자 배치 규칙적이 없는 물질) 탄소로, 이들의 낮은 전기전도도로 인해 전기촉매, 에너지 등 높은 전기전도도를 필요로 하는 분야에 사용하기 어렵다. 반면, 상대적으로 전기전도도가 높은 흑연질(graphitic) 메조다공성 탄소를 합성하기 위하여 방향족의 전구체를 사용하여 합성하거나 탄소를 초고온에서 후처리하는 등의 연구가 진행되었으나, 이들의 표면적은 무정형 탄소 대비 크게 낮은 실정이다. 따라서, 전기전도도가 높음과 동시에 표면적이 넓은 메조다공성 탄소를 합성하는 것이 매우 도전적인 과제이며, 에너지 변환 및 저장장치의 응용에 있어 선결과제이다.

2. 연구내용  

본 연구에서는 메조다공성 실리카와 몰리브데늄 카바이드를 각각 외부주형과 내부주형으로 사용하는 이중 주형법을 이용해, 메조다공성 튜브형 흑연질 탄소(OMGC)를 최초로 개발했다. 이중 주형법을 이용하면 OMGC의 기공 사이즈 및 기공 모양을 쉽게 조절할 수 있으며, 합성 된 OMGC는 기존에 보고 된 메조다공성 탄소 대비 높은 전기전도도를 보임과 동시에, 넓은 표면적과 큰 기공부피를 보였다.

또한, OMGC를 담지체로 사용하여 제조한 루테늄 나노입자 촉매의 경우, 염기성 전해질 수소발생반응 및 음이온 교환막 물 전기분해 장치에서 다른 메조다공성 탄소 혹은 상용 탄소에 담지 된 루테늄 촉매 대비 매우 높은 촉매 활성을 보였다. 뿐만 아니라, 개발 된 OMGC는 에너지 저장용 리튬이온 커패시터에서도 기존 메조다공성 탄소 대비 높은 성능을 보였다.

3. 기대효과  

이 연구에서는 이중 주형법을 통한 새로운 메조다공성 튜브형 흑연질 탄소의 합성 및 응용을 제시하였다. 메조다공성 튜브형 흑연질 탄소는 메조다공성 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브의 장점을 모두 결합한 우수한 물질이며, 높은 전기전도도를 가짐과 동시에 표면적과 기공부피 또한 크다. 또한, 이를 담지체로 사용하여 제조한 루테늄 나노입자 촉매의 경우 음이온 교환막 물 전기분해 장치에서 높은 성능을 보였다. 이는 기존의 메조다공성 흑연질 탄소의 낮은 표면적을 크게 개선한 것이며, 물 전기분해 장치 혹은 연료전지에서 담체의 높은 전기전도도가 필수적임을 시사한다. 따라서, 본 메조다공성 튜브형 흑연질 탄소는 전기촉매의 담체 혹은 에너지 저장 물질로의 응용이 크게 기대되며, 또한 CO2 흡착제 및 수질개선 용도로 사용될 것으로 보인다. 나아가 해당 합성법은 3차원 메조다공성 그래핀의 합성과 물성 분석에도 적용될 수 있어 차후 폭넓은 기초 및 응용 연구를 가속화할 것으로 예상된다.
 

[붙임] 그림설명
 

그림1. 그래핀 골격 메조다공성 탄소의 투과전자현미경 사진
 

그림2. 그래핀 골격 메조다공성 탄소(메조다공형 튜브형 흑연질 탄소) 제조법(이중 주형법) 모식도
 

그림3. (좌)탄소 나노물질 전기전도도(Conductivity) 비교 그래프. 메조다공성 그래핀 골격 탄소(붉은색 막대 그래프)의 전기전도도가 가장 높다. (우) 음이온 교환막 물 전기분해 장치에서 루테늄 나노촉매의 성능 비교 그래프. 루테늄 금속 입자 지지체로 메조다공성 그래핀 골격 탄소를 쓴 경우(붉은색 막대 그래프) 성능이 가장 우수하다.
 
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