^*탄소가스: 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)

^*산화구리철(CuFeO2): 주로 이산화탄소를 바이오 디젤 등으로 변환 할 때 사용하는 촉매

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

그래핀1)은 미래 산업에 널리 사용될 대표적인 2차원 물질2)로 각광 받고 있다. 그래핀을 생산하는 많은 방법 중 휴머스 방법3)은 대량의 산화 그래핀4)을 만들 수 있는 반면, 고품질의 그래핀으로 되돌리기 위해 화학적 방법, 열처리와 같은 후처리가 반드시 필요하다. 또한, 후처리 이후에도 처음의 성질로 되돌리는 기술은 아직 연구해야할 과제로 남아있다.

산화 그래핀을 산소가 제거된 환원된 산화 그래핀5)으로 변환하는 과정에서 가장 중요한 것은 산소만을 제거하고 산소에 의해 흐트러진 구조를 완벽하게 복원하는 것이다. 일반적으로, 산소 제거는 화학적·열적 처리를 통해 이뤄지지만, 그 과정에서 산소는 탄소와 결합하여 일산화 또는 이산화탄소 가스로 배출된다. 이러한 탄소가스의 형성 및 휘발은 그래핀에 구멍을 만들기 때문에 본연의 우수한 특성을 가질 수 없다. 더욱이, 산화과정에서 무너진 구조를 복원하기 위해 2000℃(도씨) 이상의 열처리 방식이 필요하다.

이런 문제는 대량으로 생산된 산화 그래핀을 고품질의 환원된 산화 그래핀으로 바꾸는데 해결해야 할 핵심적인 문제이며, 산업화에 있어도 큰 걸림돌로 작용한다.

2. 연구내용   

이번 연구에서는 이산화탄소를 탄화수소로 변환하는 기술에 사용하는 촉매, 압력, 온도를 융합하였다. 기존의 산화 그래핀 환원법이 가지는 문제점에서 해결하고, 피셔 트롭치 반응을 이용하여, 친환경적이면서 원래 그래핀의 특성과 비슷한 고품질 그래핀을 산화 그래핀으로부터 생산하는 것을 목표로 삼았다.

연구팀은 산화 그래핀과 촉매 복합체에 적절한 압력과 온도를 추가함으로써, 피셔 트롭스치 반응(Fischer-Tropsch reaction)6)을 유도하고, 고품질의 환원된 산화 그래핀을 확보했다. ‘피셔 트롭치 반응을 적용한 촉매 그래핀 옥사이드 환원법’을 새롭게 제시한 것이다.

대부분의 환원법은 화학물질과 고온의 온도를 이용한다. 하지만 이번 연구에서 개발한 시스템에서는 압력을 통한 폐쇄적인 환경과 300℃(도씨) 수준의 온도를 이용, 피셔 트롭치 반응을 유도하였다. 이를 통해 탄소가스 배출 없이 산화 그래핀 표면의 산소만 선택적으로 제거할 수 있었다.

제안한 시스템에서 생성된 이산화탄소는 기존 방식에서 생성되는 양인 43.84%에서 0.48%까지 감소했다. 또한, 생산된 환원된 산화 그래핀은 기존 방식의 환원된 산화 그래핀보다 246배, 고품질 그래핀을 합성하는 기술인 CVD 공법으로 만들어진 것보다는 8배 향상된 전기전도도를 확보했다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 ‘피셔 트롭치 반응을 이용한 촉매환원법’으로 고품질의 환원된 산화 그래핀 생산 기술을 확보한 것이다. 또 환원 과정 발생하는 이산화탄소 가스 발생량을 0.48%까지 줄이는데 성공했다.

고품질의 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 기술인만큼, 에너지 생산 및 저장, 투명한 디스플레이 산업의 상업화를 앞당길 하나의 기술이 될 수 있으며, 산화 그래핀 이외에서도 다양한 고분자의 흑연화 등 다양하게 적용 가능할 것으로 기대된다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1. 그래핀 (Graphene)

탄소 원자로만 이루어진 2차원 평면의 구조체이다. 각 탄소는 육각형을 이루고 있으며, 얇고, 투명하며, 단단하며, 금속보다 높은 전기적 특성을 가지고 있다. 

2. 2차원 물질(2-Dimensional materials)

한 겹의 원자층으로 배열된 물질이다. 그래핀 이후 많은 2차원 물질이 발견되고 있다. 얇고, 잘 휘면서도, 투명하고, 단단한 특성이 있어 많은 분야에 적용하기 위한 연구가 이어지고 있다.

3. 휴머스 방법 (Hummer’s method)

산화 그래핀을 생산하는 대표적인 방법이다. 흑연을 고농도의 H2SO4 용액에 담구어 교반 시킨 뒤, KMnO4를 투입하여 흑연의 산화반응을 이끌어낸다. 이어서, 원심분리기를 이용하여 증류수와 에탄올로 수차례 세척 후 얻어지는 분말이 산화 그래핀이다.

4. 산화 그래핀(Graphene oxide)

흑연에 황산과 같은 강산을 넣고 반응시키면 그래핀이 산화되면서 산소로 치환되고, 산화 그래핀이 된다. 표면에 친수성 작용기 (-OH, -COOH)를 지니고 있어 물에 잘 녹는다.

5. 환원된 산화 그래핀 (reduced graphene oxide)

산화 과정에서 생성된 친수성 작용기로 인해 잃어버린 그래핀 본연의 특성을 복원한 그래핀. 산화 그래핀의 산소가 제거된 형태다.

6. 피셔 트롭스치 환원(Fischer-Tropsch reaction)

일산화, 이산화탄소와 수소의 혼합물을 액체 탄화수소로 전환시키는 화학 반응이다. 일반적으로 150 – 300℃(도씨)의 온도와 1에서 수십 기압(bar), 금속 촉매 조건에서 발생한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 촉매를 이용한 산화 그래핀 환원법 모식도

(우측) 기존의 산화 그래핀 환원법으로 그래핀을 합성하면, 표면의 산소와 탄소가 결합하여 일산화 또는 이산화탄소 가스가 만들어지고 결과적으로 그래핀에 구멍을 결함이 많아진다. (좌측) 반면, 촉매를 이용한 환원법은 촉매와 산화 그래핀 표면 사이에서 존재하는 산소를 산소 가스 또는 물로 변환해 제거한다. 산소와 분리된 탄소는 6각형 구조 안에 잘 유지되며, 안정한 구조로 되돌아가 결함이 없는 그래핀으로 환원된다.