UNIST(총장 조무제) 박민주(22) 학생(나노생명화학공학부 4)과 김병수 지도교수가 질소가 고정된 그래핀을 합성해 연료전지에 쓸 수 있는 무금속(Metal-Free) 전기화학 촉매를 개발했다.
박민주 학생(제1저자)은 이번 연구성과를 영국왕립화학회(RSC, Royal Society of Chemistry)가 발행하는 저명한 나노분야 저널인 ‘Nanoscale(나노스케일)’ 온라인 판에 22일(화) 게재했다. ‘나노스케일’은 “11월에는 지면에도 게재할 예정”이라고 29일 밝혔다.
연료전지와 금속-공기 전지는 고효율, 친환경적인 발전방법에 힘입어 차세대 동력원으로 주목받고 있다. 그런데 전지의 에너지 전환 효율을 결정짓는 중요한 반응 요소인 산소환원반응(Oxygen reduction reaction)을 향상시키기 위해 기존에는 주로 백금 기반의 전기화학 촉매가 사용했다. 하지만 백금 촉매는 내구성이 부족하고 가격이 비싼 단점이 있다.
연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 산화 흑연의 표면에 기능기*들을 이용해 5가지 종류의 아민(Amine)**을 반응시켰다. 이후 열처리를 가하는 간단하고 친환경적인 개발 공정을 통해 질소가 고정된 무금속 전기화학 촉매를 개발했다.
* 기능기 : 공동의 화학적 특성을 지니는 한 무리의 유기 화합물에서, 그 특성의 원인이 되는 공통된 원자단
** 아민(Amine) : 암모니아의 수소 원자를 탄화수소기로 치환하여 얻는 화합물을 통틀어 이르는 말
박민주 학생은 “새로 개발한 공정법은 황과 붕소와 같은 이종원소들도 그래핀에 고정이 가능하다”며 “간단한 공정을 통해 다양한 이종 원소가 고정된 저비용의 무금속 전기화학 촉매를 생산할 수 있다”고 말했다.
연구팀은 그래핀에 질소를 고정시킴으로써 그래핀의 구조적 특성을 개선하고 전기적 특성인 전도성과 산소 결합 능력을 향상해 산소환원반응을 향상시켰다. 그 결과 백금 촉매 보다 우수한 효율성과 안정성을 가진 전기화학 촉매를 개발했다.
지도교수인 김병수 교수는 “학부생이 연구를 직접 계획하고 1여년동안 꾸준히 진행해 이룬 대단한 성과”라며 “지도교수로서 우수한 학생을 양성해 보람이 크고 향후 대학원 생활이 더 기대가 된다”라고 말했다.
