나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

나노구조의 금 박막으로 고효율 연료전지 촉매 개발 - 나노구조화된 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 연료전지의 수소산화반응 효율을 높이고 반응기작을 규명, 국제저널 표지논문으로 선정 - 공정단순화 및 고효율 촉매재료 개발로 저비용 고효율 연료전지 개발 더욱 앞당겨 금은 매우 안정된 성질을 가지고 있지만, 크기가 작아져 나노미터 (nm)가 되면 여러 화학반응에 대해 매우 높은 활성을 띄어 다른 촉매보다 반응이 커지는 놀라운 성질을 나타낸다. 국내 연구진이 금 나노입자와 비슷한 촉매활성을 보이면서도 지지체나 전극에 고정시키는 추가 공정이 필요없는 나노구조의 금 박막을 개발했다. 이 재료는 기존 백금촉매와는 다르게 일산화탄소 흡착에 의한 성능저하 문제가 발생하지 않아, 저비용 고효율 연료전지 개발을 앞당길 수 있을 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 물질구조제어연구센터의 김상훈 박사와 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 그룹리더 박정영 교수 연구진(KAIST EEWS 대학원 교수)이 “연료전지 기본반응인 수소 산화 반응을 위해 나노구조화한 금 박막에 금속산화물 입자를 입혀 촉매 반응효율을 향상시키는 원리를 규명하였다”고 밝혔다. 금 나노입자는 활성이 높아 촉매에 사용되면 촉매 효율을 높일 수 있다고 알려져있다. 일반적인 촉매를 사용하는 경우 일산화탄소의 산화반응은 최소한 100oC를 넘어야 일어나는데 비해, 1~3 nm 정도의 금 입자는 같은 반응을 영하온도에서도 가능하게 할 정도로 활성이 높다. 그러나 이러한 금 나노촉매를 촉매나 전극으로 사용하기 위해서는 전기가 흐르는 몸체에 금 나노를 고정해야한다. 또한 금 입자를 고정을 시키더라도 반응 중에 입자들이 유실되기 쉬워, 안정성과 재현성이 낮아 사용하기 어려웠다. 연구팀은 100 nm 정도 두께의 얇은 막으로 나노구조화 된 금 박막을 개발했다. 나노 금 박막은 박막의 한쪽 끝을 장치에 연결시키면 바로 전극으로 사용할 수 있기 때문에 전극이나 촉매가 필요한 장치에 바로 쓸 수 있다. 또한, 기존 연료전지의 백금촉매에는 일산화탄소의 흡착이 매우 강해 흡착한 일산화탄소가 표면을 덮어버려 촉매성능이 급격히 낮아지는 일산화탄소 피독 문제가 있었다. 금은 이러한 문제를 가지고 있지 않아 연료전지용 수소산화반응 촉매로서의 장점이 있는데, 금 박막 자체의 촉매 성능이 그리 높지 않은 것이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 금속산화물인 이산화티타늄 입자를 금 박막에 뿌렸다. 그 결과 이산화티타늄입자가 금 박막과 만나는 경계면에서 촉매활성이 최대 5배 높아졌다. 복잡한 나노 금 박막 구조의 촉매 활성이 나타나는 원리를 규명하기 위해, 연구팀은 나노구조화된 금 박막에 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 분산시켜 이산화티타늄이 금 박막과 접하는 경계면을 활성점으로 사용한다는 가설을 세웠다. 이 촉매 재료를 수소산화반응에 적용시켰을 때, 반응에 대한 촉매효율이 이산화티타늄을 분산하지 않았을 때 보다 최고 5배정도 높아지는 것을 발견하였다. 한편, 반응효율은 이산화티타늄이 너무 많이 분산되면 오히려 낮아졌는데, 이는 분산된 이산화티타늄이 금 박막 표면을 과다하게 덮어버려 활성점으로 작용하는 이산화티타늄와 금 경계면이 오히려 줄어들었기 때문이다. 이를 통해 연구팀은 이산화티타늄과 금 경계면이 수소산화반응에 대한 활성점으로 작용한다는 것을 밝혔다. KIST 김상훈 박사와 IBS의 박정영 교수는 “현재 촉매로 쓰이는 백금의 가격이 연료전지 가격에 미치는 영향이 매우 크다”며 “본 연구로 백금 촉매를 대체할 수 있는 물질로 금의 가능성을 발견했고, 복잡한 구조의 금 박막재료가 수소산화 반응에 어떻게 촉매로 작용하는지 원리를 밝혀 고효율의 연료전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 기관고유과제와 IBS 내부과제의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 Chemical Communications 지에 5월11일자 온라인판에 표지논문(inside back cover)으로 게재되었다. * (논문명) Tailoring Metal-oxide Interfaces of Inverse Catalysts of TiO2/Nanoporous Au under Hydrogen Oxidation - (제1저자) (한국과학기술원) Kamran Qadir 박사과정생 - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 김상훈 박사, 기초과학연구단 박정영 교수 <그림자료> Inside 표지그림: 나노구조화된 금박막에 TiO2 입자(분홍색)가 분산되어 있고, 그 표면에서 수소분자(파란색)가 산소분자(빨간색)와 반응해 물분자 (왼쪽 상단)로 산화되는 과정을 그린 개념도 <그림 1>다공도에 따른 나노구조화된 금박막 이미지들 <그림2> 금박막표면에 분산된 TiO2 입자들에 대한 투과전자현미경 사진 <그림3> (왼쪽) 일단 TiO2가 분산되면 분산하지 않았을 때 보다(검은색) 효율이 모두 높았고, 분산된 TTIP (TiO2의 전구체)의 양에 따라 달라지는 수소산화반응의 활성도가 달라졌는데, 중간값인 TTIP 0.5 % 일 때가 가장 효율이 높았다. (오른쪽）각각의 경우 대해 계산된 반응활성에너지. TTIP 0.5 % 일 때가 가장 낮다.

성게를 닮은 ‘뾰족뾰족 그래핀 공’, 슈퍼 전지를 만들다 - 산화철 입자를 성게 모양으로 식각하여 표면적, 전기전도도, 압축-내성 모두 잡은 성게모양 그래핀 공 제작 - 생산성과 공정성 확보로 고밀도？고출력 슈퍼커패시터 상용화를 앞당길 혁신적 소재 친환경 전기자동차나 신재생 에너지저장 시스템을 위한 중대형 전지, 인간 친화적인 웨어러블 전자기기를 위해서는 고용량이면서도 신속한 충·방전이 가능한 압축형 전지인 슈퍼커패시터(supercapacitor)의 개발이 필수적이다. 이런 이유로 슈퍼커패시터는 현재의 이온전지의 한계를 극복할 수 있는 미래형 전지로 각광받고 있지만 에너지 밀도가 낮아 오랜 시간 동안 전기를 저장하고 사용하는 것이 어려웠다. 국내 연구진이 ‘성게처럼 뾰족한 표면을 가진 구겨진 공’ 모양의 그래핀 분말을 대량으로 저렴하게 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 기존 탄소 소재보다 전지 저장용량을 3~4배 향상시킬 수 있어 슈퍼커패시터 개발을 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터의 손정곤 박사와 이상수 박사팀은, “고밀도 에너지 저장을 위한 산화철 식각 공정을 통한 성게 모양 3차원 그래핀 공 입자를 제작”했다고 밝혔다. 그래핀 소재는 전기전도도가 우수하고 기계적 내구성이 높은데다 표면적이 매우 높아 슈퍼커패시터 전극의 이상적인 소재로 알려져 왔다. 하지만 전지 제조 공정 과정에서 판상 형태의 그래핀은 판과 판사이의 강한 인력에 의하여 흑연과 같은 다층구조로 쌓이거나 빈틈없이 뭉치게 되고, 이 때문에 이온들이 다가갈 수 있는 면적이 줄어들어 전지 성능이 떨어진다. 많은 연구진들은 적층 문제를 해결하기 위해 그래핀의 간극을 넓혀 다양한 3차원 형상의 그래핀 구조로 전지를 구현했지만, 빈 공간이 많아져 부피당 그래핀의 양이 줄어들어 전기용량이 낮아지고 에너지 손실이 생겼다. 일반적으로 다결정의 산화철 입자는 강한 산을 써서 표면을 녹여내면 성게처럼 뾰족한 모양으로 식각이 된다. 연구팀은 산화철 입자의 이러한 식각현상에 주목하여 산화 그래핀 용액을 산화철 입자에 코팅한 후 산화철의 식각 공정과 산화 그래핀의 환원 공정을 동시에 진행했다. 이런 절차를 거치면 뾰족하게 녹아나가는 산화철의 모양에 맞추어 치밀하게 구겨진 성게 모양의 공 구조 그래핀이 만들어진다. 특히, 이 방법은 저렴한 산화철 입자를 녹여내는 간단한 용액 공정으로 진행되기 때문에 저가로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 이렇게 제조된 그래핀 공은 비표면적과 전기전도도가 높아 전극으로 제작했을 때 무게당 전기의 저장용량이 400 F/g(Farad, 전기 용량의 국제단위)에 달했다. 이는 그래핀의 이론적인 전기저장용량에 가까운 수준이다. 또한, 이 구겨진 형상은 식각에 의해 형성된 재료 본래의 구조로 만들어졌기 때문에 구조 자체의 외부의 강한 압력에도 그 형상과 물성이 유지될 수 있어, 특성의 변화없이 빈 공간을 확연하게 줄여 부피당 저장용량 또한 330 F/cm3 까지 획기적으로 증가되는 현상을 보였다. 이러한 저장용량은 기존의 그래핀 기반 전자 소자의 부피당 저장용량이 100 F/cm3 이하임을 감안할 때 3~4배 이상의 성능향상을 보인 것이라 할 수 있다. 개발한 그래핀 공은 다른 접착제나 첨가제 없이도 다양한 전극 기판에서 압착 등의 방법을 통해 제작이 가능할 뿐만 아니라, 용매에 잘 분산되어 기존 전지 제작 공정에 바로 적용이 가능하고, 우수한 비표면적, 전기전도도 및 압축-내성으로 공정처리 이후에도 성능이 감소되지 않아 우수한 성능의 전극을 구현할 수 있었다. KIST 손정곤, 이상수 박사는 “개발한 성게모양의 그래핀 공은 대량？저가 생산이 가능하고 성능이 뛰어나 차세대 고성능-고압축 전지 개발을 위한 획기적인 솔루션이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램에서 지원되었다. 연구 결과는 신소재 분야 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ 5월 7일자 온라인에 게재되었다. *(논문명) "Sea-Urchin-Inspired 3D Crumpled Graphene Balls Using Simultaneous Etching and Reduction Process for High-Density Capacitive Energy Storage" - (제1저자) 한국과학기술연구원 이장열 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 박사 <그림자료> <그림 1> 성게형 입자로 본뜬 구겨진 그래핀 공의 합성 과정 및 원리 모식도. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자. (b) 환원과 함께 적층이 일어나는 산화 그래핀. (c) 식각-환원이 동시에 진행되어 적층 없이 자연스럽게 구겨지는 그래핀. <그림 2> 그래핀이 코팅된 산화철 입자의 형상 변화를 보여주는 전자주사현미경 이미지. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자(좌)와 실제 성게 모습(우, 출처: ocean.nationalgeographic.com). (b) 식각-환원 처리 시간에 따른 형상 변화(좌)와 최종적으로 제조된 구겨진 그래핀 공.

성게를 닮은 ‘뾰족뾰족 그래핀 공’, 슈퍼 전지를 만들다 - 산화철 입자를 성게 모양으로 식각하여 표면적, 전기전도도, 압축-내성 모두 잡은 성게모양 그래핀 공 제작 - 생산성과 공정성 확보로 고밀도？고출력 슈퍼커패시터 상용화를 앞당길 혁신적 소재 친환경 전기자동차나 신재생 에너지저장 시스템을 위한 중대형 전지, 인간 친화적인 웨어러블 전자기기를 위해서는 고용량이면서도 신속한 충·방전이 가능한 압축형 전지인 슈퍼커패시터(supercapacitor)의 개발이 필수적이다. 이런 이유로 슈퍼커패시터는 현재의 이온전지의 한계를 극복할 수 있는 미래형 전지로 각광받고 있지만 에너지 밀도가 낮아 오랜 시간 동안 전기를 저장하고 사용하는 것이 어려웠다. 국내 연구진이 ‘성게처럼 뾰족한 표면을 가진 구겨진 공’ 모양의 그래핀 분말을 대량으로 저렴하게 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 기존 탄소 소재보다 전지 저장용량을 3~4배 향상시킬 수 있어 슈퍼커패시터 개발을 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터의 손정곤 박사와 이상수 박사팀은, “고밀도 에너지 저장을 위한 산화철 식각 공정을 통한 성게 모양 3차원 그래핀 공 입자를 제작”했다고 밝혔다. 그래핀 소재는 전기전도도가 우수하고 기계적 내구성이 높은데다 표면적이 매우 높아 슈퍼커패시터 전극의 이상적인 소재로 알려져 왔다. 하지만 전지 제조 공정 과정에서 판상 형태의 그래핀은 판과 판사이의 강한 인력에 의하여 흑연과 같은 다층구조로 쌓이거나 빈틈없이 뭉치게 되고, 이 때문에 이온들이 다가갈 수 있는 면적이 줄어들어 전지 성능이 떨어진다. 많은 연구진들은 적층 문제를 해결하기 위해 그래핀의 간극을 넓혀 다양한 3차원 형상의 그래핀 구조로 전지를 구현했지만, 빈 공간이 많아져 부피당 그래핀의 양이 줄어들어 전기용량이 낮아지고 에너지 손실이 생겼다. 일반적으로 다결정의 산화철 입자는 강한 산을 써서 표면을 녹여내면 성게처럼 뾰족한 모양으로 식각이 된다. 연구팀은 산화철 입자의 이러한 식각현상에 주목하여 산화 그래핀 용액을 산화철 입자에 코팅한 후 산화철의 식각 공정과 산화 그래핀의 환원 공정을 동시에 진행했다. 이런 절차를 거치면 뾰족하게 녹아나가는 산화철의 모양에 맞추어 치밀하게 구겨진 성게 모양의 공 구조 그래핀이 만들어진다. 특히, 이 방법은 저렴한 산화철 입자를 녹여내는 간단한 용액 공정으로 진행되기 때문에 저가로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 이렇게 제조된 그래핀 공은 비표면적과 전기전도도가 높아 전극으로 제작했을 때 무게당 전기의 저장용량이 400 F/g(Farad, 전기 용량의 국제단위)에 달했다. 이는 그래핀의 이론적인 전기저장용량에 가까운 수준이다. 또한, 이 구겨진 형상은 식각에 의해 형성된 재료 본래의 구조로 만들어졌기 때문에 구조 자체의 외부의 강한 압력에도 그 형상과 물성이 유지될 수 있어, 특성의 변화없이 빈 공간을 확연하게 줄여 부피당 저장용량 또한 330 F/cm3 까지 획기적으로 증가되는 현상을 보였다. 이러한 저장용량은 기존의 그래핀 기반 전자 소자의 부피당 저장용량이 100 F/cm3 이하임을 감안할 때 3~4배 이상의 성능향상을 보인 것이라 할 수 있다. 개발한 그래핀 공은 다른 접착제나 첨가제 없이도 다양한 전극 기판에서 압착 등의 방법을 통해 제작이 가능할 뿐만 아니라, 용매에 잘 분산되어 기존 전지 제작 공정에 바로 적용이 가능하고, 우수한 비표면적, 전기전도도 및 압축-내성으로 공정처리 이후에도 성능이 감소되지 않아 우수한 성능의 전극을 구현할 수 있었다. KIST 손정곤, 이상수 박사는 “개발한 성게모양의 그래핀 공은 대량？저가 생산이 가능하고 성능이 뛰어나 차세대 고성능-고압축 전지 개발을 위한 획기적인 솔루션이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램에서 지원되었다. 연구 결과는 신소재 분야 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ 5월 7일자 온라인에 게재되었다. *(논문명) "Sea-Urchin-Inspired 3D Crumpled Graphene Balls Using Simultaneous Etching and Reduction Process for High-Density Capacitive Energy Storage" - (제1저자) 한국과학기술연구원 이장열 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 박사 <그림자료> <그림 1> 성게형 입자로 본뜬 구겨진 그래핀 공의 합성 과정 및 원리 모식도. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자. (b) 환원과 함께 적층이 일어나는 산화 그래핀. (c) 식각-환원이 동시에 진행되어 적층 없이 자연스럽게 구겨지는 그래핀. <그림 2> 그래핀이 코팅된 산화철 입자의 형상 변화를 보여주는 전자주사현미경 이미지. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자(좌)와 실제 성게 모습(우, 출처: ocean.nationalgeographic.com). (b) 식각-환원 처리 시간에 따른 형상 변화(좌)와 최종적으로 제조된 구겨진 그래핀 공.

성게를 닮은 ‘뾰족뾰족 그래핀 공’, 슈퍼 전지를 만들다 - 산화철 입자를 성게 모양으로 식각하여 표면적, 전기전도도, 압축-내성 모두 잡은 성게모양 그래핀 공 제작 - 생산성과 공정성 확보로 고밀도？고출력 슈퍼커패시터 상용화를 앞당길 혁신적 소재 친환경 전기자동차나 신재생 에너지저장 시스템을 위한 중대형 전지, 인간 친화적인 웨어러블 전자기기를 위해서는 고용량이면서도 신속한 충·방전이 가능한 압축형 전지인 슈퍼커패시터(supercapacitor)의 개발이 필수적이다. 이런 이유로 슈퍼커패시터는 현재의 이온전지의 한계를 극복할 수 있는 미래형 전지로 각광받고 있지만 에너지 밀도가 낮아 오랜 시간 동안 전기를 저장하고 사용하는 것이 어려웠다. 국내 연구진이 ‘성게처럼 뾰족한 표면을 가진 구겨진 공’ 모양의 그래핀 분말을 대량으로 저렴하게 합성할 수 있는 방법을 개발했다. 기존 탄소 소재보다 전지 저장용량을 3~4배 향상시킬 수 있어 슈퍼커패시터 개발을 앞당길 전망이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터의 손정곤 박사와 이상수 박사팀은, “고밀도 에너지 저장을 위한 산화철 식각 공정을 통한 성게 모양 3차원 그래핀 공 입자를 제작”했다고 밝혔다. 그래핀 소재는 전기전도도가 우수하고 기계적 내구성이 높은데다 표면적이 매우 높아 슈퍼커패시터 전극의 이상적인 소재로 알려져 왔다. 하지만 전지 제조 공정 과정에서 판상 형태의 그래핀은 판과 판사이의 강한 인력에 의하여 흑연과 같은 다층구조로 쌓이거나 빈틈없이 뭉치게 되고, 이 때문에 이온들이 다가갈 수 있는 면적이 줄어들어 전지 성능이 떨어진다. 많은 연구진들은 적층 문제를 해결하기 위해 그래핀의 간극을 넓혀 다양한 3차원 형상의 그래핀 구조로 전지를 구현했지만, 빈 공간이 많아져 부피당 그래핀의 양이 줄어들어 전기용량이 낮아지고 에너지 손실이 생겼다. 일반적으로 다결정의 산화철 입자는 강한 산을 써서 표면을 녹여내면 성게처럼 뾰족한 모양으로 식각이 된다. 연구팀은 산화철 입자의 이러한 식각현상에 주목하여 산화 그래핀 용액을 산화철 입자에 코팅한 후 산화철의 식각 공정과 산화 그래핀의 환원 공정을 동시에 진행했다. 이런 절차를 거치면 뾰족하게 녹아나가는 산화철의 모양에 맞추어 치밀하게 구겨진 성게 모양의 공 구조 그래핀이 만들어진다. 특히, 이 방법은 저렴한 산화철 입자를 녹여내는 간단한 용액 공정으로 진행되기 때문에 저가로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 이렇게 제조된 그래핀 공은 비표면적과 전기전도도가 높아 전극으로 제작했을 때 무게당 전기의 저장용량이 400 F/g(Farad, 전기 용량의 국제단위)에 달했다. 이는 그래핀의 이론적인 전기저장용량에 가까운 수준이다. 또한, 이 구겨진 형상은 식각에 의해 형성된 재료 본래의 구조로 만들어졌기 때문에 구조 자체의 외부의 강한 압력에도 그 형상과 물성이 유지될 수 있어, 특성의 변화없이 빈 공간을 확연하게 줄여 부피당 저장용량 또한 330 F/cm3 까지 획기적으로 증가되는 현상을 보였다. 이러한 저장용량은 기존의 그래핀 기반 전자 소자의 부피당 저장용량이 100 F/cm3 이하임을 감안할 때 3~4배 이상의 성능향상을 보인 것이라 할 수 있다. 개발한 그래핀 공은 다른 접착제나 첨가제 없이도 다양한 전극 기판에서 압착 등의 방법을 통해 제작이 가능할 뿐만 아니라, 용매에 잘 분산되어 기존 전지 제작 공정에 바로 적용이 가능하고, 우수한 비표면적, 전기전도도 및 압축-내성으로 공정처리 이후에도 성능이 감소되지 않아 우수한 성능의 전극을 구현할 수 있었다. KIST 손정곤, 이상수 박사는 “개발한 성게모양의 그래핀 공은 대량？저가 생산이 가능하고 성능이 뛰어나 차세대 고성능-고압축 전지 개발을 위한 획기적인 솔루션이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램에서 지원되었다. 연구 결과는 신소재 분야 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ 5월 7일자 온라인에 게재되었다. *(논문명) "Sea-Urchin-Inspired 3D Crumpled Graphene Balls Using Simultaneous Etching and Reduction Process for High-Density Capacitive Energy Storage" - (제1저자) 한국과학기술연구원 이장열 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 박사 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 박사 <그림자료> <그림 1> 성게형 입자로 본뜬 구겨진 그래핀 공의 합성 과정 및 원리 모식도. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자. (b) 환원과 함께 적층이 일어나는 산화 그래핀. (c) 식각-환원이 동시에 진행되어 적층 없이 자연스럽게 구겨지는 그래핀. <그림 2> 그래핀이 코팅된 산화철 입자의 형상 변화를 보여주는 전자주사현미경 이미지. (a) 성게 모양으로 식각되는 산화철 입자(좌)와 실제 성게 모습(우, 출처: ocean.nationalgeographic.com). (b) 식각-환원 처리 시간에 따른 형상 변화(좌)와 최종적으로 제조된 구겨진 그래핀 공.