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오지훈 교수, 이산화탄소 90%이상 분해 가능한 광전극 구조 개발
우리 대학 EEWS 대학원 오지훈 교수 연구팀이 빛을 이용해 이산화탄소를 분해하기 위한 금 나노 다공성 박막과 실리콘(Silicon) 기반의 새로운 광전극 구조를 개발했다.
광전기화학적 이산화탄소 변환은 태양광 에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 연료로 바꿔주는 기술로 많은 주목을 받고 있다. 연구팀이 개발한 기술은 이를 위한 반도체 광전극 구조의 기본 틀을 제공할 것으로 기대된다.
송준태 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 화학, 에너지 및 소재 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 8일자 내면 표지 논문에 게재됐다.
안정적인 이산화탄소를 환원시키기 위해서는 낮은 과전압을 지닌 우수한 촉매가 필요하다. 그 중 금(Au)은 이산화탄소를 일산화탄소로 환원시키는 전기 촉매로 알려져 있다.
그러나 금은 과전압이 비교적 높고 일산화탄소 생산성이 낮아 수소가 많이 발생하는 문제점이 있다. 또한 가격이 비싸기 때문에 사용량도 조절을 해야 한다.
연구팀은 문제 해결을 위해 나노 다공성 구조를 갖는 금 박막을 제작하는 데 성공했다. 금을 박막형태로 기판 재료에 증착해 이를 양극산화 처리한 뒤 연속적인 환원 처리를 통해 제작했다.
높은 전류 효율을 보였다. 이전의 나노구조 촉매는 0.1mm의 두꺼운 호일을 이용해 제작됐다면 연구팀의 박막은 약 5만 배 정도 얇은 200나노미터 수준으로서 금 기반 촉매의 제작비용을 최소화했다.
나아가 연구팀은 직접 제작한 나노다공성 금 박막을 촉매로 활용하기 위해 새로운 실리콘(Si) 광전극 구조를 개발했다. 기존 방법인 나노 입자 형태로 반도체 표면에 촉매를 형성하면 전기화학적 처리 과정에서 기판 자체에 영향을 주게 된다.
따라서 연구팀은 금 박막을 표면 전체에 연결될 수 있는 메쉬 패턴 구조로 제작해 광전극에 영향을 주지 않고도 독립적으로 표면의 전극 접합을 통해 전기화학처리를 가능하게 했다.
제작된 광전극은 실리콘에서 생성된 광전압과 금 박막층의 높은 촉매 특성이 작용돼 기존의 일산화탄소 변환을 위해 필요한 에너지보다 더 낮은 양으로도 변환이 가능하다.
오 교수는 “다양한 반도체 및 촉매 재료도 쉽게 적용 가능한 플랫폼 역할을 할 수 있을 것이다”며 “다른 연구자들이 우리 연구팀의 구조를 적용해 이산화탄소 광전환의 광변환 효율을 향상시킬 수 있을 것이다”고 말했다.
1저자인 송준태 박사는 “발상의 전환을 통해 매우 간단하지만 중요한 새로운 타입의 광전극 구조를 개발했고, 이를 통해 효율적인 이산화탄소 환원이 가능해졌다”며 “생성물의 평형 전위보다 더욱 낮은 전위조건에서 이산화탄소 환원을 하는 결과를 낸 것은 처음이다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST EEWS 대학원 정성윤 교수가 공동으로 참여했고 한국이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 게재된 논문 이미지
그림2. 실리콘 광전극 모식도 및 전자현미경 사진
그림3. 제작된 광전극의 광전기화학적 이산화탄소 특성
2017.02.24 조회수 19070 -
김일두 교수, 새집증후군 유발하는 톨루엔 초정밀 감지센서 개발
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 새집증후군, 새차증후군의 대표적 유해 가스인 톨루엔을 극미량의 농도에서도 검출할 수 있는 초고감도 감지소재 센서를 개발했다.
이번 연구 결과는 화학분야 권위 학술지 미국화학회지(JACS : Journal of the American Chemical Society) 10월자 온라인 판에 게재됐다.
톨루엔은 대표적 유독성, 휘발성 유기화합물로 중추신경계와 호흡기관에 이상을 유발한다. 두통을 유발하고 장기간 노출될 경우에는 사망에 이를 수도 있다.
실내 공기질 관련 톨루엔 농도의 정부 권고기준은 약 244ppb(10억분의 1 단위) 이하로 기준 수치를 넘어가면 새집증후군, 새차증후군 등을 유발시킨다.
하지만 공기 중의 톨루엔을 정밀 분석하기 위해서는 고가의 설비를 활용해야 하는 어려움이 있다. 현재까지 개발된 반도체식(저항 변화식) 휴대용 톨루엔 센서들은 톨루엔의 유무만 구분 가능할 뿐 십 억분의 1에서 백만분의 1(ppm) 사이의 극미량의 톨루엔은 검출할 수 없다는 한계가 있다.
연구팀은 기존 센서의 한계를 극복하기 위해 다공성 물질인 금속유기구조체(metal-organic framework)의 내부에 3나노미터 크기의 촉매 입자를 담지하고, 이를 나노섬유 소재에 붙여 최고 수준의 톨루엔 감지 특성을 갖는 센서를 개발했다.
연구팀은 금속유기구조체를 팔라듐 촉매와 결합시켜 복합 촉매로 활용했다. 이 복합 촉매는 다공성 금속산화물 나노섬유에 결착된 구조로 나노섬유 표면에서 형성되는 비균일 접합(heterojunction) 구조와 나노 촉매의 시너지 효과로 인해 초고감도의 톨루엔 감지특성을 보였다.
연구팀이 개발한 센서는 100ppb 수준의 극미량의 톨루엔 가스 노출에도 일반 공기 중의 상태에 비해 4배 이상의 탁월한 감도 변화를 보였다.
금속유기구조체 기반의 이종 촉매가 결합된 나노섬유 감지소재는 실내외 공기 질 측정기, 환경 유해가스 검출기, 호흡기반 질병진단 센서 등 다양한 분야에서 활용 가능하다.
또한 나노입자 촉매 및 금속유기구조체의 종류만 바꿔주면 톨루엔 외의 다른 특정 가스에 선택적으로 반응하는 고성능 소재를 대량으로 합성할 수 있다. 향후 다양한 센서 소재 라이브러리 구축이 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “다종 감지 소재를 활용해 수많은 유해가스를 보다 정확히 감지할 수 있는 초고성능 감지소재로 적용 가능하다”며 “대기 환경 속의 유해 기체들을 손쉽게 검출해 각종 질환의 예방이 가능하고 지속적인 건강 관리에 큰 도움을 줄 것이다”고 말했다.
신소재공학과 구원태 박사 과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국과 미국에 특허 출원됐다. 이번 연구는 미래창조과학부 X-프로젝트와 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 나노섬유 감지소재가 코팅된 개별 가스센서 및 가스센서가 장착된 스마트 시계
그림2. 저널 JACS에 게재된 논문 대표 이미지
그림3. 나노섬유사진
그림4. 1 ppm의 극미량 톨루엔 가스에 대한 우수한 선택성 및 반응성을 보여주는 표
2016.10.10 조회수 11820 -
전기자동차용 차세대 전지의 성능 극대화
〈 김 일 두 교수〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 연구팀이 리튬-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
리튬-공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬-이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있으며, 이번에 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 리튬-공기전지의 상용화에 한 발짝 다가갈 것으로 기대된다.
연구팀은 촉매활성이 뛰어난 두 소재인 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했고, 이를 리튬-공기전지에 적용하는데 성공했다.
이번 연구는 나노재료 분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: One-Dimensional RuO2/Mn2O3 Hollow Architectures as Efficient Bifunctional Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries)
리튬-공기전지는 리튬-이온전지에 비해 용량이 10배 이상 높고 대기 중의 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차를 위한 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다.
그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율 및 수명특성이 저하돼 상용화에 어려움을 겪었다. 따라서 탄소재 양극 내의 리튬산화물의 형성 및 분해를 안정적으로 도와주는 촉매 개발이 필수적으로 요구됐다.
리튬-공기전지용 촉매는 가벼우면서 내구성이 우수하고 촉매의 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다. 현재 상용화 수준으로 대량생산이 가능하고 우수한 촉매 활성을 갖는 소재는 아직 개발되지 않았었다.
연구팀은 위의 문제 해결을 위해 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했다. 이는 누에가 실을 뽑듯이 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체를 기반으로 한 고분자 복합 섬유를 합성해내는 기술이다.
이후 이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어지고, 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매가 완성된다.
연구팀이 개발한 이중 튜브는 직경 220 나노미터의 외부튜브와 80 나노미터의 내부튜브로 이뤄져 안쪽 및 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여 가능하고, 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점을 갖는다.
연구팀은 초기 충전, 방전 시의 과전압 차이가 약 0.8V 이내로 감소하는 효과를 얻었다. 기존 탄소재 사용시 과전압은 약 2.0V 이상이다. 또한 용량제한 1000 mAh/g 하에서 100사이클 이상의 안정적인 리튬-공기전지 특성을 확인했다.
위의 기술 향상이 가능한 이유는 리튬산화물의 생성반응(산소환원 반응)을 도와주는 망간산화물 촉매와 분해반응(산소발생 반응)을 돕는 루테늄산화물 촉매가 내, 외부 튜브에서 나노단위로 균일하게 존재하기 때문이다.
김 교수 연구팀의 핵심 기술인 전기방사 기술은 고분자, 금속 전구체가 포함된 용액을 전기적 인력으로 연신시켜 수십에서 수백 나노 직경의 나노섬유를 얻을 수 있는 기술이다.
이 기술은 쉽게 기능성 나노섬유를 대량생산할 수 있어 수처리용 필터, 황사 마스크, 마스크팩 소재, 바이오 필터 등에 활발히 사용되고 있다.
연구팀은 “휘발점이 다른 두 용매의 온도 상승 속도를 조절하는 간단한 공정을 통해 리튬-공기전지의 충전 및 방전에 이상적인 촉매구조 디자인에 성공했다”고 밝혔다.
김 교수는 “생산 공정이 매우 손쉽고 대량생산이 가능한 기술이다”며 “촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것이다”고 말했다.
신소재공학과 김상욱 교수와 공동 연구로 진행된 이번 연구는 윤기로 박사과정이 제1저자로 참여했고, ‘한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(Korea CCS R&D Center)’ 및 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 미세구조 사진
그림2. 나노튜브 촉매가 사용된 리튬-공기전지의 구성
그림3. 리튬-공기전지의 구동 원리
그림4. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 형성원리
2016.02.16 조회수 16063 -
이산화탄소 포집 효율을 획기적으로 향상시킨 물질 개발
- 질소대비 CO2 선택성 300배 증가, 네이처 커뮤니케이션즈 게재 -
우리 학교 WS 대학원의 자페르 야부즈 교수, 알리 조스쿤 교수, 정유성 교수 공동연구팀이 질소대비 이산화탄소 선택성을 300배 높인 세계 최고 수준의 CO2흡수제를 개발했다.
최근 전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 현실적 대안으로 이산화탄소를 포집하여 저장․처리하는 CCS*기술의 중요성이 부각되고 있다.
* CCS : Carbon Capture and sequestration
현재 이산화탄소를 포집하는 기술로는 액상흡수제를 이용한 습식포집기술, 고체 흡수제를 이용한 건식포집기술, 필름과 같은 얇은 막을 이용하는 분리막 포집기술이 있다.
발전소, 제철소와 같이 이산화탄소 대량 배출원에 적용하게 되는 동 기술은 고온과 다량의 수분이 존재하는 극한조건하에서도 포집효율이 낮아지지 않는 것이 연구개발의 핵심과제이다.
기존에 연구되었던 건식흡수제인 MOF(Metal Organic Framework)나 제올라이트의 경우는 수분 조건에서 불안정하거나 합성이 비싸다는 단점이 존재하였다.
연구팀이 이번에 개발한 흡수제는 건식흡수제로서 ‘아조-코프(Azo-COP)’라고 명명하였는데 값비싼 촉매 없이도 합성이 가능하여 제조비용이 매우 저렴하며, 고온 및 수분 조건에서도 안정한 특성을 나타내었다.
코프(COP)는 간단한 유기분자들을 다공성 고분자형태로 결합시킨 구조체로 동 연구팀이 처음으로 개발한 건식 이산화탄소포집물질이다.
연구팀은 이물질에 ‘아조(Azo)’라는 기능기를 추가로 도입함으로써 질소를 배제하고 혼합기체 중에서 이산화탄소만을 선택적으로 포집하도록 하였다.
‘아조(Azo)"기를 포함하는 아조-코프(Azo-COP)는 일반적 합성방법을 통해 쉽게 제조하였으며, 값비싼 촉매대신 물과 아세톤 등의 용매를 사용해 불순물도 쉽게 제거함으로써 제조비용을 대폭 낮출 수 있었다.
특히, 아조-코프(Azo-COP)는 이산화탄소와 화학적 결합이 아닌 약한 인력을 통해 결합함으로써 흡착제 재생 에너지 비용을 혁신적으로 낮출 수 있으며,
350℃ 정도의 극한 조건에서도 안정해 이산화탄소 포집제로서 활용은 물론 더욱 가혹한 환경의 다양한 분야에서 포집 물질로 활용될 것으로 기대된다.
해당성과는 교과부 산하 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(센터장 박상도) 및 KAIST EEWS 기획단의 지원으로 이루어졌다.
자페르 야부즈 교수와 알리 조스쿤 교수는“Azo-COP를 CO2, N2 분리 실험에 적용한 결과 포집 효율이 수백배 향상됐다”며 “이 물질은 촉매가 필요 없고, 수분 안정성, 구조 다양성 등 우수한 화학적 특성으로 인해 앞으로 이산화탄소 포집을 비롯한 많은 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 1월 15일자로 게재됐다.
2013.02.01 조회수 17464