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원자 틈 이용해 이산화탄소의 연료 변환 성공
신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 성균관대, UNIST, 부산대, 미국 버클리대학, 칼텍과의 공동 연구를 통해 구리 입자 내 원자의 틈을 제어하는 기술을 적용해 온실가스인 이산화탄소를 에틸렌 등의 고부가 연료로 변환할 수 있는 전기화학촉매 소재기술을 개발했다.
이는 이산화탄소로부터 에틸렌 생성비율을 최고 80%까지 높이는 기술로, 연구팀은 기존 나노입자기반 촉매의 한계를 뛰어넘기 위해 원자수준의 촉매제어 기술을 도입했다. 이번 연구결과는 기존 촉매소재 설계에서 제시되지 않은 ‘원자 틈’을 처음으로 촉매설계의 주요인자로 적용해 산업적 가치가 높은 에틸렌의 생산성을 획기적으로 높였다. 동시에 천연가스에서 손쉽게 얻을 수 있는 메탄의 생성을 실험적으로 완전히 억제했으며, 양자역학 계산 기술을 이용해 원자 틈의 촉매반응 활성 원리를 이론적으로 규명했다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)’ 3월 10일자에 표지논문으로 게재 됐다. (논문명: Atomic-Scale Spacing between Copper Facets for the Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide)
전기화학적 촉매반응을 활용한 이산화탄소 변환 기술은 지구 온난화를 일으키는 이산화탄소를 저감하는 대표 기술 중의 하나로, 효율적인 이산화탄소 전환 촉매기술의 개발을 통해 대기 중의 이산화탄소 농도를 줄이면서 산업에 유용한 연료나 화합물을 생산하는 기술이다. 이산화탄소 전환을 위해 다양한 전이금속 기반의 전기화학 촉매가 개발되고 있으나, 에틸렌과 같은 탄화수소 계열의 연료를 생산할 수 있는 원소는 구리가 유일하다.
하지만 일반적으로 구리 촉매는 반응 속도 및 생성물의 선택성이 높지 않아 이산화탄소 저감의 실효성과 생성물의 경제성이 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 구리촉매의 특성을 개선하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
연구팀은 산화된 구리의 환원반응을 전기화학적으로 미세하게 제어해 구리 결정면 사이에 1나노미터 미만의 좁은 틈을 생성했다. 이 원자 틈에서 이산화탄소 환원반응 중간생성물의 촉매표면 흡착에너지를 최적화해 촉매반응의 활성을 극대화했다. 동시에 탄소-탄소 결합을 유도해 에틸렌과 같은 고부가 화합물이 효율적으로 생산되는 것을 규명했다. 연구에서 제안한 신규 활성인자인 원자 틈 원리는 다양한 전기화학 촉매 연구 분야로 확장할 수 있다는 의의를 갖는다.
강정구 교수는 “구리 기반 촉매소재에 간단한 공정 처리기술을 도입해 온실가스인 이산화탄소를 전환함으로써 고부가 화합물인 에틸렌을 효율적으로 생산하는 소재기술이다”라며, “기후변화 및 온실가스 문제 대응을 위한 핵심 대안기술이 될 수 있을 것으로 전망한다”라고 말했다.
이번 연구는 강정구 교수, 성균관대학교 정형모 교수, UNIST 권영국 교수, 부산대 김광호 교수, 그리고 미국 버클리, 칼텍 연구팀과 공동연구를 통해서 이뤄졌으며, 과학기술정보통신부의 글로벌프론티어사업, 신진연구자지원사업 및 차세대탄소자원화사업단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.03.16
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김지한 교수, 컴퓨터 설계 기반 다공성 복합재료 합성
〈 김지한 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수와 UNIST 화학과 문회리 교수 공동연구팀이 컴퓨터 설계를 기반으로 한 이론적 디자인을 통해 새로운 다공성 복합재료를 합성하는 데 성공했다.
이러한 복합물질은 각각의 특성을 동시에 가지면서 융합된 새로운 성질을 나타낼 수 있어 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
권오민 박사과정과 UNIST 김진영 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 8월 9일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Computer-aided discovery of connected metal-organic frameworks)
이번 연구에 사용한 금속 유기 구조체(Metal-Organic Framework, MOF)는 다양한 금속 이온 집합체와 유기 리간드로 구성된 화합물의 일종으로 나노 수준의 기공을 갖는 결정성 물질이다.
금속 유기 구조체는 각 구성요소의 다양성 덕분에 지난 20년간 8만여 개 이상의 구조들이 실험으로 합성됐다. 금속 유기 구조체는 표면적이 매우 넓고 기공의 물리-화학적 특성을 세밀하게 조절할 수 있어 기존의 제올라이트를 대체할 수 있는 차세대 다공성 물질이기도 하다.
최근 금속 유기 구조체를 다른 소재와 혼합해 기능을 다양화하거나, 한가지 물질의 단점을 다른 물질의 장점으로 보완함으로써 성능을 최적화하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 기존의 합성된 금속 유기 구조체 복합재료들은 두 물질의 경계면에서 서로 어떻게 결합하는지에 대한 정확한 정보가 없고 그 형태가 무질서해 어떻게 만들어지는지에 대한 이해가 부족했다.
8만여 개의 금속 유기 구조체 중 표면에서 서로 결합할 수 있는 조합을 일일이 눈으로 찾아내는 것은 매우 시간이 오래 걸리기 때문에, 화학자의 직관만으로 새로운 이종 금속 유기 구조체 간 단결정 복합재료를 합성하기 위해서는 수많은 시행착오를 겪어야 했다.
따라서 8만여 개 이상의 금속 유기 구조체를 사용해 복합물질을 형성할 수 있는 경우의 수가 상당히 많음에도 불구하고 지금까지 합성된 복합재료의 수는 극히 일부로 제한됐다.
문제해결을 위해 공동연구팀은 미시적인 분자구조 정보를 활용해 먼저 합성 가능성이 큰 구조들을 선별한 뒤, 이를 실험적으로 합성함으로써 실제 새로운 복합물질을 개발하고 합성하는 시간을 획기적으로 단축했다.
김지한 교수가 이끈 시뮬레이션팀은 직접 개발한 컴퓨터 알고리즘을 활용해 기존에 발표된 8만여 개의 데이터로부터 특정 구조체의 결정면과 상호 연결될 수 있는 결정면을 가진 다양한 금속 유기 구조체 쌍들을 얻는 데 성공했다.
또한, 양자역학 시뮬레이션을 통해 두 금속 유기 구조체가 연결된 경계면이 가질 수 있는 안정적인 구조를 예측해냈다.
문회리 교수의 연구팀은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 6종류의 새로운 금속 유기 구조체 복합재료를 성공적으로 합성함으로써 시뮬레이션으로 예측된 내용이 실험적으로 합성될 수 있음을 증명했다.
또한, 금속 유기 구조체 결정면 위에 다른 구조체가 하나의 구조로 자라나는 원리를 규명했고, 두 물질의 기공이 서로 연결돼 내부까지 분자가 자유롭게 이동할 수 있음을 확인했다.
이번 연구에서 성공한 서로 다른 두 금속 유기 구조체 간 경계면을 분자 수준에서 깨끗하게 하나의 구조로 연결하는 다공성 복합재료는 지금껏 없던 새로운 개념의 물질이다.
문회리 교수는 "실험과 컴퓨터 시뮬레이션의 협력 연구를 통해 그간 합성이 어려웠던 다기능 다공성 복합재료를 설계하고 합성할 수 있음을 보여줬다. 기존 신약개발에서 활용되던 연구 방식이 거대시스템인 다공성 재료에까지 확대된 성공적 사례이다”라고 말했다.
김지한 교수는“세계 최초로 나노 다공성 복합물질을 이론적으로 디자인해 합성까지 성공한 첫 사례라는 사실에 의미가 있다”라며 “새로운 복합재료 개발을 위해 필요한 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있고, 적용 분야를 MOF-나노입자, MOF-제올라이트, MOF-고분자 복합재료로 쉽게 확장할 수 있다”라고 말했다.
이 연구 결과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 합성에 성공한 MOF 구조
2019.08.26
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이진우 교수, 그래핀 기반의 자연 효소 모방물질 개발
〈 이진우 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이진우 교수 연구팀이 그래핀을 기반으로 해 과산화효소의 선택성과 활성을 모방한 나노단위 크기의 무기 소재(나노자임, Nanozyme)를 합성하는 데 성공했다.
연구팀은 이 무기 소재를 이용하면 알츠하이머병 조기 진단과 관련된 신경전달물질인 아세틸콜린을 자연 효소를 이용했을 때보다 더 민감하게 검출할 수 있음을 확인했다.
가천대학교 바이오나노학과 김문일 교수, UNIST 에너지화학공학부 곽상규 교수팀과 공동으로 연구하고 김민수 박사가 1 저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 3월 25일자에 게재됐다. (논문명 : N and B Codoped Graphene: A Strong Candidate To Replace Natural Peroxidase in Sensitive and Selective Bioassays , 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀: 민감하고 선택성이 있는 바이오에세이에 사용되는 자연의 과산화효소를 대체할 수 있는 강력한 후보)
효소는 우리의 몸 속 다양한 화학 반응에 촉매로 참여하고 있다. 각각의 효소는 구조가 매우 복잡해 체내에서 특정 온도와 환경에서 원하는 특정 반응에만 촉매 역할을 할 수 있다.
특히 과산화효소는 과산화수소와 반응하면 푸른 색을 띠기 때문에 과산화수소를 시각적으로 검출할 수 있다. 이를 이용해 산화 과정에서 아세틸콜린을 포함한 과산화수소를 배출하는 다양한 물질을 시각적으로 검출할 수 있다는 장점이 있다.
대신 효소는 안정성, 생산성이 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 단백질로 이뤄진 효소와 달리 무기물질로 합성된 효소 모방 물질은 기존 효소의 단점을 해소할 수 있어 효소의 역할인 질병의 검출 및 진단 시스템에 활용할 수 있다. 따라서 효소의 활성을 정확히 모방하는 나노물질의 필요성이 커지고 있다.
그러나 효소를 모방하는 나노물질은 활성을 모방하는 것이 가능하지만 원하지 않은 다른 부가적인 반응을 일으킬 수 있다는 단점이 있어 효소를 대체하는 데 어려움이 있다. 특히 기존의 과산화효소 활성이 높은 물질은 과산화수소가 없는 상황에서도 색이 변하기 때문에 검출 물질이 없어도 발색이 되는 단점이 있다.
문제 해결을 위해 연구팀은 과산화효소 활성만을 선택적으로 모방하는 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀을 합성했다. 이 그래핀의 경우 과산화수소 활성은 폭발적으로 증가하지만 다른 효소 활성은 거의 증가하지 않아 과산화효소를 정확하게 모방할 수 있다.
연구팀은 실험적 내용을 계산화학을 통해 증명했으며 새롭게 개발한 물질을 이용해 중요 신경전달 물질인 아세틸콜린을 시각적으로 검출하는 데 성공했다.
아세틸콜린은 알츠하이머병의 조기 진단과 관련이 높아 연구팀의 효소모방 물질을 이용하면 향후 질병 진단 및 치료에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 교수는 “효소 모방 물질은 오래되지 않은 분야이지만 기존 효소를 대체할 수 있다는 잠재성 때문에 관심이 폭발적으로 커지고 있다”라며 “이번 연구를 통해 효소의 높은 활성 뿐 아니라 선택성까지 가질 수 있는 물질을 합성하고 알츠하이머의 진단 마커인 아세틸콜린을 효과적으로 시각적 검출할 수 있는 기술을 확보했다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 촉매의 과산화효소와 산화효소 활성을 시각적으로 확인할 수 있는 사진
그림2. 질소와 붕소가 동시에 도핑된 그래핀의 바이오 에세이 적용
2019.04.23
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박병국, 김갑진 교수, 고효율 스핀 신소재 개발
〈 박 병 국 교수, 김 갑 진 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 박병국 교수와 물리학과 김갑진 교수 연구팀이 자성메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM) 구동의 핵심인 스핀전류를 효율적으로 생성하는 새로운 소재를 개발했다.
이번 연구는 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 3월 19일자 온라인 판에 게재됐다.
이 연구는 고려대 이경진 교수, 미국국립표준연구소(NIST)의 Mark Stiles 박사 연구팀 등과 공동으로 수행됐다.
자성메모리는 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있고 집적도가 높으며 고속 동작이 가능해 차세대 메모리로 주목받고 있다.
자성메모리의 동작은 스핀전류를 자성소재에 주입해 발생하는 스핀토크로 이뤄지기 때문에 스핀전류의 생성 효율이 자성메모리의 소모 전력을 결정하는 핵심 기술이다.
이번 연구에서는 강자성-전이금속 이중층이라는 새로운 소재 구조에서 스핀전류를 효과적으로 생성할 수 있음을 이론 및 실험을 통해 규명했다. 특히 이 구조는 기존 기술과 달리 생성된 스핀전류의 스핀 방향을 임의로 제어할 수 있다.
이 소재를 차세대 메모리로 주목받는 스핀궤도토크 기반 자성메모리에 적용하면 스핀토크 효율이 높아지고 외부자기장 없이 동작이 가능해 스핀궤도토크 자성메모리의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
스핀궤도토크 자성메모리는 고속 동작 및 비휘발성 특성으로 S램(D램에 대응하는 반도체 기억소자로 전원만 공급하면 기억된 정보가 계속 소멸하지 않는 램) 대비 대기전력을 획기적으로 감소시켜 모바일, 웨어러블, 사물인터넷용 메모리로 활용 가능하다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 강자성-전이금속 이중층에서 스핀전류 생성 개략도
2018.04.13
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김도경 교수, 모세관현상 이용한 리튬-황 전지 소재 개발
우리 대학 신소재공학과 김도경 교수 연구팀이 종이가 물을 흡수하는 모세관 현상처럼 탄소나노섬유 사이에 황을 잡아두는 방식을 통해 리튬-황 기반 이차전지 전극 소재를 개발했다.
연구팀이 개발한 면적당 용량(mAh/㎠)이 우수한 저중량, 고용량 리튬-황 기반 이차전지 전극소재를 통해 리튬-황 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
윤종혁 박사과정이 1저자로 참여하고 김도경 교수, UNIST 이현욱 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2018년도 18호에 게재됐다.
최근 전기자동차, 대용량 에너지 저장장치의 수요가 급증함에 따라 기존 리튬이온 전지를 뛰어넘는 높은 에너지 밀도의 이차전지 개발 필요성이 커지고 있다.
리튬-황 전지는 차세대 고용량 리튬이차전지로 각광받고 있으며 이론적으로 리튬이온 전지보다 약 6배 이상 높은 에너지 밀도를 갖는다.
하지만 황의 낮은 전기전도도, 충전과 방전으로 인해 발생하는 부피 변화, 리튬 폴리설파이드 중간상이 전해질로 녹아 배출되는 현상은 리튬-황 전지 상용화의 걸림돌이다.
이를 해결하기 위해 다공성 탄소 분말로 황을 감싸 전기전도도를 향상시키고 부피변화를 완화시키며 폴리설파이드가 녹는 것을 방지하는 황-탄소 전극 개발에 대한 연구가 주로 진행돼 왔다.
그러나 이러한 구형의 0차원 탄소 분말들은 입자 간 무수한 접촉 저항이 발생하고 황을 감싸는 합성 과정이 까다로울 뿐 아니라 입자들을 연결하기 위해 고분자 바인더를 사용해야한다는 단점이 있다.
연구팀은 기존 탄소 재료의 단점을 극복하기 위해 전기방사를 통해 대량으로 1차원 형태의 탄소나노섬유를 제작하고 고체 황 분말이 분산된 슬러리(slurry, 고체와 액체 혼합물 또는 미세 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)에 적신 뒤 건조하는 간단한 방법을 통해 접촉 저항을 대폭 줄인 황-탄소 전극을 개발했다.
연구팀은 주사전자현미경(SEM)을 통해 현상을 관찰했다. 종이가 물을 흡수하듯 고체 황이 전기화학 반응 중 중간 산물인 액체 리튬 폴리설파이드로 변화하고 이들이 탄소나노섬유들 사이에 일정한 모양으로 맺힌 후 충전과 방전 과정에서 그 형태를 유지하며 밖으로 녹아나가지 않음을 확인했다.
이는 복잡하게 황을 감싸지 않고도 황이 탄소 섬유들 사이에 효과적으로 가둬지는 것을 발견한 것이다.
또한 기존 연구 결과가 단위 면적당 황 함량이 2mg/㎠ 이내인 것에 비해 이번 연구에서는 10mg/㎠이 넘는 황 함량을 달성했고 이를 기반으로 7mAh/㎠의 높은 면적당용량을 기록했다. 이는 기존 리튬이온전지의 면적당용량인 1~3mAh/㎠를 능가하는 값이다.
1저자인 윤종혁 박사과정은 “금속집전체 위에 전극물질을 도포하는 기존의 전극 제조 방법과는 전혀 다른 전극 구조 및 제조 방식을 적용한 연구로 향후 리튬 이차전지의 연구 범위를 넓히는 데에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
김도경 교수는 “고용량 리튬-황 상용화에 한 단계 다가선 연구성과로 전기자동차뿐만 아니라 무인항공기(UAV) 및 드론 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 EEWS 연구센터의 기후변화연구허브사업과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 전기화학 반응을 통해 탄소나노섬유에 황이 맺히는 현상과 그로 인한 전지의 안정적인 수명 특성
그림2. 탄소나노섬유들 사이에 흡수되어 맺힌 형태 그대로 고체화 된 황의 미세구조와 모식도
그림3. 액상의 리튬 폴리설파이드를 효과적으로 흡수하는 탄소나노섬유 구조체
2018.03.22
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