나노기술 및 정책 정보

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● 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터의 정현수 책임연구원과 한국과학기술원(KAIST) 정희태 교수의 공동연구팀이 셀룰로오스를 이용하여 금속 종류와 금속의 원자 개수에 상관없이 나노입자의 고밀도화가 가능한 플랫폼 소재를 구현

● 탄소열충격법(CTS)은 기존에 보고된 촉매 합성법보다 고효율·고품질 합성법으로 주목받고 있으나, 밀도가 전반적으로 낮으며, 금속 나노입자는 밀도가 낮으면 촉매의 성능이 떨어질 뿐만 아니라 부반응이 쉽게 일어나는 단점이 있어 응용에 한계가 있음.

● 이에 연구팀은 CTS 공정시 금속 나노입자를 만드는데 필수라고 여겨졌던 전도성 기판소재를 비전도성 셀룰로오스로 대체

● 기존 연구들은 전도성 기판소재의 표면개질을 통해 표면에 산소기능기를 늘려가는 방향으로 금속 나노입자의 밀도를 높게 만들었지만, 이번 연구에서는 표면에 산소기능기가 풍부하나 비전도성을 가지는 셀룰로오스를 순간적으로 탄화하여 전도성을 확보

● 연구팀은 셀룰로오스를 기판소재로 활용하여 1.5초 만에 80% 이상 고밀도를 갖는 금속 나노입자를 제조

● 연구팀이 개발한 플랫폼은 CTS 공정 중 셀룰로오스의 탄화 과정에서 형성되는 카본 나노 클러스터를 다결함 구조로 만들어 1.5초 만에 금속 원자의 종류(귀금속, 비귀금속)와 개수(단일, 다성분계)에 상관없이 모든 나노입자를 고밀도로 형성

● 특히, 해당 플랫폼은 금속원자가 30% 미만 저밀도로 형성되어 부반응이 일어나 시도하지 못했던 기존 이산화탄소 전환공정에 적용이 가능하며, 고밀도이면서 비귀금속인 구리 나노입자를 촉매로 적용한 결과, 이산화탄소를 고부가가치 청정연료인 에틸렌으로 전환하는데 최초로 성공

● 해당 연구 성과는 원하는 금속 원자의 종류와 개수대로 고밀도 금속 나노입자를 제조할 수 있기 때문에 높은 경제성을 가지면서, 탄소중립 혹은 배터리와 같은 에너지 분야 등에 포괄적으로 적용할 수 있을 것으로 기대

※ 용어설명

- 탄소열충격법(carbothermal shock, CTS): 전기 충격으로 소재에 빠르게 열을 가한 후 빠르게 냉각시키는 나노소재합성법

※ Science Advances 게재(2021.11.24.), “Generation of high-density nanoparticles in the carbothermal shock method”

※ 과학기술정보통신부, KIST 주요사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업 지원