나노기술 및 정책 정보

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탄소 나노튜브(원통형), 그래핀(평면형), 풀러렌(구형) 등 새로운 형태의 입체 탄소구조체들은 뛰어난 물리화학적 특성으로 인해 화학, 물리, 나노재료 및 공학 등의 연구분야에 혁신적인 발전을 가져왔음.

또다른 입체 탄소구조체인 메조다공성(기공이 미세다공성 물질보다는 크고, 매크로다공성 물질보다는 작은) 탄소구조체는 탄소나노튜브가 규칙적으로 연결된 형태로, 표면적이 넓어 촉매 혹은 지지체, 기체 흡착제, 에너지 변환 및 저장장치, 환경 복원 등의 다양한 분야에서 관심을 받아왔음.

UNIST 화학과 주상훈 교수 연구팀은 KIST 김진영 박사팀과의 공동연구를 통해 그래핀 튜브가 규칙적으로 연결된 ‘그래핀 골격 메조다공성 탄소(Ordered Mesoporous Graphitic Tubular Carbon, OMGC)’를 합성하는 데 성공했다고 발표했음.

연구팀은 이번에 개발한 메조다공성 탄소는 전기전도도가 우수한 그래핀으로 만들어져 연료전지 촉매, 촉매 지지체, 에너지 저장장치 등으로 다양하게 쓰일 수 있을 것이라고 기대했음.

연구팀의 설명에 따르면 기존에 만들어진 메조다공성 탄소들은 대부분 로드형태 혹은 튜브형태의 무정형(amorphous) 탄소로, 전기전도도가 낮아 활용성이 떨어졌음. 반면, 상대적으로 전기전도도를 높인 흑연질 메조다공성 탄소는 표면적이 낮았음. 전기전도도가 높으면서도 표면적이 넓은 메조다공성 탄소를 합성하는 것은 매우 도전적인 과제였음.

주 교수 연구팀은 ‘메조다공성 실리카’와 ‘몰리브데늄 카바이드’를 각각 외부주형(틀)과 내부주형으로 사용하는 ‘이중 주형법’을 고안했음. 제1저자인 백두산 화학공학과 박사과정 연구원은 “‘몰리브데늄 카바이드’를 메조다공성 구조로 만들게 되면 겉에 그래핀 층이 여러 겹 생긴다”며 “이 상태에서 ‘몰리브데늄 카바이드’만 제거하면 그래핀 튜브로 이뤄진 메조다공성 탄소를 얻을 수 있다”고 설명했음.

이중 주형법을 이용하면 OMGC의 기공 크기와 모양을 쉽게 조절할 수 있으며, 합성 된 OMGC는 기존에 보고된 메조다공성 탄소 대비 높은 전기전도도를 보임과 동시에, 넓은 표면적과 큰 기공부피를 보였음.

또한, OMGC를 담지체로 사용해 제조한 루테늄 나노입자 촉매는 상용 촉매 (루테늄, 백금)보다 높은 성능을 보였음. 실제 상용화된 수소생산 장치에서도 우수한 성능을 보였음. 이 실험을 진행한 KIST 김진영 박사는 “차세대 수소생산 장치로 각광받고 있는 알칼리 고체막 물분해 장치의 성능 향상에 큰 전기를 마련한 연구”라고 전했음.

이 소재는 에너지 저장장치로도 쓰일 가능성이 보였음. 에너지 저장장치 중 하나인 리튬이온 커패시터에서 그래핀 메조다공성 탄소는 기존 메조다공성 탄소 대비 우수한 에너지 저장 성능을 보였음.

주상훈 교수는 “새롭게 개발한 소재는 메조다공성 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브의 장점을 결합한 물질”이라며 “에너지 변환장치용 촉매 또는 촉매 지지체, 에너지 저장장치, 이산화탄소 흡착제, 오염물질 흡착제 등에 다양하게 응용될 것”이라고 기대했음.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie International Edition’ (“Ordered Mesoporous Carbons with Graphitic Tubular Frameworks via Dual Templating for Efficient Electrocatalysis and Energy Storage”) 지에 게재됨