나노기술 및 정책 정보

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습한 조건 하에서 나노 채널을 통한 양성자 수송은 에너지 저장과 변환 응용에 대해 매우 중요하지만 기존 소재는 전도도가 제한되어 있는데 최고 0.2S/cm 수준에 불과함.

중국과학원 금속 연구소의 런원차이(任文才, 임문재) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 2차원 전이 금속인 "인 삼불화 갈륨(Phosphorus gallium trifluoride) 나노시트"를 조립하여 필름을 개발하였는데 그 중 전이 금속의 빈 자리는 이온 전도도를 획기적으로 높였음.

나노 유체(流體)는 1-100nm 사이즈의 채널 속에서 유동하는 유체로 구성되며, 분자와 이온의 강한 작용 때문에 나노 유체는 특수한 유도 효과를 발생시키게 됨. 나노 유체 채널을 구축할 수 있는 능력은 의외로 물 분자와 이온 수송을 용이하게 하는 것으로 나타났음.

예를 들면, 양성자 교환 막(PEM)은 에너지 저장과 변환 분야에서의 응용에서 핵심적 역할을 하며, 폴리머, Nafion, 금속 유기 프레임워크(MOFs), 바이오 파생 소재와 2차원(2D) 소재는 이미 PEMs에 응용되고 있는데 그 중, Nafion은 PEMs의 벤치마크가 되고 있으며, 높은 상대습도(RH)에서 최대 0.2Scm-1 수준의 양성자 전도도를 보임.

하지만 Nafion은 고온에서 쉽게 탈수(脫水)(>80°C)되고 낮은 상대습도(RH)로 인해 전도도와 효율성이 심각하게 떨어지게 됨. 이에 반해 2차원 소재로 조립된 필름에 대해 나노 채널에서 발생하는 큰 모세혈관력(力)(>50bar)은 이온 수송을 크게 도울 수 있음.

전이 금속 인(磷) 3할로겐 화합물(TMPTCs)은 대표적인 층상(層狀) 소재로서 분자식은 MPX3(M=Cd, Mn, Fe, Co, Ni, ZN, Cr, X=S 혹은 Se임)인데 연구팀은 큼직한 CdPS3 결정체를 원자재로 사용하고, 알칼리성 이온 삽입 층 교환 방법을 통해 Cd 원자의 빈 자리를 가지는 CdPS3 나노 필름을 합성하였음.

연구팀은 Cd0.85PS3Li0.15H0.15 필름의 상대 습도는 98%이며, 90℃에서 ~0.95S/cm의 양성자 전도도의 우수성을 가짐. 이는 주로 풍부한 양성자 공급자 센터와, 쉽게 흡수 되는 양성자와 카드뮴 공석 유도 필름의 양호한 수화(水化)에서 비롯된다는 점을 발견하였음. 연구팀은 이번 연구에서 Cd0.85PS3Li0.3과 Mn0.77PS3Li0.46 필름은 초고(超高) 리튬이온 전도도를 가지고 있다는 점을 관찰하였음.

상기 연구를 기반으로 연구팀은 넓은 RHs와 온도 범위 내에서 필름 중의 초고속 이온 전송에 대해 다음과 같이 결론을 도출하였음. 나노 박편(薄片) 상의 음전하를 띤 2원자가 Cd 홀(hole)을 이온 제공의 공급자 중심으로 사용하여 Nafion 속의 SO3- 기능 그룹과 유사한 기능을 발휘시킬 수 있다고 이해할 수 있음.

높은 친수성은 RH가 낮더라도 질서 있는 물 네트워크를 만들고, 이러한 습화(濕化)된 조건에서 이온과 카드뮴 홀(hole)의 상호역할은 물 분자에 의해 제거되기 때문에 이온은 나노 채널 속에서 카드뮴 홀 전송에 대한 제어에서 쉽게 벗어날 수 있는 것으로 나타났음. 높은 RHs에서 비교적 큰 d와 연속적인 이중 층 물 네트워크는 이온 수송 장벽을 더욱 낮추어 이온 전도도가 빠르게 향상될 수 있도록 하였음.

그 외, 규칙적인 2D 나노 유체(流體) 채널과 이에 따른 나노 유체력(力)도 물의 확산을 개선하여 양성자와 리튬이온의 수송을 개선할 수 있는 것으로 나타났음.

필름의 실제 응용 전망을 보여주기 위해 연구팀은 PEM 연료전지 소재를 시뮬레이션 하는 방법을 개발하고, 동 방법을 이용하여 36시간에 달하는 테스트를 실행하였는데 60℃에서 양성자 전도율은 0.6~0.7Scm-1 범위 내에서 작은 변화를 발생시키는 동시에 분해가 되지 않는 것으로 나타났는데 이런 상황은 연구팀이 개발한 필름이 양호한 안정성을 보유하고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 플렉시블 특성과 Nafion 필름보다 더욱 높은 인장 강도를 가지고 있다는 점을 의미함.

연구팀은 Mn0.77PS3Li0.46 필름의 망간 공공을 개발하였는데 90℃, 98% RH, EA~0.24±0.02eV의 조건에서 리튬이온 전도도는 ~0.75Scm-1에 달하는 것으로 나타났는데 이는 전이 금속 공공이 이온 수송에 다양한 역할을 하고 있음을 의미함.

본 연구 성과는 ‘Science’ ("CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies") 지에 게재됨.