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중국과학원 푸졘(福建) 물질구조 연구소 산하 "구조 화학 국가 중점 실험실"의 차오룽(曹榮), 리훙팡(李紅芳) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일종 중공 다공성 탄소 구체(Hollow mesoporous carbon spheres)를 코팅하는 금속 유기 프레임워크인 ZIF-67의 달걀노른자 쉘 구조 복합 소재를 개발하고, 동 소재를 전기 촉매로 사용하여 전기 촉매 산소 환원(ORR), 산소 방출 반응(OER)과 아연 공기 전지(Zinc air battery)에 응용하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 관련 디자인을 통해 ZIF-67 소재의 전기 전도 성능을 효과적으로 향상시킨 동시에 캐비티 제한 효과(Cavity confinement effect)를 이용하여 ZIF-67의 사이즈를 1미크론 수준에서 100나노 수준으로 축소시키는데 성공함으로써 ZIF-67 표면으로 하여금 더욱 많은 Co-Nx 배위 불포화 위치 점을 노출할 수 있도록 하였음.

금속 유기 프레임워크 소재(MOFs)는 유기 리간드(Organic Ligands)와 금속 이온 배위 자체 조립을 통해 취득하게 되는 일종 다공성 소재에 속하는데 조정 가능한 공극 구조(pore structure)와 풍부한 배위 불포화 활성 위치 점을 보유하고 있기 때문에 촉매 분야에서 폭넓은 응용 전망을 보유하고 있음.

하지만 대부분의 MOFs 소재가 보편적으로 함유하고 있는 전기 전도성이 낮고, 매스 전달(mass transfer)이 신속하지 못한 단점 때문에 MOFs 소재를 직접 전기 촉매 분야 응용하는 연구는 중대한 도전에 직면하여 있는 상황임.

연구팀이 개발한 복합 소재는 우수한 전기 촉매 활성 및 전지 성능을 보유하고 있으며, 복합 소재 중의 ZIF-67 속 Co-Nx 배위 불포화 위치 점은 촉매 활성 중심에 속하며, 중공 다공성 탄소 구체(Hollow mesoporous carbon spheres)와 ZIF-67 간의 협동 역할은 소재의 전기촉매 성능을 효과적으로 향상시키는 것으로 나타났음.

연구팀이 이번 연구를 통해 합성한 복합 소재는 재생 가능 에너지 중의 연료전지와 전해 셀(electrolysis cell) 속에서 전기 촉매로 사용될 것으로 전망됨.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 혁신 성과는 전기화학 분야에서의 MOFs 소재 응용을 위해 새로운 디자인 아이디어를 제공하고 있음.

본 연구 성과는 ‘National Science Review’ ("Encapsulating metal organic framework into hollow mesoporous carbon sphere as efficient oxygen bifunctional electrocatalyst")지에 게재됨.