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중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소의 ‘탄소 기반 재료 및 에너지 연구팀’은 최근 관련 연구를 수행하는 과정에서 신형 탄소 재료인 그래파인(graphdiyne)에 대한 특수한 화학 제조 방법을 이용하여 후(後) 도핑이 필요 없는 피리딘 질소(Pyridine nitrogen)를 함유한 피리딘 그래파인 재료를 직접 제조하는데 성공함.

연료전지는 중요한 신에너지 장치에 속하는데 그 중 새롭게 발전하기 시작한 금속-공기 전지는 큰 관심을 받고 있는 상황이지만 금속-공기 전지 중의 음극 산소 환원과 양극 산소 방출 반응은 서서히 진행이 되기 때문에 반응을 촉진시키기 위해 대량의 귀금속 촉매가 필요하여 전지 원가를 대폭 증가시키는 문제는 금속-공기 전지의 대규모 상용화의 진척에 큰 영향을 끼치고 있는 상황임.

연구팀은 효율성이 높고 원가가 저렴한 금속-공기 전지 음극 촉매 연구개발을 중점적으로 추진하면서 질소 도핑 유형이 탄소 재료에 기반을 둔 전기 촉매 성능에 끼치는 영향에 대한 분석 연구를 실행하였음. 피리딘 질소에 대해 선택성 도핑을 행하는 탄소 기반 촉매를 개발하고, 전이 금속-질소 공동 도핑 촉매를 개발한 동시에 피리딘 질소가 탄소 기반 촉매 성능 향상에서 발휘하는 중요한 역할을 입증하였으며, 원가가 저렴하고 성능이 우수한 전기 촉매 재료를 개발하는데 성공하였음.

연구팀은 X-레이 광전자 에너지 스펙트럼(XPS)과 X-레이 흡수 광 스펙트럼(XAS)에 대한 분석을 통해 개발한 촉매 중에는 피리딘 질소만 함유되어 있다는 점을 입증하였으며, 전기화학 측정 테스트를 통해 피리딘 그래파인은 상용화 탄소 로딩 백금 촉매의 산소 환원 전기 촉매 성능보다 우수하다는 점을 입증하였음.

연구팀은 관련 연구개발 성과를 아연 공기 전지 음극 개발에 사용하였는데 최대 파워 밀도는 백금 기반 아연-공기 전지의 최대 파워 밀도를 초월하는 동시에 백금 기반 전지보다 더욱 우수한 충전 및 방전 안정성을 보유하고 있기 때문에 거대한 응용 잠재력을 보유하고 있다는 결론을 도출하였음.

연구팀은 밀도 범함수 이론 계산을 통해 피리딘 질소와 제일 가까운 거리에 있는 sp 하이브리드 원자는 최적의 산소 환원 반응 위치 점이라는 점을 입증하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 특정 반응 위치 점을 보유하고 있는 신형 비금속 촉매 재료 설계 및 합성을 위한 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Applied Catalysis B : Environmental’ ("Pyridinic nitrogen exclusively doped carbon materials as efficient oxygen reduction electrocatalysts for Zn-air batteries")지에 게재됨.