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황과 질소가 도핑된 기능성 그래핀 저비용 합성법 개발

황과 질소가 도핑된 기능성 그래핀 저비용 합성법 개발
기초과학연구원은 나노입자 연구단 그룹리더 성영은 서울대학교 교수

황과 질소가 도핑된 기능성 그래핀 저비용 합성법 개발
황이 도핑된 그래핀 합성 모식도 및 전자 현미경사진 (a) 실험실에서 널리 쓰이는 유기용매인 Dimethyl sulfoxide(DMSO)는 하나의 황(S·노란색)원자와 두 개의 탄소(C·검은색) 원자로 이루어진 유기물질이다. DMSO를 가성소다(NaOH)와 가열하면 헤테로원자 도핑 그래핀이 합성된다. (b-d) 도핑 그래핀의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. (e) 에너지분광분석에(EDS) 의하면 황원자가 균일하게 그래핀에 분포되어 있는 것이 관찰된다.

값비싼 백금 촉매를 대체할 수 있는 저비용·고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원은 나노입자 연구단 그룹리더인 성영은 서울대학교 교수 연구팀이 저비용 고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

이차전지 및 연료전지는 차세대 에너지 저장소 및 동력으로 각광받고 있으나, 이차전지의 경우 에너지 및 출력 밀도를 충족시킬 수 있는 새로운 전극 개발이 필요하고, 연료전지는 값비싼 백금촉매를 대체할 전극의 개발이 절실한 상황이었다.

기초과학연구원에 따르면 이번 성과는 황과 질소가 도핑된 그래핀을 대량 생산할 수 있는 친환경적이며 경제적인 공정을 개발했다는 점에서 의미가 크며 특히 이차전지의 성능 향상과 연료전지의 비용 문제를 동시에 해결 가능하다.

꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전도성, 유연성, 내구성 등 탁월한 물리적 성질을 가진다. 도핑 그래핀은 여기에 질소, 황 등 헤테로원자(탄소와 수소 이외 원소의 원자)를 더해 탄소 소재의 화학적 성질을 개선된 것으로, 전기화학 촉매나 연료전지의 전극재료에 적합하다.

그러나 기존 합성법은 값 비싼 금속 촉매와 특수한 장비를 사용하거나 공정이 복잡해 대량생산이 어렵다.

이에 연구진은 흔히 쓰는 시약인 가성소다(NaOH)와 헤테로원자가 함유된 유기용매를 사용하여 용매열합성법으로 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성해 리튬이온전지 전극에 적용했다.

그 결과 연구진이 개발한 도핑 그래핀은 황과 질소의 도핑 함유량이 높으며 비표면적이 넓은 장점을 가지고 있어 리튬이온전지의 전극 물질에 적용했을 때, 리튬이온이 이동하는 거리를 단축시킬 수 있어 출력이 우수하다는 사실을 밝혔다.

또 지금까지 리튬이온전지에 사용되어온 탄소(흑연)의 이론용량에 비해 더 높은 용량을 보였고 충전·방전 실험에서도 용량퇴화가 없는 높은 안정성을 갖는다는 사실을 실험을 통해 확인했다.

연구팀은 연료전지의 환원극에 적용하였을 때도 값비싼 백금 촉매에 버금가는 성능을 보였다며 우수한 대체 소재가 될 것으로 기대했다.


백금은 고유의 화학적·전기적 우수성 때문에 환원극 촉매로 각광받아왔으나 비싼 가격과 한정된 매장량이 상용화의 걸림돌이 되어왔다.

성영은 IBS 나노입자 연구단 그룹리더는 "도핑 그래핀 합성기술은 황, 질소 외에 불소, 붕소, 인 등 다양한 헤테로원자에 적용할 수 있으며 연료전지, 리튬 2차 전지, 센서, 반도체 등의 넓은 분야에 신소재로 활용될 가능성을 갖고 있다"며 "앞으로 다양한 형태의 탄소소재 제조 및 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래부 미래부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 세계적인 과학저널 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트 7월 10일자에 온라인 게재됐다.

bbrex@fnnews.com 김혜민 기자