포항공과대학교(POSTECH) 화학과 장영태 교수(사진)가 독일에서 발행하는 화학 분야 최고 권위지 '앙게반테 케미'에 새롭게 국제자문위원단에 이름을 올렸다. 앙게반테 케미 의결위원회와 집행위원회는 앙게반테 케미의 국제적 위상이 높아짐에 따라 연구자들의 다양한 지역, 경력, 성별 등을 반영하고, 연구자와 독자와의 소통을 강화하기 위해 37명의 새로운 국제자문위원단을 선임했다며 12일 이같이 밝혔다. 자문위원은 학술지 편집에 대해 주요 심의와 자문을 맡게 된다. 앙게반테 케미는 이번 장 교수의 발탁을 "매우 기쁘게 생각한다"며 "앙게반테 케미가 화학 생물학 등 더욱 폭넓은 분야로 확장하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 전했다. 장 교수는 화학 생물학계의 난제인 세포 내 표적단백질 규명을 체계화해 세계 학계의 주목을 받았으며, 1만 가지 형광물질로 '형광 라이브러리'를 구축함으로써 '형광의 연금술사'라 불린다. monarch@fnnews.com 김만기 기자 monarch@fnnews.com 김만기 기자

전지의 성능을 높이려면 '전기가 잘 흐르는 촉매를 쓰면 된다'는 연구결과가 나와 공기 중의 산소를 이용해서 전기를 만들어내는 수소연료전지나 차세대 금속공기전지의 발전에 크게 기여할 전망이다. 26일 UNIST(울산과기원, 총장 정무영)에 따르면 에너지 및 화학공학부의 송현곤, 김건태, 곽상규 교수 공동연구팀이 연료전지 등 공기 중 산소를 이용하는 전지의 촉매를 연구한 결과를 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)' 최신호에 발표했다. 이번 연구는 촉매의 전기 전도도에 따라 전지 성능이 결정될 수 있다는 원리와 구체적인 증거를 제시한 최초의 성과다. 수소연료전지나 금속공기전지는 양극에서 공기 중의 산소를 받아들여 전기화학반응을 일으켜 연료로 수소나 금속을 사용하고, 이 물질들을 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 것이다. 이때 양극에서는 산소(O₂)를 산소 원자(O)로 쪼갠 뒤 음극에서 나온 전자를 반응하게 만드는 것으로 촉매는 이 반응을 촉진하기 위해 들어간다. 일반적으로 전지의 양극이나 음극에 쓰인 물질의 전기 전도도가 높으면 전기화학반응이 잘 일어난다. 전기가 잘 흘러서 반응의 양도 늘어나기 때문이라는 게 지금까지의 생각이었다. 그런데 UNIST 공동연구팀은 이 반응에서 촉매의 전기 전도도가 반응의 양뿐만 아니라 질적인 면에서도 중요한 역할을 한다는 점을 밝혀냈다. 송현곤 교수는 "산소 분자가 전자를 얻는 과정을 '산소환원'이라고 하는데 이 반응이 연료전지나 금속공기전지가 작동하는 기본 원리"라며 "촉매 주변의 전기 전도도를 높이면 산소 분자가 전자를 더 많이 받아서 산소환원이 잘 일어나고 결과적으로 더 많은 전기를 만들게 된다"고 설명했다. 연구진은 전기 전도도가 서로 다른 세 종류의 산화물 촉매를 만들어 실험했다. 그 결과 전기 전도도가 높아짐에 따라 전자 4개가 반응하는 완전환원 반응이 많아졌다. 산소환원 반응은 전자 4개가 한번에 움직이는 완전환원 방식과 전자 2개가 두 번 움직이는 방식이 있다. 일반적으로 완전환원이 많을수록 더 좋은 촉매로 본다. 송 교수는 "이번 연구는 김건태 교수팀에서 전기 전도성 산화물을 만들고, 곽상규 교수팀에서 이론 계산을 함께 해줘 가능한 성과였다"며 "전지가 작동하는 기본적인 원리를 밝히고 싶은 생각은 있었지만 두 교수팀의 지원이 없었다면 해낼 수 없었을 것"고 말했다. 이번 연구에 제1저자로 참여한 이동규 UNIST 석·박사통합과정 연구원은 "이번 연구로 촉매와 산소환원 반응의 물리화학적 상관관계를 규명할 수 있었다"며 "앞으로 전도성이 높은 촉매를 개발하게 되면 수소연료전지나 차세대 금속공기전지의 발전에 도움이 될 것"이라고 말했다. 한편 이 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업과 BK21플러스사업의 지원으로 수행됐다. kky060@fnnews.com 김기열 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 송현곤·이현욱 교수팀이 배터리를 값싼 재료로 오랫동안 사용할 수 있는 방법을 개발했다. 이번에 개발한 재료 '구아이아콜'은 생체 반응을 모방한 전해액 첨가제로 배터리 양극에서 발생한 활성산소를 없애 배터리를 4배 정도 더 오래 사용할 수 있다. 특히 재료비용이 1g당 약 1200원 정도여서 연구진이 이전에 발표했던 무기물 항산화 첨가제보다 350분의 1 수준이다. 송현곤 교수는 5일 "구아이아콜은 이전에 발표한 무기물 항산화 첨가제의 항산화효소 모방 촉매 특성을 이은 루테늄 기반 리튬 과잉 양극용 최초의 유기물 항산화 첨가제"라며 "리튬 과잉 양극 뿐만아니라 활성산소가 문제 되는 다른 고용량 양극에도 적용해 전기화학적 특성을 향상하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다. 연구진은 배터리의 수명과 성능을 떨어뜨리는 활성산소 문제를 해결하기 위해 항산화제에 주목했다. 대표적인 항산화제에는 '페놀'류가 있는데, 양성자 이동을 통해 활성산소를 제거하기 때문에 리튬 이온 기반 전해질을 사용하는 리튬 이온 배터리에는 적합하지 않다. 연구진은 인체 안에서 활성산소를 없애는 작용 원리를 차용해 페놀류 항산화제를 리튬 이온 배터리용 첨가제로 변모시켰다. 페놀에 메톡시 그룹을 결합해 항산화효소를 모방한 촉매인 '구아이아콜'을 만들었다. 구아이아콜은 리튬화 된 활성산소와 결합해 활성산소를 화학적으로 변하지 않는 '리튬 과산화물'과 '산소'로 바꾼다. 연구진은 컴퓨터적 계산을 통해 구아이아콜이 리튬화 된 활성산소의 흡착에너지와 불균등화 반응에 필요한 에너지를 감소시켜 효율적으로 활성산소를 제거할 수 있음을 이론적으로 밝혔다. 즉, 구아이아콜이 활성산소를 제거하면서 불균등화 반응을 촉진해 활성산소로 인한 나쁜 반응을 막는 것이다. 구아이아콜은 전해액에 소량(0.3 wt%) 첨가하면 전해질 용매 대신 활성산소와 반응해 전해액 분해를 막는다. 첫 번째 충전 시 산화되면서 양극에 보호막을 형성해 배터리를 사용하는 동안 구조가 변화하는 것을 막는다. 구아이아콜은 기존 전해질과 비교해 80%까지 용량을 유지하며 약 4배 정도 길게(65회 정도의 충·방전) 배터리를 사용하게 해준다. 200회의 충·방전 실험에서도 70%까지 높은 용량 유지율을 보였다. 제 1저자인 이정인 에너지화학공학과 연구원은 "항산화제를 배터리에 적용시키는 사례는 여럿 있었지만, 항산화제인 페놀과 불균등화 촉매인 구아이아콜을 비교해 전기화학적 분석을 통한 작용 방법을 밝혀낸 것은 처음"이라며 "추후 배터리의 활성산소를 제어하기 위한 분자구조 개발에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 첨가제를 화학 분야의 권위 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수팀은 인하대 화학공학과 이용진 교수팀과 함께 플라스틱 원료를 염산없이 친환경적인 방법으로 만드는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 이 기술은 염산 대신 고체로 된 'LTL 제올라이트'를 촉매로 사용한다. LTL 제올라이트는 염산을 사용하는 공정보다 10% 높은 플라스틱 원료 생산 수율을 보였다. 특히 독성이 있는 염산을 사용하지 않아 폐수 발생이 전혀 없고 이로인해 제조공정 비용을 획기적으로 줄일 수 있게 됐다. 최민기 교수는 "이 촉매는 유수의 화학 기업들이 개발에 난항을 겪고 있던 메틸렌디아닐린의 친환경 생산 공정 개발에 돌파구를 제시한 국내 고유의 기술적 성과"라고 설명했다. 또 "앞으로 연구진은 한화 솔루션과 협업해, 세계 최초의 메틸렌디아닐린의 친환경 생산 공정 개발을 국내 기술력으로 달성하고자 한다"고 말했다. 우리가 많이 사용하는 플라스틱 중 하나인 폴리우레탄을 만들기 위해서는 염산을 촉매로 써 왔다. 폴리우레탄을 만들때 염산을 사용, 폐수를 처리해야 하는 문제가 발생한다. 연구진은 4,4'-메틸렌디아닐린만 합성하고 올리고머의 형성을 억제할 수 있는 최적화된 제올라이트 촉매를 설계했다. 연구진은 현재까지 발견된 250개 이상의 제올라이트 구조 중 LTL 제올라이트 구조가 4,4'-메틸렌디아닐린의 합성에 이상적임을 발견했다. 또 LTL 제올라이트의 결정 내부에 거대 분자의 확산을 비약적으로 높일 수 있는 추가의 기공을 뚫어서 일종의 '분자 고속도로'를 만들어 느린 분자 확산 문제를 해결했다. 이렇게 마이크로 기공과 메조기공을 동시에 갖고 있는 LTL 제올라이트 촉매는 일반 LTL 제올라이트에 비해 8배 이상 증진된 활성을 보였다. 또한 염산 촉매를 이용한 촉매 공정에 비해 10% 이상 증진된 4,4'-메틸렌디아닐린 수율을 보였다. 이와함께 신규 개발한 촉매가 장기 연속 반응 공정에서도 우수한 안정성을 보였다. 무엇보다 큰 장점은 신규 제올라이트 촉매를 사용한 공정은 염산 기반의 공정과 달리 중화 공정이 필요하지 않고, 폐수 발생이 전무하다는 점이다. 연구진은 이번에 개발한 친환경 생산공정 촉매를 화학 분야에서 권위적인 국제 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이재성 교수팀이 햇빛에 반응하는 광촉매로 폐수에서 암모니아를 만들어냈다. 비료 원료로 쓰이는 암모니아는 최근 수소 운반저장체로 급부상하고 있다. 수소를 암모니아로 바꾸면 수소를 그냥 액화하는 것 보다 약 1.7배 많은 수소 저장할 수 있는데다 기존 암모니아 액화 설비와 운송 수단을 그대로 쓸 수 있어 더 경제적이다. 이재성 교수팀은 전기분해 대신 햇빛을 바로 이용하는 광촉매로 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 만들었다. 높은 반응 선택도는 광전자가 질산염 환원 반응에만 효율적으로 쓰였다는 의미다. 이재성 교수는 14일 "암모니아 생산 과정에서 나오는 이산화탄소도 잡고, 폐수 속 질산염도 처리 할 수 있는 기술"이라며 "광촉매 효율과 안정성을 보완한다면 지상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양광을 직접 활용하는 이상적인 그린 기술이 될 것"이라고 말했다. 암모니아 생산 중 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 약 1.8%를 차지할 만큼 많다. 대안으로 질소를 물에 녹여 전기분해 방법으로 그린 암모니아를 생산하는 기술이 있지만, 질소가 물에 잘 녹지 않는데다 여전히 화석연료로 생산한 전기를 써야만 하는 문제가 있다. 연구진은 반도체 물질인 실리콘을 나노미터 크기의 끈 형태로 만든 뒤 금 입자를 붙였 광촉매를 만들었다. 연구진은 "실리콘 나노와이어가 고르게 정렬된 광촉매의 구조 특성과 나노와이어표면에 잘 부착된 미량의 금 입자 성분 등 덕분에 이러한 높은 효율을 얻었다"고 설명했다. 물에 잘 녹는 질산염의 특성을 활용했다. 또 전기 대신 자체 개발한 광촉매를 썼다. 광촉매가 햇빛을 직접 받아 만든 전자로 질산염을 환원시켜 암모니아가 합성되는 방식이다. 실험결과, 이 광촉매를 활용해 아주 낮은 전압에서도 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 만들 수 있었다. 한편, 이번 연구결과는 이재성 교수팀이 중국 사천대학 허민 장교수, 한양대 장윤정 교수와 협력해 독일의 와일리(Wiley)사에서 발행하는 화학계 최고의 학술지 중 하나인 '앙게반테케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 5일자로 발표됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 이울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 지르코늄 구슬을 숯과 함께 굴려 메탄가스를 만들어냈다. 연구진이 개발한 방법은 40℃의 저온과 일반적인 대기압 조건에서 99.8% 수율로 메탄가스를 합성해 냈다. 기존의 탄화수소 제조 공법은 600℃ 고온에서도 수율이 80% 수준이었다. 연구진은 직접 나무를 태워 만든 숯을 원료로 써서 메탄을 생산해내 실제 상업화 가능성이 있다고 설명했다. 백종범 교수는 14일 "볼-밀링의 금속 구슬 충돌 힘으로 손쉽게 숯을 분해해 메탄가스를 제조 할 수 있다"며 "숯과 유사한 석탄을 가스화하는 생산 공정에 응용할 수 있을 것"이라고 말했다. 연구진은 메탄가스를 만드는 방법으로 볼-밀링법을 사용했다. 볼-밀링법은 용기에 쇠구슬과 반응물질들을 같이 넣고 밀폐한 후, 빠른 회전으로 충격을 일으켜 가스를 만든다. 볼-밀링 용기에 지르코늄 구슬과 탄소 재료, 금속 촉매를 먼저 넣고 아르곤 분위기에서 회전 시켰다. 이때, 탄소 재료들은 금속 촉매들과 반응해 탄소-탄소 결합이 깨지고, 탄소-금속 결합이 형성된다. 이후, 볼-밀링 용기에 수소 가스를 넣고 다시 회전을 시켜주면 탄소-금소 결합에서 탄소-수소 결합으로 반응해 탄화수소, 즉 메탄가스가 만들어졌다. 또한, 금속 촉매의 역할과 볼-밀링의 시스템의 역할을 정확히 연구하기 위해, 일반적인 열처리 공법, 금속 촉매 없는 볼-밀링 공법, 금속 촉매를 포함한 볼-밀링 공법으로 메탄 가스 수득률을 비교했다. 이 때, 금속 촉매를 포함한 볼-밀링법이 낮은 온도에서 가장 좋은 수득률을 보였다. 또한, 금속 촉매를 코발트, 철, 니켈을 바꿔서 연구를 한 결과, 코발트가 가장 촉매 효율이 뛰어났다. 이와함께 연구진은 이번 연구결과가 메탄가스를 대량으로 생산할 수 있는 가능성을 확인하기 위해 15리터의 비교적 큰 용량의 볼-밀링 용기를 사용해 실험했다. 이 때, 직접 나무 조각을 태워 숯을 만들어 연구를 진행했고, 전력 대비당 메탄가스 생성량은 이전 작은 규모의 볼-밀링법과 비슷했다. 연구진은 "이는 가장 느린 화학반응 중 하나인 탄화 수소 가스화 반응 속도를 볼 밀링의 기계화학적 에너지를 이용해 크게 개선한 덕분"이라고 설명했다. 화학반응 속도가 느리면 경쟁 반응에 밀려 부산물이 많이 생기고 수율이 낮아질 뿐만 아니라 에너지 공급을 위해 고온의 반응 조건이 필요하다. 이번 연구결과는 화학분야 저명 국제학술지인 '앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 게재됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 온실가스로 수소를 만드는 촉매를 개발했다. 연구진은 수소가 더 빨리 만들어지게 하기 위해 최초로 '금속삼합'으로 촉매를 만들었다. 그결과 기존의 촉매보다 반응성이 84% 이상 향상됐으며 350시간 이상 성능이 유지됐다. 이번 개발한 촉매는 이산화탄소와 메탄을 없애면서 친환경 원료를 생산하는 1석2조의 기술이라고 연구진은 설명했다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학부 김건태 교수팀이 합금 나노입자에 금속 원소 3개를 섞어 수소를 만들어내는 촉매를 개발했다고 10일 밝혔다. 이 촉매는 메탄과 이산화탄소를 화학 반응시켜 수소와 공업 원료인 일산화탄소를 생산해 낼 수 있다. 연구진이 개발한 촉매를 사용한 결과 촉매 1g으로 900도에서 초당 약 1.2x1000경 개의 메탄 분자를 변환했다. 연구진은 이는 한종류로 만든 촉매보다 약 84.8% 증가한 것이라고 설명했다. 또한 750도에서 약 350시간이 넘는 시간 동안 잘 작동하는 안정성을 보였다고 덧붙였다. 연구진이 개발한 촉매는 삼상 합금 나노입자가 촉매 표면에 돋아난 형태다. 합금 나노입자에 코발트, 니켈, 철 금속 원소 3개가 섞여 있어 기존 촉매보다 메탄 분해 반응을 더 잘 일어난다. 제1저자인 주상욱 연구원은 "합금 나노입자가 메탄의 화학결합을 더 느슨하게 만들어 분해를 촉진 한다"며 "이는 철이 첨가되면서 나타난 합금 나노입자의 전자 구조 변화때문"이라고 설명했다. 일반적으로 건식 메탈 개질 반응에는 니켈 금속 기반 촉매를 쓴다. 성능은 좋지만 고온에서 촉매 입자끼리 뭉치는 현상과 반응을 반복할수록 고체 탄소가 촉매 표면에 쌓이는 문제가 있다. 연구진이 개발한 촉매는 '스마트 자가재생 촉매'의 한 종류다. 촉매 입자 내부의 금속 원소가 반응을 반복하면 표면으로 솟아오르는 용출 현상을 이용하는 촉매다. 표면이 새로운 금속 나노 입자로 재생되면서 촉매 성능을 오래 유지 할 수 있다. 특히 니켈 또는 코발트 금속을 용출 시키면 이 둘이 나노 입자 합금을 만들어 성능이 뛰어나다. 이번 연구에서는 촉매 입자 표면에 철을 얇게 입혀 니켈과 코발트 금속을 표면으로 더 잘 올라오게 만들었다. 또 용출된 니켈, 코발트 입자가 철과 섞여 새로운 삼상 합금이 형성돼 성능이 더 좋아졌다. 삼상 합금이 발견 된 것은 최초다. 오진경 연구원은 "새로 개발한 방법을 이용해 삼상 촉매를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 단위 면적 당 약 200개가 넘는 합금 나노 촉매 입자를 만들어 건식 개질 촉매 반응성을 높일 수 있었다"고 전했다. 김건태 교수는 "메탄 건식 개질 반응을 통해 안정적으로 합성가스와 수소를 생산하려면 촉매의 활성과 안정성이 뒷받침돼야 한다"며 "두 가지 조건을 동시에 만족하는 촉매 물질을 개발한 이번 연구는 메탄 건식 개질 상용화에 기여할 것"이라고 전망했다. 이번 연구는 포항공대 화학공학과 한정우 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 화학분야 세계적 권위지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 5월 7일일자로 온라인 공개돼 정식출판을 앞두고 있다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 UNIST 화학과 나명수 교수·백승빈 연구교수·김영삼 교수 공동연구팀은 수소 이온 전도성이 뛰어난 연료전지용(양성자 교환막 연료전지) 전해질막 소재를 개발했다. 이 소재는 일반 고분자 전해질 소재와 달리 금속과 유기물이 혼합된 금속-유기 골격체(MOF)로 이뤄졌다. 전해질의 수소 이온 전도도를 높이는 원리까지 밝혀내 향후 고성능 다공성 고체 전해질을 설계하는 데 도움이 될 전망이다. 7일 연구팀에 따르면 수소연료전지는 수소를 공기 중 산소와 화학반응 시켜 전기를 생산하는 장치다. 부산물로 물만 나오는 친환경 발전장치다. 2개의 전극과 두 전극 사이에서 수소 이온을 통과(수소 이온 전도)시키는 전해질막으로 이뤄졌다. 이 전해질막의 수소 이온 전도도는 화학반응 속도에 영향을 줘 연료전지 효율을 결정한다. 연구팀은 금속과 유기물이 결합해 다공성 골격구조체를 이루는 MOF로 60℃에서 10-2 S(지멘스)/cm 이상의 수소 이온 전도도를 지닌 전해질 소재를 개발해냈다. MOF의 한 종류인 MOF-808에 아미노술폰산이온을 첨가(손님분자)해 만들었다. MOF-808은 지르코늄 금속과 유기물이 결합한 MOF다. 특히 개발된 다공성 소재를 고온에서 열처리해 그렇지 않은 경우보다 30배 이상 높은 이온전도도를 기록했다. 열처리를 하게 되면 기공 내부의 산성도가 높아지면서 수소 이온이 효율적으로 이동하는 수소 결합 네트워크가 만들어지기 때문이다. 연구팀은 기공 내 산성도가 높아진 이유도 분석해냈다. 첨가된 손님분자인 아미노술폰산 이온이 수소 결합 네트워크를 만드는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 열처리하면 아미노술폰산 이온 1개에 금속 이온 2개가 결합하게 돼(배위수 변화) 산성도가 높아지는 원리다. 반면 열처리를 하지 않으면 아미노술폰산 이온 1개와 지르코늄 금속 이온 1개가 결합한다. 개발된 MOF-808 고체전해질은 황산과 같은 강산이 포함되지 않아 성능 저하 없이 장기간 쓸 수 있으며, 합성 또한 쉽다. 일반적으로 MOF 고체전해질을 이용해 수소이온 전도도를 10-2 S/cm 이상까지 높이기 위해서는 황산 같은 강한 산성 물질을 MOF 기공에 고정하거나(담지), MOF 구조를 구성하는 유기물 리간드에 쉽게 수소 이온을 내놓는 작용기를 끼워 넣는 방법이 많이 쓰인다. 하지만 이러한 방법은 강산에 의한 MOF 안정성 저하, 유기물 리간드 합성의 어려움 등이 있었다. 나명수 교수는 “고체전해질 내에서 수소 이온 이동 원리를 구체적으로 찾아냈다는 점에서 학술적 의의가 크다.”며 “새로운 MOF 기반 수소연료전지용 고체전해질을 설계하고 개발하는데 가이드라인을 제시할 수 있을 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 그 중요성을 인정받아 화학분야 권위학술지인 앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)에 표지 논문으로 선정돼 5월 17일자로 공개됐다. 연구수행은 한국연구재단이 주관하는 선도연구센터(SRC)와 창의도전연구기반지원사업의 지원으로 이뤄졌다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 전기전도도가 우수한 그래핀으로 만들어진 새로운 '메조(meso)다공성' 탄소가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 연구진은 그래핀 메조다공성 탄소가 차세대 에너지 생산 및 저장 장치의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것이라고 설명했다. 울산과학기술원(UNIST)은 화학과 주상훈 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 김진영 박사팀과의 공동연구를 통해 그래핀 튜브(탄소 나노튜브)가 규칙적 연결된 '그래핀 골격 메조다공성 탄소(OMGC)'를 합성하는 데 성공했다고 17일 밝혔다. 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 전망했다. 메조다공성 탄소는 기공 크기가 일정하고 균일하게 배열된 탄소 나노물질로 반응 표면적이 넓어 촉매로서 유리하지만 전기전도도가 낮다. 연구진은 전기전도도를 높이기 위해 '메조다공성 실리카'와 '몰리브데늄 카바이드'를 틀로 사용하는 '이중 주형법'을 고안했다. 제1저자인 백두산 화학공학과 박사과정 연구원은 "'몰리브데늄 카바이드'를 메조다공성 구조로 만들게 되면 겉에 그래핀 층이 여러 겹 생기고 이 상태에서 '몰리브데늄 카바이드'만 제거하면 그래핀 튜브로 이뤄진 메조다공성 탄소를 얻을 수 있다"고 설명했다. 이 물질과 루테늄을 함께 쓴 촉매는 상용 촉매(루테늄, 백금)보다 높은 성능을 보였다. 실제 상용화된 수소생산 장치에서도 우수한 성능을 보였다. 이 실험을 진행한 KIST 김진영 박사는 "차세대 수소생산 장치로 각광받고 있는 알칼리 고체막 물분해 장치의 성능 향상에 큰 전기를 마련한 연구"라고 전했다. 또한 이 소재는 에너지 저장장치로도 쓰일 가능성이 충분하다고 연구진은 설명했다. 에너지 저장장치 중 하나인 리튬이온 커패시터에서 그래핀 메조다공성 탄소는 기존 메조다공성 탄소 대비 우수한 에너지 저장 성능을 보였다. 이번 연구결과는 화학 분야 권위지인 '앙게반테 케미'에 12일자로 온라인 출판됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 79년 만에 합성된 유기 반도체 물질이 나와 눈길을 끌고 있다. 실리콘 반도체를 대신할 유기 반도체 연구에 속도가 붙을 전망이다.  UNIST는 박영석 이근식·신형준 교수 공동연구팀이 다환 방향족 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAHs)물질 중 하나인 익센(ixene) 분자를 최초로 합성하는데 성공했다고 26일 밝혔다. 탄소를 기반으로 하는 유기 반도체는 상용화된 실리콘 반도체 소재와 달리 유연하고 가공성이 우수해 플렉서블 소자(device)에 쓰일 수 있다. 대표적인 유기반도체 소재로는 탄소 원자가 여러 개의 육각형 고리모양을 이루고 있는 ‘다환 방향족 탄화수소’가 꼽힌다. 반도체 소재 내에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 필요한데 다환 방향 탄화수소는 분자 내부에 자유롭게 움직일 수 있는 전자(delocalized electron) 있기 때문이다. 이번에 공동 연구팀이 합성한 익센도 ‘다환 방향족 탄화수소’의 한 종류다. 1941년에 익센이라는 이름과 함께 이 분자의 구조가 제안됐지만, 당시 알려진 방법으로는 합성이 어려워 실제로 만들어지지는 못했다. 연구팀은 다이아세틸렌(diacetylene) 분자의 ‘고리화 반응’과 팔라듐 촉매을 사용한 ‘탄소-수소 아릴화 반응’을 이용해 익센을 합성하는데 성공했다.연구팀은 또 동일한 2단계 합성법을 이용해 유기 반도체 재료로 사용 가능한 ‘B2N2-ixene’ 분자를 만들고, 이 물질의 성질을 밝혔다. 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 도입해 익센 보다 ‘에너지 갭’(energy gap)이 좁은 ‘B2N2-ixene’를 합성했다. 실리콘에 질소와 붕소를 첨가해 상업화된 반도체 재료를 합성하듯, 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 첨가해 에너지 갭을 줄였다. 물질을 반도체 소재로 쓰려면 움직이는 전자의 ‘문턱’ 역할을 하는 ‘에너지 갭’의 폭을 제어하는 것이 매우 중요한데, 이번 연구에 사용된 합성법을 이용하면 에너지 갭을 정확하고 쉽게 줄일 수 있다. 박영석 교수는 “붕소와 질소를 동시에 도핑해 탄소-탄소(C-C) 결합 같은 등전자 구조(isoelectronic structure)를 갖으면서도 에너지 갭은 더 좁은 B2N2-ixene 분자를 합성했다”고 설명했다. 신형준·이근식 교수 연구팀은 실제 실험과 이론계산을 통해 B2N2-ixene 분자가 익센과 비교, 좁은 에너지 갭을 가진다는 것을 입증했다. 특히 자외선-가시광선 분광법을 이용해 B2N2-ixene이 익센보다 긴 파장대(λabs)의 빛을 흡수하는 것을 관찰했는데, 이는 B2N2-ixene 분자의 에너지 갭이 더 좁다는 것을 의미한다. 박영석 교수는 “익센이라는 새로운 물질을 현대 유기화학을 이용해 합성했다는 점뿐만 아니라 분자의 특정 위치에 원하는 물질을 정확하게 첨가해 물리적 성질을 제어하는 방식을 제안했다는 점에서 의의가 큰 연구”라고 설명했다. 이어 “이번 연구에 사용된 팔라듐촉매와 탄소-수소 아릴화 반응은 더 큰 분자 크기를 갖는 다환 방향족 탄화수소를 합성하는 전략으로도 응용 할 수 있을 것”이라고 기대했다. UNIST 자연과학부 최원영 교수팀과 에너지 및 화학공학부 강석주 교수팀이 참여한 이번 연구성과는 화학 분야에서 최고 권위지인 ‘앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 8월 24일자로 게재됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)이 추진하는 기본연구 및 기초연구실 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.  ulsan@fnnews.com 최수상 기자