그래핀 메조다공성 탄소 합성.. 수소생산 성능향상

그래핀 튜브가 규칙적으로 이어진 메조다공성 구조 구현
에너지 변환·저장 장치 적용 가능한 탄소 나노물질

메조다공성 흑연질 탄소 골격 구조

[아시아경제 황준호 기자] 전기전도도가 우수한 그래핀으로 만들어진 새로운 메조(meso)다공성 탄소가 개발됐다. 이 물질은 전기전도도가 높아, 차세대 수소 생산법이나 에너지 저장 장치 개발을 앞당기는데 기여할 것으로 예상된다.

주상훈 울산과학기술원 화학과 교수와 김진영 한국과학기술연구원 박사의 공동 연구팀은 그래핀 튜브(탄소 나노튜브)가 규칙적 연결된 '그래핀 골격 메조다공성 탄소'를 합성하는데 성공했다. 연구 결과는 화학 분야 학술지인 앙게반테 케미에 최근 실렸다.

그래핀 골격 메조다공성 탄소 합성

메조다공성 탄소는 기공 크기가 일정하고 균일하게 배열된 탄소 나노물질이다. 반응 표면적이 넓어 촉매로 쓰기 좋다. 그러나 전기전도도가 낮다는 단점이 있다. 물로 수소를 만드는 물 전기 분해 시스템이나, 수소로 전기를 만드는 연료전지 촉매로 쓰이려면 물질의 전기전도도가 높아야 한다.

연구팀은 메조다공성 실리카와 몰리브데늄 카바이드를 틀(주형)로 사용하는 이중 주형법을 고안해 이같은 한계를 극복한 그래핀 골격 메조다공성 탄소를 개발했다. 제1저자인 백두산 화학공학과 박사과정 연구원은 "몰리브데늄 카바이드를 메조다공성 구조로 만들게 되면 겉에 그래핀 층이 여러 겹 생긴다"며 "이 상태에서 몰리브데늄 카바이드만 제거하면 그래핀 튜브로 이뤄진 메조다공성 탄소를 얻을 수 있다"고 설명했다.

촉매나 에너지 저장장치 소재로 사용 가능

메모다공성 흑연질 탄소 골격의 성능

이 물질과 루테늄을 함께 쓴 촉매는 상용 촉매 (루테늄, 백금)보다 높은 성능을 보였다. 실제 상용화된 수소생산 장치에서도 우수한 성능을 보였다. 이 실험을 진행한 한국과학기술연구원 김진영 박사는 "차세대 수소생산 장치로 각광받고 있는 알칼리 고체막 물분해 장치의 성능 향상에 큰 전기를 마련한 연구"라고 전했다.

연구팀을 이 소재를 에너지 저장장치로 사용할 수 있다고 밝혔다. 에너지 저장장치 중 하나인 리튬이온 커패시터에서 그래핀 메조다공성 탄소는 기존 메조다공성 탄소 대비 우수한 에너지 저장 성능을 보였다.

주상훈 교수는 "새롭게 개발한 소재는 메조다공성 탄소, 그래핀, 탄소 나노튜브의 장점을 결합한 물질"이라며 "에너지 변환장치용 촉매 또는 촉매 지지체, 에너지 저장장치, CO2 흡착제, 오염물질 흡착제 등에 다양하게 응용될 것"이라고 기대했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr