유룡 나노물질연구단장팀
고효율 촉매 등 활용 가능
고효율 촉매 등 활용 가능
국내 연구진이 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀의 성능을 뛰어넘는 3차원 그래핀 합성법 개발에 성공했다. 이 물질은 기존 2차원 그래핀의 높은 전기 전도성과 열전도도, 빛 투과율 등 장점을 그대로 살리면서 완벽한 입체 결정구조를 지녀 고효율 촉매, 고성능 배터리 음극제, 고효율 여과막 등에 폭넓게 쓰일 수 있을 전망이다.
기초과학연구원(IBS)은 유룡 나노물질및화학반응연구단장(KAIST 화학과 교수·사진)팀이 '제올라이트' 주형과 '란타늄' 촉매를 활용한 '나노주형합성법'으로 3차원 그래핀을 개발했다고 30일 밝혔다.
연구진은 실리콘과 알루미늄, 산소 원자가 규칙적인 결정구조를 이룬 광물인 제올라이트로 금속 틀을 만들었다. 제올라이트에는 직경 1㎚(나노미터) 이하의 미세한 구멍이 무수히 많이 뚫려있는데, 이 안에 탄소가 증착해 견고한 탄소 결정 구조물을 이룬다. 연구팀은 제올라이트 금속 틀에 희토류 원소인 란타늄 양이온을 촉매로 주입해 기공 안에서 탄소화합물이 연소할 수 있도록 탄화온도를 낮춘 것이 이번 연구의 핵심이라고 밝혔다.
연구진은 포항가속기연구소와 한국기초과학지원연구원의 도움을 받아 X선 회절 분석법으로 3차원 그래핀의 완벽한 탄소 결정구조를 확인했다. 또 3차원 그래핀을 기존 상업용 그래핀 전지의 음극재로 시험 적용, 기존 약 100㎃h의 정전용량을 약 300㎃h로 끌어올렸다. 특히 이번 연구는 주재료인 제올라이트가 1톤당 300달러 정도로 매우 저렴하고, 탄화반응 후 염산과 불산으로 제올라이트 주형을 녹여 제거하는 공정도 단순해 머지않아 양산으로 이어질 수 있을 전망이다.
유룡 단장은 "2차원 그래핀의 장점에 더해 넓은 반응면적과 다양한 응용이 가능한 나노 다공구조를 갖춘 3차원 그래핀은 응용 분야에서도 큰 관심을 끌 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 세계적인 과학 학술지 '네이처' 온라인판에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@
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