황과 질소가 도핑된 기능성 그래핀 저비용 합성법 개발

 -고성능, 저비용의 이차전지 및 연료전지 제조 기대-

□ 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 신희섭) 나노입자 연구단의 성영은 그룹리더(서울대 교수) 연구팀이 저비용 고효율의 황과 질소가 도핑(doping)1)된 그래핀 합성 기술을 개발하고, 이를 이차전지 및 연료전지2)에 적용하여 고성능의 전극을 저비용으로 제조할 수 있다고 밝혔다.

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

 o 이번 성과는 황과 질소가 도핑된 그래핀을 대량 생산할 수 있는 친환경적이며 경제적인 공정을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있고, 특히 이차전지의 성능 향상과 연료전지의 비용 문제를 동시 해결 가능하다는 점에서 기대를 모으고 있다.

□ 꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전도성, 유연성, 내구성 등 탁월한 물리적 성질을 가지며 여기에 질소, 황 등 헤테로원자3)를 더하면 탄소 소재의 화학적 성질을 개선할 수 있다. 도핑 그래핀은 전기화학 촉매나 배터리의 전극재료로 우수한 성능을 나타낸다.

 o 그러나, 기존에 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성하는 방법은 값 비싼 금속 촉매와 특수한 장비를 사용하거나 공정이 복잡하여 대량생산이 어려웠다.

□ 연구진은 흔히 쓰는 시약인 가성소다(NaOH)4)와 헤테로원자가 함유된 유기용매를 사용하여 용매열합성법5)으로 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성한 다음 리튬이온전지6) 전극에 적용하여 성능을 실험했다.

 o 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.

 o 또, 지금까지 리튬이온전지에 사용되어온 탄소(흑연)의 이론용량7)에 비해 더 높은 용량을 보였고 충전․방전 실험에서도 용량퇴화가 없는 높은 안정성을 갖는다는 사실을 확인했다.

 o 연료전지의 환원극8)에 적용하였을 때도 값비싼 백금 촉매에 버금가는 성능을 보여 우수한 대체 소재로서 가능성을 제시했다. 백금은 고유의 화학적·전기적 우수성 때문에 환원극 촉매로 각광받아왔으나 비싼 가격, 한정된 매장량이 상용화의 걸림돌이 되어왔다.

□ 이 연구 성과는 세계적인 과학저널 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports, IF 2.927) 7월 10일자에 온라인 게재됐다.

o  성영은 IBS 나노입자 연구단 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수)와 박원철 서울대 융합과학기술대학원 교수가 연구를 주도했고, 미래부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

* (논문제목) 단일 전구체의 용매열반응을 이용한 헤테로원자 도핑 그래핀의 합성 및 에너지 저장과 전환에의 응용 (Single Source Precursor-based Solvothermal Synthesis of Heteroatom-doped Graphene and Its Energy Storage and Conversion Applications)

* (제1저자) 서울대학교 권파 (Bo Quan)

* (교신저자) IBS 나노입자 연구단 성영은 그룹리더(서울대 교수), 서울대학교 융합과학기술대학원 박원철 교수

□ 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.