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저비용·고성능 '황·질소-그래핀 합성법' 개발

용매열합성으로 헤테로원자 더한 그래핀 생산…출력 '우수' 공정도 '간단'
황과 질소가 도핑된 그래핀의 리튬이온전지 음극으로서의 성능평가. 용매열합성법으로 합성한 그래핀 모두 안정하고, 기존의 흑연(372 mAh/g) 보다 높은 용량(500-600 mAh/g)을 발현하는 것을 알 수 있다. 특히, 황과 질소가 도핑된 그래핀이 더 높은 쿨롱(Coulombic) 효율을 나타내는 것을 알 수 있다. <사진=기초과학연구원 제공>

IBS(기초과학연구원. 원장대행 신희섭)는 서영은 나노입자 연구팀이 저비용 고효율의 황과 질소가 도핑(doping)된 그래핀 합성 기술 '용매열합성법'을 개발했다고 10일 밝혔다. 

서영은 서울대 교수 <사진 = 기초과학연구원 제공>
꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 전도성, 유연성, 내구성 등 탁월한 물리적 성질을 갖는다. 여기에 질소, 황 등 헤테로원자(탄소와 수소 이외 원소의 원자)를 더하면 탄소 소재의 화학적 성질을 개선할 수 있지만, 값 비싼 금속 촉매와 특수한 장비를 사용해야해 대량생산이 어려웠다. 

이에 연구진은 흔히 쓰는 시약 가성소다와 헤테로원자가 함유된 유기용매를 기존보다 낮은 300℃의 온도에서 화학반응을 일으켜 그래핀을 합성했다. 그 결과 연구진이 개발한 도핑 그래핀은 황과 질소의 도핑 함유량이 높으며 비표면적이 넓은 장점을 갖게 됐으며 리튬이온전지의 전극 물질에 적용했을 때, 리튬이온이 이동하는 거리를 단축시킬 수 있어 출력이 우수했다. 공정이 간단한 만큼 비용도 획기적으로 낮췄다.

이 도핑 그래핀을 리튬이온전지에 적용한 결과, 지금까지 리튬이온전지에 사용된 탄소의 최대용량에 비해 더 높은 용량을 보였으며 충·방전 실험에서도 용량퇴화가 없는 높은 안전성을 확인했다.  

서 교수는 "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.

이 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 사이언티픽 리포트에 7월 10일자 온라인판으로 게제됐다 

황과 질소가 도핑된 그래핀의 연료전지 촉매로의 성능평가. 황과 질소 도핑 그래핀은 우수한 산소환원반응 활성을 보이고, 특히, 기존의 백금촉매와 유사한 활성시작점(on-set potential)을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 4전자 반응의 선택성을 보여 전해질 및 전극의 안정성에 영향을 줄 것으로 기대된다.<사진=기초과학연구원 제공>

 
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