물분해에 의한 수소생산 광촉매 및 슈퍼커패시터 전극 소재
Scientific Reports에 게재...지난해 다운로드 'TOP 100' 기록
[에너지신문] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지소재연구실이 MOF(금속-유기 구조체)와 다양한 재료를 하이브리드, 물분해에 의한 수소 생산용 광촉매 소재 및 슈퍼커패시터용 전극 소재를 개발했다.
이 두 연구결과는 Nature 자매지인 Scientific Reports에 게재됐으며 지난해 화학분야에서 가장 많이 다운로드 된 'TOP 100' 이내 우수논문으로 선정됐다.
■ MOF/ZnCr-LDH 광촉매 개발과 이를 이용한 물분해 수소 생산
물을 분해, 수소를 생산하는 연구는 미래에너지원 확보차원에서 매우 중요하다. 무한한 에너지원인 태양광으로부터 친환경적으로 수소를 생산하는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
현재 기술로는 태양광의 5%에 해당하는 자외선 영역의 파장만을 사용, 수소를 생산하기 때문에 효율이 매우 낮아 에너지 밀도가 가장 높은 가시광 영역에서 작동하는 광촉매의 개발이 필요하다.
이 연구에서는 3차원 Ti-MOF와 2차원 ZnCr-LDH 나노시트를 결합, 세계 최초로 수소생산을 위한 신규 가시광 활성 광촉매를 개발했다.
기존 Ti-MOF 광촉매는 활성이 낮아 값비싼 백금과 같은 귀금속을 결합시켜 사용하는데, 연구를 통해 값싼 2차원 ZnCr-LDH 나노시트를 Ti-MOF에 결합시켜 기존 Ti-MOF 광촉매 대비 수소발생 효율을 약 3배 증가시켰다.
3차원 Ti-MOF와 2차원 ZnCr-LDH 나노시트의 뛰어난 광촉매 성능은 두 소재의 적절한 밴드갭(band gap) 위치와 전자결합에 의해 규명했다. 즉 가시광이 Ti-MOF의 전자를 Zn-LDH 전도밴드로 전이시키고 Zn-LDH에서 발생한 전공은 Ti-MOF로 이동, 전자와 정공의 수명을 증가시켜 광촉매 성능이 획기적으로 향상됐다.
■ MOF/왕겨를 이용한 슈퍼커패시터용 전극 개발
슈퍼커패시터는 높은 출력밀도, 빠른 충방전 속도 및 긴 수명의 장점을 가져 낮은 에너지밀도의 단점을 개선, 차세대 에너지저장장치로 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 함께 빠르고 안정적인 산화환원 반응 및 저렴한 가격의 전극소재 개발이 매우 필요하다.
이번 연구에서는 쉽게 구할 수 있고 저렴한 왕겨(rice husk)와 높은 다공성과 규칙적인 금속 구조를 가진 MOF를 하이브리드, 슈퍼커패시터용 전극물질을 개발했다. 또한 두 개의 다른 금속(Co/Mn)을 가진 MOF를 탄화된 왕겨의 채널 내부에서 실시간으로 성장시켜 MOF 하이브리드 탄화체 제조 가능성을 처음으로 증명했다.
MOF가 담지된 왕겨를 열처리, psedocapacitive 나노재료로서 왕겨 채널 내부에 CoMn2O4, Co 및 MnO의 혼합물이 하이브리드된 탄화체를 합성했다. 이때 왕겨에 담지된 MOF의 결정크기를 제어, 슈퍼커패시터의 전기화학적 용량을 변화시킬 수 있다.
따라서 바이오매스 탄화체와 잘 조립된 MOF의 최적 결합으로 고성능의 에너지저장용 신규 전극재료 개발이 가능함을 증명했다는 게 연구팀의 설명이다. 본 연구는 영국 옥스퍼드대 화학과 John Foord 교수와 국제공동연구로 수행했다.
에너지소재연구실은 혁신적인 에너지소재 개발연구를 수행하며 특히, MOF를 이용한 촉매개발, 수소생산 및 에너지저장 응용에서 선두적인 연구를 수행하고 있다.
한편 본 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업, 한국연구재단 신진연구자 프로그램 및 글로벌프론티어 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.