화학공학소재연구정보센터
  • 수소 방출 및 슈퍼 커패시터 전극 재료 구조 디자인과 메커니즘 연구등록일 : 2015/12/01
  • 화학석유 에너지가 점차 소모됨에 따라 신 에너지 및 에너지 저장 부품의 개발 이용이 이슈가 되고 있다. 그 중 신형 수소 에너지와 슈퍼 커패시터는 2개 활약적인 연구 분야로 부상하고 있다. 수소는 일종 효율적이고 깨끗한 연료에 속한다. 전기 분해 물 방출 수소는 온실 가스를 생성시키지 않으며 환경을 오염시키지 않기 때문에 수소를 제조하는 이상적인 방식에 속한다.

    슈퍼 커패시터는 일종 신형 에너지 저장 부품에 속하며 우수한 충전 및 방전 수명과 하이 파워 밀도를 보유하고 있기 때문에 전통 화학 배터리를 부분적으로 혹은 전체적으로 대체할 수 있을 것으로 전망된다. 다양한 나노 재료(예를 들면, 전이 금속 화합물, 헤테로 원자 수정의 복잡한 탄소 재료)는 수소 생성 혹은 슈퍼 커패시터 전극으로서 우수한 전기화학 성능을 나타내고 있다. 하지만 현재 복잡한 제조 공법과 엄격한 구조 조정 제어는 한층 더 폭넓은 응용에 큰 영향을 끼치고 있는 상황이다.

    중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 산하 ‘조합기술 및 신 재료 연구팀’은 최근 관련 연구를 통해 신형 전극 재료의 구조에 대한 조정 제어, 성능 최적화 및 메커니즘 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

    연구팀은 저렴한 원료를 전구체로 이용하고 고체 위상 방법을 이용하여 전기 촉매로 수소를 생성시키는 우수한 성능을 보유한 탄소 코팅 Mo2C 초 미세 나노 입자를 합성하는데 성공하였다(그림 1. 참조).

    초 미세 Mo2 입자의 높은 비표면적은 활성 재료 표면의 반응 위치 점을 증가시키는데 유리한 동시에 흑연 층의 높은 전도성은 전자의 전송을 대폭 추진하고 수소 방출 반응의 과전압을 뚜렷이 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

    이런 신형 수소 생성 촉매는 상용화 촉매인 Pt(20wt%)/C 성능에 접근할 뿐만 아니라 안정성이 우수하며(그림 2. 참조), 제조 방법이 간단하고, 원가가 저렴한 특징을 보유하고 있기 때문에 기타 탄소 코팅 탄소화물(W2C, VC 등) 나노 입자 제조 및 응용에 보급되고 있는 상황이다.

    연구팀의 관련 연구 성과는 Angew. Chem. Int. Ed. 학술지에 게재되었다(DOI: 10.1002/anie.201506727). 동 학술지 편집인은 이번 연구 성과에 “연구팀이 개발한 비 귀금속 방출 수소 촉매는 독특한 구조, 우수한 촉매 활성과 안정성을 보유하고 있기 때문에 가격이 높은 Pt/C 상용화 촉매를 대체하게 될 것”이라고 높이 평가하였다.

    그 외, 연구팀은 미국 워싱턴 대학 차오궈중(曹國忠) 교수와 공동 연구를 실행하고 졸-겔 방법(Sol-gel method)을 이용하여 우수한 슈퍼 커패시터 성능을 보유한 황 헤테로 원자 수정의 탄소 에어로젤 전극 재료를 개발하였으며 최초로 황 유도 탄소 재료 흑연화 과정 메커니즘을 해석하는데 성공하였다.

    연구팀이 개발한 전극 재료의 비교 정전 용량 수치는 유기 전해액 시스템 속에서 120.4F/g 수준에 달하는 동시에 2,000회에 달하는 충전 및 방전 순환 과정을 거친 후 여전히 94% 이상의 비교 정전 용량 수치를 유지하고 있는 것으로 나타났으며 우수한 순환 안정성을 보유하고 있는 것으로 나타났다(그림 3. 참조).

    연구팀의 관련 연구 성과는 Nano Energy 학술지에 게재되었다(2015, 12, 567). 동 학술지 편집인은 “연구팀은 최초로 황 유도 흑연화를 통해 탄소 재료 비교 정전 용량 수치를 개선하는 현상을 발견함으로써 고 성능 유기 시스템 슈퍼 커패시터 개발을 위해 중요한 과학 근거를 제공하였으며 현실적으로 중요한 의미를 보유한 성과를 취득하였다”고 높이 평가하였다.

    이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 중국과학원의 ‘백인계획(百人計劃)’ 프로그램 비용, 상하이시(上海市) 과학기술위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.

    그림 1. Mo2C@C 합성 표시도 및 관련 생성물 사진임.

    그림 2. Mo2C@C의 형태 및 전기 촉매 생성 수소 성능을 표시함.

    그림 3. 황 수정 탄소 에어로젤 전극 재료의 슈퍼 커패시터 성능을 표시함.
  • 키워드 : 수소 방출, 슈퍼 커패시터, 전극 재료
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑