서울대학교 화학생물공학부 환경재료 및 공정연구 실은 1993년 설립 이후로 60여명의 석박사를 배출하 여, 학계/연구소/산업계로의 우수한 인력을 배출하였 고, 현재 20명의 석박사 재학생으로 구성되어 나노소 재를 제조하여 다양한 친환경적인 미래 산업으로의 응용연구를 수행하고 있다. 주요 연구분야는 차세대 에너지 저장 시스템의 개발, 인공광합성 모방을 통한 광촉매 개발, 나노촉매를 이용한 바이오화합물 제조 및 공정개발의 세 분야로서, 나노기술(NT)과 환경기
술(ET)이 융합된 친환경 미래 에너지산업의 분야를 모두 다루고 있다. 나노재료를 제어하는 기술로서, 생 체모사를 통한 3차원 전극 물질의 개발, 나노패터닝 기술, 무기 도핑 기술, 3차원 중형기공 탄소/산화물 제 조 기술, 전자 제어/측정 촉매제조 기술 등 나노물질 을 설계, 제어하고 응용하는 연구에 역점을 두고 있다.
차세대 ESS 구현을 위한 시스템 아키텍쳐링 에너지 저장 시스템의 나노수준 제어
(Environmental Materials & Process Lab.)
- 국가지정연구실, WCU 사업단, http://ecel.snu.ac.kr -
이종협
서울대학교 화학생물공학부, [email protected]
생체모사를 통한 3차원 전극 활물질 합성
전극 재료를 나노 수준에서 제어하는 방식은 에너 지 저장 장치의 내구성을 높이고 출력 특성을 향상시 키는 필수요소이다. 더불어 다차원 구조의 전극 재료 설계는 기존의 무질서한 구조의 전극에 비해 높은 전 기 전도성 및 물질 전달 속도를 확보할 수 있게 해주 어 주목을 받고 있다. 정밀한 미세 구조로 구획화 된 전극을 이용하면 높은 실제 용량과 안정적인 물리적 특성을 갖기에 실제 산업에서 요구되는 크기로의 scale up과 경제성 있는 제조 과정이 요구된다. 우리 연구실은 이를 실현하기 위해 다양한 전략을 개발하 였다. 먼저, 바이오 폴리머를 통한 생체구조모사를 통 한 3차원, binary 전극을 설계하고 제작하였다. 한천 (agarose gel)은 우뭇가사리로 알려진 생물로부터 유 래한 바이오 폴리머로 양갱, 푸딩 등의 식품재료로 일 상생활에서도 쉽게 접할 수 있으며, 서로 연결된 3차 원 다공성 구조를 지니고 있다. 이를 이용한 뇌산호 (brain coral) 형태의 전극물질은 넓은 접촉면적, 활물 질과 집전체 사이의 전하전달을 용이하게 하는 강한 표면결합 및 낮은 이온저항의 장점을 갖는다. 제조된 초고용량 커패시터 전극은 초고속의 충방전속도 (~1,000 V s-1)에서도 안정적인 성능특성을 나타내 었다.
다음으로는 바이오 폴리머와 전기화학 증착법을 이 용해 전극 구조를 설계하였다. 연구진은 전하를 띤 분 자가 바이오 폴리머 내의 전기장 안에서 제한된 거동 을 한다는 것에 착안하여 3차원 구조를 지닌 이방성 결정구조의 Co3O4 array를 제조하였다. 제작된 3D
Co3O4array는 150회의 충방전 후에도 이론용량 (890 mA h g-1)에 가까운 성능을 유지하였다. 그 외에도 그래핀과 금속산화물간의 새로운 하이브리드 기법, 금속산화물과 기공성 탄소체 하이브리드, 환경 폐기 물을 활용한 미세구조 전극 물질 등의 연구가 진행되 고 있다.
투명하고 휘어지는 에너지 저장 시스템 개발
Percolation 효과를 무시할 수 있는 투명하고 휘어 지는 전고상 에너지 저장 장치에 관한 원천기술을 세 계최초로 개발하였다. 투명하면서도 휘어지는 특성은 차세대 전자기기의 핵심이 될 것으로 생각되며, 적합 한 특성을 갖는 에너지 저장 매체를 개발하는 것은 이 를 위한 마지막 과제이다. 기존에 보고된 투명 에너지 저장 장치들은 전지의 두께를 얇게 하여 투과도를 조 절하기 때문에 필연적으로 percolation 현상으로 인한 성능 저하를 필연적으로 수반하였으며 이는 투명한 에너지 저장 매체의 원천적 한계로 여겨지는 실정이 었다. 이를 해결하기 위하여, micrometer 단위로 구획 화된 깍지 낀 형태의 전극을 이용하는 에너지 저장 장 치를 개발하였다. 이러한 형태의 에너지 저장 장치는 구획과 구획 사이의 거리를 이용하여 투과도를 조절 하므로 원천적으로 percolation 현상을 차단한다. 또한 하나의 기판에 음극과 양극을 동시에 삽입하므로 기 기의 안정성이 높아 높은 수준의 탄성 특성을 갖는다.
깍지 낀 형태의 전극을 제조하기 위하여 photo lithography 방식과 electro-deposition 방식을 순차적 전기화학 증착법을 통한 3차원 기공구조의 전극 합성 원리 및 전극 활물질의 모습
으로 이용하였다. 이 방식은 대면적의 균일한 형태를 갖는 구획화된 전극을 제작할 수 있는 가장 효과적인 방식 중 하나이다. 제작된 기기는 기존의 투명 에너지 저장 장치에 비해 약 5~10배의 전기화학적 성능 (Capacitance, 405 F/g)을 나타내었으며, 높은 휘어 짐(Bending radius, 1.5 mm) 하에서도 이러한 전기 화학적 특성을 유지하였다.
인공광합성 모방을 통한 광촉매 개발
최근 녹색식물의 광합성작용을 모방하여 필요한 에 너지와 물질을 생산하는 인공광합성 기술이 주목을 받고 있다. 인공 광합성에 필요한 원료인 이산화탄소 와 물, 태양에너지는 지구상에 매우 풍부하기 때문에 경제적 효과도 기대할 수 있다. 자연계 녹색식물에서 일어나는 광합성 명반응을 모방하여, 순수 무기반도 체 물질의 조합으로 인공광합성을 구현할 수가 있다.
자연계에서는 태양빛을 받아서 광화학계 II에서 물을 산화하고 광화학계 I에서는 수소를 환원시킴과 동시 에 암반응(CO2로부터 포도당 합성)의 에너지원으로 사용되는 NADPH와 ATP를 합성한다. 본 연구실에 서는 이를 모방하여 물로부터 수소를 발생하는 반응 에 응용하였다. 지금까지 인공광합성 연구에는 빛의 세기가 큰 자외선을 사용했으나 이 연구는 태양빛을 효율적으로 사용하기 위하여 에너지 세기가 낮은 가 시광선에서 반응이 뛰어난 두 광촉매(황화카드뮴, 탄 소도핑 이산화티탄)를 나노크기(10억분의 1미터)로
조합해 인공광합성 나노시스템을 구현하였다. 우선, 가시광선에서도 전자를 잘 받아들일 수 있는 특성이 뛰어난 탄소도핑(첨가) 이산화티탄(TiO1.96O0.04)이라 는 새로운 물질을 나노크기로 합성하였다. 또한 가시 광선에서 자유전자를 쉽게 제공하는 특성이 우수한 황화카드뮴(CdS)을 나노크기로 분산시켰다. 이후 두 물질 사이에 금 나노입자를 도입해 전자가 원활히 전 달되도록 했다. 마치 농구공 위에 반쪽자리 삶은 계란 을 많이 붙여놓은 듯한 이 물질을 사용해 고체기반 생 Interdigited 정밀 회로 특성을 이용한 전고상 투명전극 제작
자연계 식물광합성과 이를 모방한 인공광합성의 메커니즘
합성된 CdS/Au/TiO1.96O0.04나노입자의 전자현미경 사진
체모방형 인공광합성이 가능한 나노입자를 합성하였 다. 본 연구실에서 합성한 인공광합성 나노입자는 기 존의 연구성과에 비해 5배 이상 많은 양의 수소를 생 산하였다(2.9 mmol g-1h-1).이 연구는 식물 광합성을 모방한 신개념 광촉매 기술을 통해 물에서 수소를 생 산하는 신재생 에너지 분야에도 적용되는 의미 있는 성과이며, 향후 식물의 광합성을 고체 상태에서도 완 벽하게 모방한 인공광합성 구현을 가능하게 해 청정 수소에너지 기반 산업에 기여할 수 있을 것으로 기대 된다.
나노 촉매를 이용한 바이오유래 화합물 제조 3차원 중형기공성 탄소/산화물 나노물질 제조 및 응용
실리카 및 제올라이트 등과 같은 미세기공을 갖는 담체와 촉매는 높은 표면적을 갖기 때문에 다양한 분 야에 적용되어 왔다. 하지만 이들은 반응초기 높은 활 성을 보이지만 코크침적으로 인하여 빠르게 비활성화 되고 또한 분자크기가 큰 바이오매스유래 물질의 접 근성이 좋지 않아 상업적인 활용 가능성이 낮다. 우리 연구팀에서는 바이오매스유래 화합물인 글리세롤을 아크롤레인으로 효율적이며 안정적으로 전환시키는 중형기공의 금속산화물 산촉매를 개발하였다. 산의 종류를 조절하여 부반응을 줄이고 코크의 생성을 억 제시켜 높은 아크롤레인 선택성과 안정성을 도모하였 다. 또한 기공크기가 크기 때문에 코크 침적에도 기공
이 완전히 막히지 않아 높은 안정성을 보였다. 제조된 촉매는 높은 촉매적활성과 안정성을 나타내기 때문에 글리세롤의 탈수반응뿐만 아니라 석유화학공정이나 다양한 바이오매스유래물질 전환반응에 적용 가능성 이 매우 높다.
한편, 1세대 바이오매스와 달리 식용가능하지 않은 2세대 바이오매스 물질 중 가장 풍부한 자원으로 손 꼽히는 것은 바로 셀룰로오스이다. 셀룰로오스는 결 정성이 매우 뛰어나며 상대적으로 큰 분자량을 갖기 때문에, 기존의 석유화학공정에서 사용되던 촉매들은 셀룰로오스의 전환에 효과적인 성능을 나타내지 못하 고 있다. 본 연구실에서는 셀룰로오스로부터 솔비톨 을 생산하는 나노 촉매 물질로 중형기공성 탄소인 Carbon Nano-Echinometra Mathae(CNE)를 개발 중형기공을 갖는 금속산화물 산촉매와 도식
합성된 CNE나노입자의 전자현미경 사진
하였다. CNE는 풍부한 oxygen group을 가지고 있는 카본 담체로, 셀룰로오스가 촉매 표면에 흡착하는 데 에 상당한 도움을 주는 것으로 관찰되었으며, 그 결과 높은 솔비톨 수율을 얻을 수 있었다. 이러한 3차원의 중형기공성 탄소는 셀룰로오스 전환뿐만 아니라 바이 오매스 유래 화합물 제조에 널리 응용될 수 있다는 점 에서 앞으로가 더욱 기대되는 물질이다.
전자의 제어: 새로운 나노촉매로의 전환기술 기존의 나노 촉매 반응 기술에서는 서로 다른 나 노 입자 촉매 간의 반응 활성 차이 확인을 위해 생성 물의 수율을 비교하거나 다입자 촉매 상에서 cyclic voltammetry(CV) 또는 in-situ IR을 통해 특성을 비 교하는 방법을 주로 다뤄왔다. 하지만 나노입자 제조 시 모든 입자가 균일하게 제어된 모양과 크기를 가지 는 것은 어려우므로 정밀한 촉매간의 성능 비교가 어 렵다고 볼 수 있다. 따라서 우리 연구실에서는 단일입 자에서 촉매 반응을 관찰하여 반응 도중에 일어나는 전자 이동 경로 및 속도를 관찰하였다. 금 나노 입자는 표면 플라스몬 특성으로 인해 공명 주파수의 빛을 매 우 강하게 산란하므로 암시야 현미경 상에서 매우 선 명하게 관찰된다. 이러한 특성을 이용하여 low-index facet으로 이루어진 나노 막대기 모양의 금 나노 입자
와 high-index facet으로 이루어진 tetrahexahedral (THH) 금 나노 입자의 4-nitrophenol의 환원반응을 암시야 현미경으로 산란 피크를 추적하여 전자 이동 속도를 정량화 하였다. 위와 같은 기술을 이용하면 다 양한 형태와 크기의 나노 촉매로부터 기인하는 촉매 반응성을 정확하게 이해할 수 있으며 나아가 반응 도 중의 전자 이동을 제어할 수 있는 방법을 제시할 수 있을 것이라 기대된다.
주요연구실적
그 동안 본 연구실은 280편의 SCI 논문 게재와 50 건 이상의 국내외 주요 특허실적을 가지고 있다. 특히, Angewandte Chemie, Journal of the American Chemical Society, ACS Nano 등 유명 국제 학술지 에 다수 논문을 게재하고 있다. 이러한 연구 업적과 기초과학 연구의 가능성을 인정받아 본 연구실은 2011년 WCU 에너지환경화학융합 연구사업단으로 선정되어 재정지원을 받고 있으며, 차세대 ESS로서 의 이차전지, 연료전지, 광촉매를 통한 수소생산 등의 친환경 에너지원 개발에 주력하고 있다. 또한 환경부, 지식경제부로부터 장기간 재정지원을 받아 바이오매 스 유래 화합물의 촉매공정개발을 통한 바이오에너지 리파이너리 연구에 매진하고 있다.
암시야 현미경을 통한 촉매 반응의 전자 이동 실시간 관찰
