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전북대학교 유동진 교수팀, 미래에너지 저장/변환 장치용 촉매 개발

기사승인 2021.10.18  14:16:54

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[일간전북 = 이혜숙 기자]

근래에 에너지수요증가, 화석연료부족, 환경오염 및 기후문제로 인해 세계 과학자들은 탄소중립의 핵심인 미래에너지를 위해 고효율과 고내구성을 갖는 에너지 변환/저장 장치에 대한 관심이 급격히 고조되고 있다.

이러한 에너지변환/저장장치 구축을 위해 저렴한 비용, 뛰어난 내구성 및 높은 활성을 갖는 코어-쉘구조의 다공성탄소 나노시트기반 전기촉매 개발은 떠오르는 연구주제 중 하나다.

전북대학교 유동진 교수팀(생명과학과/에너지저장·변환공학과)은 최근 세계적인 연구개발의 기조에 발맞추어 에너지저장과 에너지변환장치 응용연구를 위한 고성능 및 고내구성을 갖는 전극촉매의 연이은 개발로 세계학계의 주목을 받고 있다.

대학원 에너지저장·변환공학과(BK21 FOUR) 라마크리샨 산무간 박사 등에 의해 수행된 이번 연구는 전기촉매연구 분야에서 세계상위 1% 학술지에 해당하는 Applied Catalysis B: Environmental (IF=19.503, Rank=0.94%)의 온라인판 최신호에 게재되었다. 오프라인에는 2022년 1월에 최종 게재된다.

이번 연구는 물분해와 금속-공기전지를 위한 효과적인 전기촉매로 다공성탄소 나노시트를 갖는 코어-쉘 금속산화물의 합성을 위한 새로운 합성경로를 개발하였는데, 이 결과물을 활용한 물분해장치는 효과적으로 그린수소를 생산하며, 아연-공기전지는 높은 에너지효율과 우수한 장시간구동 안정성으로 인해 재충전이 가능한 에너지저장기술에서 유망한 차세대전지 장치 중의 하나로 입증되었다.

이번 연구는 다양한 온도에서 손쉬운 용매열합성법(solvothermal method)과 하소과정(calcination route)을 통해서, 고다공성 N-도핑탄소 나노시트 위에 코어쉘 니켈-철산화물이 있는 몇 종의 나노구조 (CS-NFO@PNC)들을 성공적으로 합성하였는데, 이들 중에서 최적화된 CS-NFO@PNC-700 나노구조물은 반쪽전지(half cell) 반응에 대해 우수한 내구성을 갖으면서 ORR(0.85 V vs RHE), OER(ƞ10=217 mV), HER(ƞ10=200 mV)에서 매우 뛰어난 전기촉매활성을 보였다.

이러한 우수한 ORR 및 OER 전기촉매성능을 기반으로 CS-NFO@PNC-700을 음극으로 사용하여 충전식 액체전해질기반 아연-공기전지를 제작했으며, 이는 180시간 이상의 우수한 내구성을 갖으면서 217 mA cm-2의 전류밀도에서 130 mW cm-2의 향상된 전력밀도를 보였다.

CS-NFO@PNC-700 공기음극을 갖는 충전 가능한 유연한 준고체 아연-공기전지는 5 mA cm-2에서 40시간 이상 장기간 작동하는 등 이의 지속 가능성이 제고되었다.

본 연구를 총괄하고 있는 유동진 교수는 “본 연구는 에너지저장 및 변환 응용, 그 중에서 특히 금속-공기전지, 연료전지, 물분해장치를 위한 고내구성과 높은 활성을 갖는 새로운 비귀금속 전극촉매 개발이라는 전극촉매 소재에 대한 패러다임의 전환으로, 이번 연구는 글로벌 이슈인 2050 탄소중립 실현에 기여할 것”이라고 말했다.

유동진 교수는 지난 5년 동안 산업통상자원부(KETEP)의 연료전지시스템 전주기R&D 고급트랙사업을 수행하였으며, 현재 교육부(BK21 FOUR)의 수소에너지 융복합기술 혁신인재사업, 한국연구재단(NRF)의 중견연구자지원사업, 그리고 산업통상자원부(KETEP)의 차세대전지 소재부품응용기술 혁신연구센터 1단계 사업을 총괄하고 있다.

이혜숙 기자 jb@jbkns.com

<저작권자 © 일간전북 무단전재 및 재배포금지>
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