강정구 교수팀, 3가지 촉매반응에 효과적인 복합 구조체 개발
아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산 시스템 구현
기존 배터리 대비 5배 높은 에너지밀도…안정성 확보
![[대전=뉴시스] 복합 기능성 촉매소재(G-SHELL)을 활용한 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소생산 시스템 모식도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지](https://img1.newsis.com/2024/10/22/NISI20241022_0001682739_web.jpg?rnd=20241022134734)
[대전=뉴시스] 복합 기능성 촉매소재(G-SHELL)을 활용한 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소생산 시스템 모식도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지
[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 물분해 시스템을 활용해 화재위험 없는 자가발전형 수소 생산 기술을 확보했다.
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 강정구 교수팀이 우수한 성능의 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소 생산시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.
일차전지의 하나인 공기전지는 공기 중 산소를 흡수해 산화제로 사용하는 전지다. 수명이 긴 것이 장점이지만 기전력이 낮은 것이 단점으로 작용한다.
수소(H₂)는 고부가가치 물질합성의 원료로 기존 화석연료 대비 3배 이상 높은 에너지밀도를 지녀 청정연료로 주목받고 있으나 현재 수소 생산 방식 대부분 이산화탄소(CO₂)를 배출하는 문제가 있다.
또 온도, 날씨 등에 영향을 받는 태양전지, 풍력 등 신재생에너지를 동력원으로 물을 분해해 수소의 생산하고 있다.
이를 극복키 위해 물 분해를 통한 수소 생산에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있는 공기전지가 동력원으로 주목받고 있지만 이 때는 귀금속 촉매를 사용해야 하고 장시간 충·방전시 촉매소재의 성능이 급격히 저하되는 한계가 있다.
이에 따라 물 분해반응에 효과적인 촉매와 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응에 안정적인 물질의 개발이 중요하다.
이번 연구서 강 교수팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 사이즈의 금속-유기 골격체를 활용해 3가지 다른 촉매반응(산소 발생-수소 발생-산소 환원)에 모두 효과적인 비귀금속 촉매소재(G-SHELL) 합성법을 확보했다.
연구팀이 개발된 촉매물질을 공기전지의 공기극 물질로 구성해 시험한 결과, 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도(797Wh/㎏), 높은 출력 특성(275.8mW/㎠), 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동이 가능하다는게 확인됐다.
연구팀은 "산화 그래핀/금속-유기 골격체에서 기인한 그래핀 기반의 중공구조를 지닌 복합 기능성 촉매소재(G-SHELL)를 합성했다"며 "합성된 G-SHELL은 독특한 이종 접합구조에 의해 제어된 밴드구조 및 내부 전계효과로 인해 물 분해반응에 효과적인 촉매반응과 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응을 위한 촉매반응을 모두 만족할 수 있다"고 설명했다.
특히 아연-공기전지와 물분해 시스템은 수용성 전해질의 사용이 가능해 화재위험을 차단할 수 있고 안정적이고 균일한 수소생산이 가능하다.
KAIST 신소재공학과 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 융복합 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난달 17일 게재됐다.(논문명: Trifunctional Graphene-Sandwiched Heterojunction-Embedded Layered Lattice Electrocatalyst for High Performance in Zn-Air Battery-Driven Water Splitting)
강 교수는 "낮은 온도, 간단한 방법으로 3가지 다른 전기화학 촉매반응에서 높은 활성도와 수명을 지닌 촉매소재를 개발했다"며 "이번에 구현된 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산시스템은 현재 그린수소 생산의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라고 말했다.
◎공감언론 뉴시스 [email protected]
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 강정구 교수팀이 우수한 성능의 아연-공기전지 기반의 자가발전형 수소 생산시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.
일차전지의 하나인 공기전지는 공기 중 산소를 흡수해 산화제로 사용하는 전지다. 수명이 긴 것이 장점이지만 기전력이 낮은 것이 단점으로 작용한다.
수소(H₂)는 고부가가치 물질합성의 원료로 기존 화석연료 대비 3배 이상 높은 에너지밀도를 지녀 청정연료로 주목받고 있으나 현재 수소 생산 방식 대부분 이산화탄소(CO₂)를 배출하는 문제가 있다.
또 온도, 날씨 등에 영향을 받는 태양전지, 풍력 등 신재생에너지를 동력원으로 물을 분해해 수소의 생산하고 있다.
이를 극복키 위해 물 분해를 통한 수소 생산에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있는 공기전지가 동력원으로 주목받고 있지만 이 때는 귀금속 촉매를 사용해야 하고 장시간 충·방전시 촉매소재의 성능이 급격히 저하되는 한계가 있다.
이에 따라 물 분해반응에 효과적인 촉매와 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응에 안정적인 물질의 개발이 중요하다.
이번 연구서 강 교수팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 사이즈의 금속-유기 골격체를 활용해 3가지 다른 촉매반응(산소 발생-수소 발생-산소 환원)에 모두 효과적인 비귀금속 촉매소재(G-SHELL) 합성법을 확보했다.
연구팀이 개발된 촉매물질을 공기전지의 공기극 물질로 구성해 시험한 결과, 기존 배터리 대비 약 5배 높은 에너지밀도(797Wh/㎏), 높은 출력 특성(275.8mW/㎠), 반복적인 충·방전 조건에서도 장시간 안정적인 구동이 가능하다는게 확인됐다.
연구팀은 "산화 그래핀/금속-유기 골격체에서 기인한 그래핀 기반의 중공구조를 지닌 복합 기능성 촉매소재(G-SHELL)를 합성했다"며 "합성된 G-SHELL은 독특한 이종 접합구조에 의해 제어된 밴드구조 및 내부 전계효과로 인해 물 분해반응에 효과적인 촉매반응과 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응을 위한 촉매반응을 모두 만족할 수 있다"고 설명했다.
특히 아연-공기전지와 물분해 시스템은 수용성 전해질의 사용이 가능해 화재위험을 차단할 수 있고 안정적이고 균일한 수소생산이 가능하다.
KAIST 신소재공학과 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 융복합 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난달 17일 게재됐다.(논문명: Trifunctional Graphene-Sandwiched Heterojunction-Embedded Layered Lattice Electrocatalyst for High Performance in Zn-Air Battery-Driven Water Splitting)
강 교수는 "낮은 온도, 간단한 방법으로 3가지 다른 전기화학 촉매반응에서 높은 활성도와 수명을 지닌 촉매소재를 개발했다"며 "이번에 구현된 아연-공기전지 기반 자가발전형 수소 생산시스템은 현재 그린수소 생산의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라고 말했다.
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