준금속을 입힌 그래핀 촉매 세계 최초 실현, 뛰어난 전력과 안전성 확보

국내 연구팀이 기계화학적 공정을 통해 준금속*(안티몬)을 그래핀에 입혀 세계 최초로 죽지 않는(die-hard) 연료전지 전극소재를 개발하였다. 현재 기업에 기술이전을 완료하여 제품화가 진행 중이다.  
 
   * 준금속(metalloid): 금속과 비금속의 중간 성질을 가진 화학 원소
 
울산과학기술대학교(UNIST) 백종범 교수(주 교신저자), 김건태 교수, 정후영 교수, 박노정 교수가 주도하고 전인엽 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 기초연구사업(중견 및 리더연구자지원)으로 수행되었고, 세계적인 자연과학분야 권위지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 5월 22일자에 게재되었다.
     (논문명 : Antimony-Doped Graphene Nanoplatelets)

친환경 발전장치, 수소 자동차 등 그린 산업 성장의 핵심은 고성능 연료전지이다. 연료전지는 촉매를 이용하여 연료(수소, 알콜, 석유 등)와 산소 간 화학반응으로 전기 에너지를 생산하는 장치로, 기존에는 주로 백금을 촉매로 사용함에 따라 비싼 가격과 성능 면에서 많은 제약이 있었다. 최근 백금 촉매의 대안으로 꿈의 소재 그래핀*이 부각되고 있다. 
  
* 그래핀 : 탄소 원자가 벌집모양으로 연결된 얇은 막 형태의 나노 소재로, 뛰어난 물리적·전기적·화학적 성질을 지님

그래핀은 탄소로만 구성된 중성적 특성을 갖고 있어 촉매로 이용할 경우 전기 화학적 활성이 낮아*, 이종원소를 도입해 활성을 높여야한다. 현재의 기술로는 금속이 아닌 원소(질소, 인, 황 등)를 도입하는 것이 가능하나, 이 원소들이 그래핀의 결정을 손상시켜 타고난 우수성을 잃게 하는 문제가 있었다.
  
* 그래핀은 동종의 탄소로만 이루어져 있어 분극현상(전지의 양극이 생기는 현상)이 없는 중성이기에 이종원소를 도입하여 분극현상을 유도해야 촉매 활성을 높일 수 있음
 
울산과학기술대학교(UNIST) 연구팀은 기계화학적 공정(볼밀링)을 통하여 최초로 준금속 중 하나인 안티몬(antimony)을 그래핀의 가장자리에만 선택적으로 입혀, 전기화학적 활성도를 극대화하는 연료전지용 소재를 개발하는 데에 성공했다. 비금속의 한계를 넘어선 것이다.

동 성과로 그래핀의 결정을 손상하지 않으면서 계속 사용해도 안정적이고 우수한 산소환원용 촉매*의 특성을 발현시킬 수 있었다.
   
* 산소환원용 촉매 : 연료전지 양극촉매로 산소분자(O=O)를 산소원자(O)로 분해하는 역할

백종범 교수는 “동 성과로 준금속인 안티몬을 그래핀에 쉽게 도입할 수 있게 되어 완전히 새로운 특성을 가진 그래핀의 제조가 가능해져, 보다 다양한 분야로 상용화될 수 있는 가능성을 열었다.”며, “이 기술이 포함된 그래핀 대량생산 기술은 지역 덕양(주)에 이전되어 양산 준비 중으로, 지역산업 발전과 국가산업용 원천소재 공급에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

아울러, 이번 성과로 지난 `15. 4월 미래창조과학부와 산업통상자원부가 공동으로 수립한 ‘그래핀 사업화 촉진기술 로드맵’의 그래핀 응용제품의 전략적 조기 상용화에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대한다.