국내 연구진이 반응성이 낮은 질소를 직접 그래핀에 고정하는 방식으로 그래핀 대량생산공정 기술을 개발했다.
UNIST 친환경에너지공학부 백종범, 박노정 교수 연구팀(이하 백 교수팀)이 그 주인공이다.
값싼 흑연과 공기 중 질소를 이용해 원하는 기능의 그래핀을 대량으로 생산하기 위해서는 질소의 낮은 반응성을 극복하는 것이 관건이었다. 흑연도 반응성이 낮아 두 물질을 직접 결합시킨 예는 없었다.
기존에 증기증착이나 산화흑연을 이용해 질소나 붕소 등을 그래핀에 고정하려는 시도는 있었지만 고정이 어렵고 유독물질이나 비싼 중금속을 사용하는 등 한계가 있었다.
백 교수팀은 10기압의 질소가스를 채운 밀폐용기에서 흑연 분쇄 과정의 활성탄소를 질소와 직접 반응시키는 방법으로 질소 고정 그래핀을 생산하는 데 성공했다.
질소 고정 그래핀은 탄소로만 이뤄진 그래핀보다 촉매 역할을 더 효과적으로 수행할 수 있다. 따라서 연료전지 및 염료감응 태양전지 등에 활용가치가 높을 것으로 예상된다.
개발 공정 또한 유독물질을 사용하지 않아 친환경적이고 그래핀 구조의 손상 우려도 적다.
생산된 그래핀을 연료전지에 적용한 결과 촉매 활성과 전기화학적 안정성 모두 백금촉매보다 뛰어난 것으로 나타났다.
연료전지에 100회 사용 실험에서 백금촉매 성능은 4.5% 감소했지만 질소 고정 그래핀 촉매는 0.4%에 그쳤다. 염료감응 태양전지에 적용한 경우에도 에너지변환효율이 높고 수명이 길어졌다.
수소연료전지 자동차 1대에 필요한 백금 촉매 70~90g을 질소 고정 그래핀 촉매로 대체하면 가공비를 포함해 대당 1000만원 이상의 제조비용을 절감할 수 있을 것으로 예상된다.
백종범 교수는 “탄소 기반 염료감응 태양전지는 일반적으로 에너지변환 효율이 낮다”며 “질소 고정 그래핀을 이용하면 백금 기반 염료감응 태양전지 효율을 뛰어넘을 수 있다”고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
