국내 연구진이 반응성이 낮은 질소가스를 직접 그래핀에 고정한 그래핀 대량생산공정을 개발했다.
 
UNIST(울산과학기술대학교) 친환경에너지공학부 백종범, 박노정 교수와 캐이스웨스턴리저브 대학교 리밍 다이 교수가 주도하고 전인엽, 최현정, 고려대학교 주명종 연구원 등이 주저자로 참여한 연구진이 반응성이 낮은 질소가스를 직접 그래핀에 고정한 그래핀 대량생산공정을 개발했다고 24일 밝혔다.
 
이번 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지 7월 23일 자 온라인판에 게재됐다.
 
기존 증기증착이나 산화흑연을 이용하는 방법으로 질소나 붕소 등을 그래핀에 고정하려는 시도가 있었지만 고정이 어렵고 유독물질이나 비싼 중금속을 사용하는 등 한계가 있었다.
 
연구팀은 10기압의 질소가스가 채워진 밀폐용기에서 흑연을 분쇄할 때 만들어지는 활성탄소가 질소와 직접 반응하도록 해 질소가 고정된 그래핀을 생산할 수 있는 간단한 공정을 개발했다.
 
질소가 고정된 그래핀은 탄소로만 이뤄진 그래핀보다 촉매 역할을 더 효과적으로 수행할 수 있어 연료전지와 염료감응 태양전지 등에 활용가치가 높다.
 
개발된 공정은 유독물질을 사용하지 않아 친환경적이며 그래핀 구조가 손상될 우려가 적은 것이 장점이다.
 
크기가 큰 흑연을 분쇄하면 탄소 간 결합이 끊어지면서 가장자리에 생성된 활성탄소가 주변의 질소와 반응하면서 자발적으로 5각형과 6각형의 고리를 만들면서 질소가 고정된다.
 
생산된 그래핀을 연료전지에 적용한 결과 촉매활성과 전기화학적 안정성 모두 백금촉매보다 뛰어난 것으로 나타났다.
 
연료전지에 100회 사용 시 백금촉매 성능이 4.5% 감소한데 반해 질소가 고정된 그래핀 촉매의 경우 성능 감소가 0.4%에 그쳤다.
 
염료감응 태양전지에 적용한 경우에도 백금을 사용하는 것보다 에너지변환효율이 높고 사용수명도 길어졌다.
 
탄소를 기반으로 하는 염료감응 태양전지는 일반적으로 에너지변환 효율이 낮지만 질소가 고정된 그래핀을 이용하는 경우 백금 기반의 염료감응 태양전지의 효율을 뛰어넘을 수 있다는 설명이다.
 
백 교수는 "수소연료전지 자동차 한 대에 필요한 백금 촉매 70∼90g을 이번에 개발한 질소가 고정된 그래핀 촉매로 대체할 경우 가공비를 포함해 대당 1000만원 이상의 제조비용을 절감할 것으로 예상한다"고 말했다.  허종학 기자