높은 비표면적 갖는 산화 및 환원 그래핀 개발

[산업일보]
국내 연구진이 환원그래핀(그래핀의 환원된 형태)의 비표면적을 증가시키는 제조기술을 개발했다. 전해질 이온이 달라붙는 전극물질의 비표면적이 넓을수록 더 많은 전기를 저장할 수 있어 슈퍼커패시터 개발 등에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

성균관대학교 화학과 이효영 교수 연구팀 윤여흥 박사과정 연구원(제1저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 소재분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 6월 21일자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Anti Solvent Derived Non Stacked Reduced Graphene Oxide for High Performance Supercapacitor)

전극물질의 비표면적이 넓을수록 충전 시 더 많은 전해질 이온을 저장할 수 있어 고효율 에너지 저장장치 등과 관련해 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 기존에는 전극물질의 비표면적 한계를 극복하기 위해 첨가제나 수산화칼륨 등을 사용해 불순물로 작용할 우려가 있었다.

연구팀은 얇은 종이 같은 산화그래핀에 구김을 만들어 표면적을 넓힌 후 열처리함으로써 높은 비표면적의 환원그래핀을 제조하는 데 성공했으며, 첨가제 없이 그래핀의 비표면적을 증가시킨 것은 이번이 처음이라는 점에서 주목할 만하다. 기공 부피 역시 기존 탄소물질에 비해 늘어났다.

헥산과 같은 무극성 용매에 산화그래핀을 넣으면 분산되지 않고 서로 뭉쳐 종잇장처럼 구겨지면서 표면적이 증가하는 원리로, 기존의 헥산 같은 무극성 용매가 아닌 극성을 띠는 용매를 사용해 산화그래핀을 분산시키려는 방식이라는 점에서 차별화된다. 이렇게 만들어진 환원그래핀의 비표면적은 기존에 비해 2배 높았고(1,435m2/g) 기공부피는 1.6배 큰 것(4.11cm3/g)으로 나타나 리튬이온 전지보다 높은 출력을 낼 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 실제 개발된 환원그래핀을 슈퍼커패시터에 적용한 결과 1만5,000번 이상의 충․방전에도 성능이 유지되는 등 차세대 자동차 배터리로서의 응용가능성을 나타냈다.

이효영 교수는 “극성을 띠지 않는 반용매(Anti-solvent)를 이용해 만든 높은 비표면적을 갖는 환원그래핀은 차세대 에너지 저장장치 전극 및 촉매물질로 유망할 것”이라고 밝혔다.