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한국에너지기술연구원, 화학분야 다운로드 TOP 100 우수논문 선정
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한국에너지기술연구원, 화학분야 다운로드 TOP 100 우수논문 선정
  • 황지혜 기자
  • 승인 2020.05.08 10:00
  • 댓글 0
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MOF/ZnCr-LDH 광촉매 개발과 이를 이용한 물분해 수소 생산

한국에너지기술연구원 에너지소재연구실은 MOF(금속-유기 구조체)와 다양한 재료를 하이브리드하여 물분해에 의한 수소 생산용 광촉매 소재 및 슈퍼커패시터용 전극 소재를 개발해 연구결과가 Nature 자매지인 Scientific Reports에 게재됐다.

또한 최근 2019년도 한 해 동안 화학분야에서 가장 많이 다운로드 된 TOP 100 이내 우수논문으로 선정됐다.

물을 분해하여 수소를 생산하는 연구는 미래에너지원 확보차원에서 매우 중요하며, 무한한 에너지원인 태양광으로부터 친환경적으로 수소를 생산하는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 현재 기술로는 태양광의 5%에 해당하는 자외선 영역의 파장만을 사용하여 수소를 생산하기 때문에 효율이 매우 낮아 에너지 밀도가 가장 높은 가시광 영역에서 작동하는 광촉매의 개발이 매우 필요하다.

본 연구에서는 3차원 Ti-MOF와 2차원 ZnCr-LDH 나노시트를 결합하여 세계 최초로 수소생산을 위한 신규 가시광 활성 광촉매를 개발했다. 기존 Ti-MOF 광촉매는 활성이 낮아 값비싼 백금과 같은 귀금속을 결합시켜 사용하는데, 본 연구에서는 값싼 2차원 ZnCr-LDH 나노시트를 Ti-MOF에 결합시켜 기존 Ti-MOF 광촉매 대비 수소발생 효율을 약 3배 증가시켰다.

3차원 Ti-MOF와 2차원 ZnCr-LDH 나노시트의 뛰어난 광촉매 성능은 두 소재의 적절한 밴드갭(band gap) 위치와 전자결합에 의해 규명했다. 즉, 가시광이 Ti-MOF의 전자를 Zn-LDH 전도밴드로 전이시키고 Zn-LDH에서 발생한 전공은 Ti-MOF로 이동하여 전자와 정공의 수명을 증가시켜 광촉매 성능이 획기적으로 향상됐다.

슈퍼커패시터는 높은 출력밀도, 빠른 충방전 속도 및 긴 수명의 장점을 가져 낮은 에너지밀도의 단점을 개선하여 차세대 에너지저장장치로 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 함께, 빠르고 안정적인 산화환원 반응 및 저렴한 가격의 전극소재 개발이 매우 필요하다.

본 연구에서는 쉽게 구할 수 있고 저렴한 왕겨(rice husk)와 높은 다공성과 규칙적인 금속 구조를 가진 MOF를 하이브리드하여 슈퍼커패시터용 전극물질을 개발했다. 또한, 두 개의 다른 금속(Co/Mn)을 가진 MOF를 탄화된 왕겨의 채널 내부에서 실시간으로 성장시켜 MOF 하이브리드 탄화체 제조 가능성을 처음으로 증명했다.

MOF가 담지된 왕겨를 열처리하여, psedocapacitive 나노재료로서 왕겨 채널 내부에 CoMn2O4, Co 및 MnO의 혼합물이 하이브리드된 탄화체를 합성했다. 이때, 왕겨에 담지된 MOF의 결정크기를 제어하여 슈퍼커패시터의 전기화학적 용량을 변화시킬 수 있다. 따라서, 바이오매스 탄화체와 잘 조립된 MOF의 최적 결합으로 고성능의 에너지저장용 신규 전극재료 개발이 가능함을 증명했다.

본 연구는 영국 옥스퍼드대 화학과 John Foord 교수와 국제공동연구로 수행했으며 한국에너지기술연구원 주요사업, 한국연구재단 신진연구자 프로그램 및 글로벌프론티어 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행됐다.


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