UNIST 백종범 교수가 주도하고 전인엽, 최현정 박사과정생 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구), 중견연구자지원사업 및 WCU사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 1월 30일자에 게재되었다.
백 교수 연구팀은 쇠구슬을 이용하여 흑연을 고속분쇄함으로써 흑연이 주위물질과 반응하면서 수소 등이 가장자리에 부착되어 활성화된 그래핀(EFGnPs, Edge-selectively functionalized graphene nanoplates)이 만들어지는 공정을 개발해냈다(ball-milling법). 비교적 간단한 기계화학적인 방법을 통해 복잡하고 유독한 기존 산화환원방식의 단점을 극복해 낸 것이다.
기존 산화환원방식의 경우 흑연을 강산과 강한 부식성 산화제를 이용해 산화시킨 후 초음파로 분쇄하여 이를 다시 환원시키는 등 공정이 복잡하고 유독했다.
나아가 연구팀은 이렇게 만들어진 그래핀이 백금촉매를 대체할 만한 우수한 산소환원 능력과 안정성을 가짐을 확인했다. 활성화된 그래핀을 연료전지에 적용한 결과 산소환원력은 백금과 비슷하고 안정성은 훨씬 뛰어난 것(백금: 12% 성능감소 EFGnPs 0.7% 성능감소)으로 나타났다.
또한, 연구팀이 개발한 가장자리가 선택적으로 기능화된 그래핀을 산소환원전극 재료로 사용할 경우 연료전지셀 비용을 크게 절감(백금: 1억원/Kg, EFGnPs: 1만원/Kg) 할 수 있을 것이라는 설명이다.
백 교수는 “다양한 기능기를 가진 그래핀을 값싸게 대량생산할 수 있게 되어 높은 효율과 안정성을 보여주는 그래핀 촉매의 개발이 가능해짐에 따라 연료전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다”며 “수소연료전지차 대당 필요한 백금 촉매 70~90g을 이번에 개발한 그래핀 촉매로 대체할 경우 가공비를 포함해 대당 천만원 이상의 제조원가를 절감할 것으로 예상된다”고 말했다.
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