인하대, 수전해 시 실시간 모니터링 원천기술로 그래핀의 자가치유현상 규명

-전기준 교수 연구팀, 그래핀의 역할 규명한 실시간 모니터링 기술 개발

-고효율 전극 개발을 위한 수전해 기술 향상시킬 것으로 기대

-나노과학 분야 최고 권위지 ‘에이씨에스 나노’1월호에 논문 게재

인하대학교(총장 조명우)는 환경공학과 전기준 교수가 이끄는 친환경에너지연구실(FEET Lab)이 수전해 시 활용되는 그래핀의 자가치유현상을 실시간 모니터링 원천기술로 규명했다고 2일 밝혔다. 연구논문은 우수성을 인정받아 나노과학 분야 최고 권위지인 ‘에이씨에스 나노(ACS NANO)’(IF=15.88) 2022년 1월호에 게재됐다.

전기준 교수와 정상민 박사(제1저자)는 단일층 그래핀을 스테인리스스틸에 균일하게 증착시켜 이를 수전해 시 사용되는 전기촉매의 지지체에 응용했다. 그리고 수전해 반응을 실시간 현장 모니터링 기술을 이용해 분석함으로써 그래핀의 자가치유현상을 확인했다.

얇은 탄소원자 층으로 구성된 단일층 그래핀은 전기전도성, 열전도성이 우수해 전기를 이용하는 다양한 응용 분야에 활용되는 소재다. 그래핀은 일반적으로 구리기판을 활용해 만드는데, 이 경우 표면에 쉽게 산화막이 형성되는 문제가 있다. 그래핀을 분리하는 과정에서 그래핀이 빠지거나 불순물이 생겨 불량한 그래핀이 만들어질 가능성도 크다.

연구팀은 이러한 문제점을 개선하기 위해 스테인리스스틸 기판에 단일층 그래핀을 합성시켰다. 그리고 스테인리스스틸의 우수한 내구성과 내식성을 활용해 1웨이트퍼센트(wt%) 미만의 백금을 활용한 백금-니켈산화물 촉매를 설계함으로써 수전해 시 전기 효율과 전극 안정성을 모두 개선했다.

인-시투(In-situ) 라만(Raman) 분석을 통해 그래핀의 새로운 움직임도 밝혀냈다. 수전해 반응 시 산화환원반응에 의해 산화된 그래핀이 본래의 그래핀으로 바뀌면서 그래핀이 손상되지 않고 오히려 자가치유되는 현상을 확인한 것이다. 전기 효율성도 높게 유지됐다.

이번 연구로 수전해 시 주연 역할을 하는 전기촉매뿐 아니라 조연인 지지체의 특성도 수전해 효율성 증대에 중요하게 작용한다는 것이 밝혀졌다. 또한 그래핀을 선택적으로 활용함으로써 새로운 지지체 소재를 발견할 가능성을 높였다. 상용되는 백금계 촉매의 최대 단점인 높은 비용과 낮은 내구성을 보완하는 방안으로도 활용될 수 있다.

전기준 교수는 “자기치유현상을 띄는 단일층 그래핀의 주요 역할을 규명할 새로운 원천분석기술을 제시했다”며 “이번 연구는 수전해 기술의 상용화를 위해 고효율 전극 개발에 응용될 수 있다는 데 큰 의미가 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 나노소재원천기술 개발사업, 기초연구사업 및 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원을 받았으며, 금오공과대학교 박철민 교수와 공동연구로 수행됐다.