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2019-12 16

[학술][이달의 연구자] 김종호 교수, 다기능성 나노 촉매 개발로 환경문제 해결의 길 열다

김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 다기능성 나노 촉매 PdO@WO₃(PdO on WO₃)와 해당 물질의 합성법을 개발했다. 기존 학계에 보고된 사례가 없는 PdO@WO₃는 광촉매뿐만 아니라 전기화학 촉매의 역할도 효과적으로 수행한다. ▲김종호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 광촉매/전기화학 촉매 기능을 하는 PdO@WO₃ 합성법과 해당 소재를 개발했다. 김 교수가 개발한 PdO@WO₃은 촉매 특성을 가진 PdO 나노 클러스터를 얇은 산화텅스텐(WO₃) 반도체 막에 도입한 형태다. 이렇게 개발한 나노소재는 빛에너지를 화학에너지로 변환시키는 광촉매 역할을 수행하며 탄소-탄소 결합반응을 효과적으로 촉진한다. 해당 소재는 음극 반응 중 하나인 산소 환원 반응을 활성화하는 전기화학 촉매 기능도 가지고 있다. PdO@WO₃는 여러 분야의 환경문제를 해결할 것으로 전망된다. 항암제를 비롯한 의약품을 만들 때 탄소-탄소 결합(두 벤젠 고리의 연결 등)이 필수적이다. 이때 팔라듐(Pd)의 광촉매 작용이 필요하다. 기존 방식은 용액에 팔라듐을 균일 혼합물로 섞어 화학반응을 유도하기 때문에 회수가 거의 불가능했다. 반면 김 교수가 개발한 소재를 이용할 경우 불균일 혼합물이 돼 온전한 회수가 가능하다. 회수된 나노 소재는 여러 번 재사용해도 촉매 활성을 유지했다. 팔라듐은 금보다 비싼 희귀광물 중 하나로, 나노 소재의 재사용 가능성이 의약품 단가를 크게 낮출 것으로 기대된다. 광물 채굴은 환경파괴의 한 종류로 팔라듐 소재의 재사용은 환경문제도 해소한다. 현재 전기 자동차에 사용되는 리튬이온 전지는 낮은 효율과 폭발 위험성을 가지고 있다. 이 때문에 차세대 배터리로 금속-공기 전지가 각광받고 있다. PdO@WO₃를 음극 전기화학 촉매로 사용해 만든 아연-공기 전지는 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 높고 폭발성은 없다. 해당 기술이 상용화된다면 내연 기관 자동차를 대체할 전기차 개발이 수월해질 것으로 기대된다. ▲a)PdO@WO₃ 나노 소재를 광촉매로 사용해 진행된 탄소-탄소 결합반응에 대한 모식도. b) PdO@ WO₃ 나노 소재를 전기화학촉매로 이용해 진행된 산소 환원 반응(ORR) 결과. (김종호 교수 제공) 이번 연구(논문명 'Ultrathin WO3 Nanosheets Converted from Metallic WS2 Sheets by Spontaneous Formation and Deposition of PdO Nanoclusters for Visible Light-Driven C-C Coupling Reactions')는 실험 실패를 통한 발견으로 이뤄졌다. 김 교수는 본래 도체성 WS₂ nano sheet로부터 반도체성 WS₂ nano sheet를 만드는 실험을 진행했지만, 의도와 다른 물질인 WO₃가 계속 생성됐다. 그는 해당 물질을 분석하고 여러 실험을 이어간 결과 다기능성 소재인 PdO@WO₃를 발견했다. 이후 김 교수는 합성 원리를 규명하고 촉매 소재로 응용해냈다. 김 교수는 “실패라고 생각했던 결과로부터 새로운 과학적 사실을 발견했다”며 “우리 학생들도 실패를 두려워하는 대신 그 속에서 새로운 배움을 발견하길 바란다”고 전했다. 이번 연구는 원래 의도한 실험의 실패로 1년, PdO@WO₃의 분석과 규명으로 2년이라는 긴 시간이 소요됐다. 김 교수의 연구실(클릭 시 이동)은 지속 가능하고 친환경적인 나노 촉매 소재 개발을 진행해오고 있다. 김 교수는 이번 연구를 통해 '다기능성 PdO@WO₃ 합성법 및 광촉매/전기화학촉매 응용 기술'에 대한 원천 특허를 확보했고 광촉매 연구를 학술지에 발표했다. 김 교수는 PdO@WO₃를 금속-공기 전지에 응용한 연구 결과를 국제 학술지에 투고할 예정이다. 글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr 사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr

2019-01 14

[학술][우수 R&D] 선양국 교수(에너지공학과)

‘GET-Future(겟 퓨처)’는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP)이 진행하는 차세대 전지 연구인력 양성 사업이다. 이 프로그램은 우수한 연구 인력을 양성하고, 앞으로 이차전지가 필수인 국제 상황에 적합한 에너지 기술 상용화 연구 단계를 밟는다. “현재 실험 중인 전지를 지속해서 발전시킨 뒤, 실제 상용화를 위한 세계 최고 연구실 구축과 전문인력 확보가 목표”라는 선양국 교수(에너지공학과)를 만나 자세한 사업 방향과 연구 기술의 다양한 활용 형태를 물었다. Get future, 미래 동력을 얻어라 한국 이차전지 산업의 역사는 짧다. 이차전지 산업의 급속한 성장을 이룩한 한국은 다른 전지 사업 선진국에 비해 전문인력 공급과 개발 지원이 부족하다. 이미 오래전부터 ‘리튬-이온 전지’를 뛰어넘는 차세대 이차전지 개발을 진행해 온 미국과 캐나다, 일본, 프랑스 등은 개발한 전지의 상용화를 위한 본격적인 사업에 착수했다. 그러나 차세대 이차전지인 ‘리튬-설퍼 전지’, ‘리튬-공기 전지’, ‘나트륨-이온 전지’는 아직 실용화 단계에서 여러 문제점에 부딪힌 상태다. 이 세 가지 이차전지는 더 많은 연구를 거쳐 최소 오는 2020년까지 실용화될 예정이다. ▲ 세계 배터리 시장 전망과 제품별 연간 매출액 추이 및 전망. (xEV: 전기자동차, ESS: 신재생에너지, IT: 정보통신) (선양국 교수 제공) 시장조사기관SNE리서치와 IBK투자증권에 의하면 전체 배터리 시장은 오는 2025년까지 연평균 27% 증가할 것으로 예상된다. 세계 각국은 리튬-이온 전지의 기술적 한계를 예상해 전지의 성능을 높이고자 노력 중이다. 개발도상국을 포함한 전 세계 195개국의 환경규제 강화와 많은 국가의 내연기관차 판매중단 계획 발표도 한 몫했다. 세계 시장은 급격히 팽창하고 있는데, 국내 기업의 시장 점유율은 아직 낮다. 이에 선양국 교수와 연구팀은 ‘포타슘-이온 전지’ 개발과 함께 이를 뛰어넘는 차세대 전지 개발 및 실제 상용화를 위한 ‘GET-Future’ 사업을 시작했다. ▲선양국 교수(에너지공학과)는 새롭게 개발 중인 차세대 이차전지가 적어도 향후 20년은 사용될 것이라고 말했다. 소형 전지 에너지부터 신재생 에너지까지 납축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지를 거쳐 새로운 결합으로 개발 중인 차세대 이차전지(리튬-설퍼 전지, 리튬-공기 전지, 나트륨-이온 전지)는 리튬-이온 전지 대비 최소 3배에서 최대 10배의 에너지 밀도를 구현한다. 선 교수는 중대형 이차전지 핵심소재의 원천 기술을 개발하고 국내 친환경 에너지 산업의 국제 경쟁력 확보에 기여할 예정이다. 그는 “차세대 이차전지는 기존 소형 전지부터 중대형 전지까지 모두 고성능으로 적용할 수 있고 나아가 친환경 에너지 보급에 기여할 수 있다”며 “휴대폰, 전기차, 신재생에너지와 4차 산업혁명과 관련된 분야까지 적용 가능하다”고 덧붙였다. 가장 크게 전기차 기술의 대외 의존도를 낮출 것으로 기대된다. 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 및 전기차의 상용화가 가능해져 향후 전개될 친환경 자동차 시장에서 경쟁력을 갖춘다. 자동차뿐 아니라 다양한 전동 기구의 ESS(에너지저장시스템)을 대신할 수 있어 부가가치가 높은 상품의 개발도 쉬워진다. 차세대 산업과 같이 성장할 인력을 또, GET-Future(겟 퓨처)사업은 기술 개발과 더불어 전문 인력 양성도 목표로 한다. 사업을 통해 소형 리튬 이차전지부터 중대형 전력 저장 장치 및 전기자동차용 전지 분야까지 고급 인력 확보에 힘쓴다. 신재생에너지에도 응용 가능해 에너지 관련 모든 업체로 인력 배출이 가능하다. ▲연구실 내에서 선양국 교수(에너지공학과)와 함께 연구팀이 포즈를 취하고 있다. 그는 “이번 사업을 통해 차세대 전지 분야 기술 특허와 국제 경쟁력을 갖출뿐더러, 앞으로 발전의 폭이 큰 이차전지 분야에서 전문성을 갖춘 연구 인력을 확보하겠다”고 말하며 “산학연 연계뿐 아니라 국제적 교류를 통해서도 경쟁력을 갖출 것”이라고 덧붙였다. 앞으로 선 교수와 에너지공학과 연구팀의 차세대 전지 기술 연구 사업이 세계를 선도하는 경쟁력을 확보하길 기대한다. 글/ 김민지 기자 melon852@hanyang.ac.kr 사진/ 강초현 기자 guschrkd@hanyang.ac.kr