울산과학기술대학교(총장 조무제) 에너지 및 화학공학부 백종범 교수 연구팀은 그래핀에 안티몬(Antimony)이라는 준금속을 도입해 전기화학적 촉매 특성을 극대화하는데 성공했다고 지난 26일 밝혔다

연구팀은 기계화학적 공정을 통해 안티몬을 그래핀에 입혀 세계 최초로 죽지 않는(Die-Hard) 연료전지 전극소재를 개발했으며 현재 덕양㈜에 기술이전을 완료하고 제품화가 진행 중에 있다고 설명했다.

기존의 연료전지는 백금을 촉매로 사용함에 따라 비싼 가격과 성능 면에서 많은 제약이 있어 최근 백금 촉매의 대안으로 탄소 원자가 벌집모양으로 연결된 얇은 막 형태의 나노 소재인 그래핀이 부각되고 있다.

그래핀은 탄소로만 구성된 중성적 특성을 갖고 있어 촉매로 이용할 경우 전기 화학적 활성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 이종원소(질소, 산소 등)를 도입해야 하는데 이종원소의 도입 자체가 어려울 뿐만 아니라 그래핀의 결정성이 손상돼 전기적 특성이 저하된다는 단점을 지니고 있다.

이에 백 교수 연구팀은 안티몬이 도입된 그래핀을 투과전자현미경으로 분석한 결과 안티몬이 그래핀 가장자리에만 선택적으로 붙어 있음을 확인했다.

또한 쇠사슬을 이용해 흑연을 얇게 깨뜨리는 기계화학적 공정으로 준금속인 안티몬을 그래핀 가장자리에 도입했고 결정성(전기적 특성)은 그대로 유지되며 쉽고 친환경적인 공정으로 이종원소를 도입했다는 설명이다.

아울러 전기화학적 활성이 우수하고 10만번 사용해도 처음과 동일한 촉매 활성을 유지해 높은 안정성을 보였고 연료전지의 촉매에 이를 적용할 경우 영구적으로 사용 가능하다는 의견이다.

그래핀을 연료전지의 촉매로 적용할 경우 기존 백금 촉매의 활성을 능가할 수 없으나 안티몬이 도입된 그래핀의 경우 활성과 안정성 모두 값비싼 백금 촉매를 능가했다는 결과를 제시했다.

백종범 교수는 “준금속인 안티몬을 그래핀에 도입해 기존연구에서 발견하지 못했던 새로운 특성을 가진 그래핀 제조가 가능해졌다”며 “그래핀이 다양한 분야로 상용화될 계기를 마련한 것”이라고 덧붙였다.

또한 그는 연구 기술이 포함된 그래핀 대량생산 기술은 덕양㈜에 이전되어 양산 준비 중이며 지역산업 발전에 국가산업용 원천소재 공급에 크게 기여할 것으로 기대한다고 밝혔다.

한편 이번 연구결과는 자연과학분야의 세계적 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 22일 게재됐다.