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'산화그라핀'에 해당되는 글 1

  1. 2012.02.28 수소를 낮은 압력으로 저장하는 기술

수소는 미래 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 청정에너지원으로, 한국을 비롯해 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있습니다.

특히 주요 선진국들은 충분한 양의 수소를 작고 가벼운 저장장치에 담을 수 있는 기술을 연구 중입니다.

현재 관련 기술은 수소를 고압으로 압축하여 저장하는 방식이 주류를 이루고 있는데, 여전히 부피가 크고 사고 위험도 높기 때문에 낮은 압력에서도 효율적으로 수소를 저장하는 기술이 필요합니다.

낮은 압력 저장 방법의 하나로 현재 활발히 진행되고 있는 분야가 나노 크기 물질 사이에 수소 분자를 물리적으로 흡착시켜 저장하는 기술입니다.

이 경우 층간 간격을 어느 정도 유지할 때 저장 효율을 가장 높일 수 있는지가 핵심과제입니다.

□ 한국기초과학지원연구 김해진 박사팀이 수소 저장 재료의 층간물질 간격조절을 통해 수소 저장능력 향상시키는 실증실험에 성공했습니다.


김 박사팀은 산화그라핀(graphene oxide)의 층간 간격 조절을 통하여 0.6nm~0.65nm의 층간 간격에서 수소 저장 효율이 최대치를 보여준다는 사실을 실험적으로 증명했습니다.

그동안 학계는 0.5nm~0.7nm의 층간 간격에서 수소저장 효율이 최대가 된다는 사실은 이론적으로 제시되었지만 이를 실험적으로 증명한 것은 이번이 처음입니다.

실

실제 산화그라핀과 산화그라핀 간격조절의 예



산화그라핀(graphen oxide)은 그라핀에 산소를 포함한 유기물질들(-OH, -O-, -OOH)이 붙어 있는 것을 말하는 것으로, 이 그라핀 층 사이에 수소분자를 저장 할 수 있습니다.

연구팀은 산화그라핀을 간단한 열처리를 통해 층간에 존재하는 물분자와 기능성 물질들을 제거함으로써 층간 간격을 조절하여 최고 효율의 층간간격을 찾아냈습니다.

이번 연구결과는 영국왕립화학회지 'Physical Chemistry Chemical Physics'에 게재되었고, 국내 특허 출원을 완료했습니다.
 

작은 공동형 구조체가 보다 큰 공동형 구조체를 이룬 모습

층간 간격조절을 통해 수소저장량이 극대화된 PANI-VONC



 

 용  어  설  명

그라핀 (graphene) :
 그라핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것으로, 탄소나노튜브, 플러렌(C60)처럼 탄소로 구성된 나노물질이며 층상구조를 갖고 있다.

Angstrom :
파장이나 원자간 거리의 측정단위 (100억 분의 1미터)

Nanometer(nm) :
파장이나 거리의 측정단위 (10억 분의 1 미터)

공동형 구조(hollow structure) :
속이 비어있는 구조 안에 귀속금, 전이금속 등을 넣어 수소저장량 향상 및 나노반응기와 같이 다양한 응용범위를 갖는다.

<연 구 개 요>

Thermally modulated multilayered graphene oxide for hydrogen storage
B. H. Kim et al. (Phys. Chem. Chem. Phys. - 2011. 11. 28 출판)

수소는 미래 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 청정에너지원으로 한국을 비롯해 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
각국 연구진은 특히 수소에너지를 수소연료자동차, 가정용 소형 발전시스템, 모바일용 전자기기 등에 사용하기 위해 충분한 양의 에너지를 가벼운 저장장치에 담을 수 있는 기술을 연구해왔다. 
 
현재 수소저장량 증가에 대한 연구가 답보상태에 있는 상황으로 어떻게 수소가 저장되는가에 대한 기초적인 연구가 전세계적으로 주목받고 있는 연구방향이 되고 있다.
따라서 층간 물질에서 층간거리에 따른 수소저장량의 변화를 이해하여 최적의 층간거리를 파악하고 수소저장 메커니즘을 규명하고, 수소저장용 나노재료 개발을 통하여 연구범위를 넓히고 그에 따른 원천기술을 확보함으로써 미래 에너지 기술을 선점할 수 있는 가능성이 높아졌다. 

본 연구에서는 차세대 수소저장물질로 주목받고 있는 산화그라핀(graphene oxide)을 간단한 열처리를 통해 층간에 존재하는 물분자와 기능성 물질들을 제거함으로써 층간 간격을 조절하여 수소저장능력을 향상시켰고, 이론적으로 5 - 7 ?의 층간 간격에서 수소 저장량이 최대치를 보여준다는 사실을 최초로 실증했다.
본 연구에서 사용된 산화그라핀은 그라핀에 산소를 포함한 기능성 물질들(-OH, -O-, -OOH)이 붙어 있는 것을 말하는데, 액체 상태의 산화그라핀을 상온상압에서 건조하면 8 - 12 ? 의 층간간격을 갖는 적층구조를 이룬다.
본 연구에서는 산화그라핀의 층간간격을 조절하기 위하여 27 - 220 ℃ 범위에서 열처리를 통하여 층간에 존재하는 물분자와 기능성 물질들을 부분적으로 제거하였고, X-선 회절 분석을 통하여 온도가 증가함에 따라 층간간격이 감소함을 확인하였다.
또한 핵자기공명 분광법을 통하여 산화그라핀의 구조를 분석하여 완전히 제거되지 않은 기능성 물질들이 산화그라핀의 층간 간격을 적절히 유지시켜 주고 있음을 확인하였다.
 
27℃, 50℃, 100℃, 170℃, 190℃, 200℃ 의 온도에서 열처리된 산화그라핀은 7.6 - 6.3? 의 층간 간격을 갖게 되는데, 고압수소저장장치를 통하여 상온과 질소온도에서 각각의 수소저장능력을 측정하였다.
특히 수소 90기압, 질소온도하에서는 층간 간격이 감소함에 따라 190℃로 열처리된 산화그라핀이 27℃로 열처리된 산화그라핀보다 수소저장능력이 4배 이상 증가함을 확인하였다.
하지만 220℃로 열처리된 산화그라핀의 경우에는 190℃ 로 열처리된 산화그라핀보다 오히려 수소저장량이 감소하여 수소저장량이 최대가 되는 최적의 층간간격을 찾을 수 있었다.
 
190℃로 열처리된 산화그라핀이 가지는 6.5? 의 층간 간격에서 수소저장량이 최대가 된다는 본 연구의 결과는 그 동안 이론적으로만 계산할 수 있었던 층간 간격과 수소저장량의 관계를 실제로 실험을 통하여 증명함으로써 수소저장 메커니즘을 규명하였고, 적층 구조를 가지는 수소저장용 나노 재료의 개발등의 활발한 연구가 이어질 전망이다.      


<김해진 박사>

 

□ 인적사항

 ○ 성      명 : 김해진(金海震, Kim, Hae Jin)
 ○ 소      속 : 한국기초과학지원(연) 물성과학연구부
 
□ 학력사항

1985. 3~1989. 2  고려대학교  물리학  학사
1989. 3~1991. 2  고려대학교  고체물리학  석사
1993. 3~1997. 2  고려대학교  고체물리학  박사

□ 경력사항

 1997. 03 - 1998. 05   Jozef Stefan 연구소   박사후연수연구원
 1998. 12 - 2000. 04        IOWA 주립대    박사후연수연구원
 2000. 5 - 2002. 09       포항공대    연구조교수
 2004 - 현재             ISNQI     국제위원
 2006 - 2009      IEA- HIA    Task22 위원
 2002. 10 - 현재     한국기초과학지원연구원  책임연구원
 2009. 03 - 현재  분석과학기술대학원   교수
 
□ 대표 연구 성과
 
  - 국내외 논문 발표 및 게재(70건), 국내외 특허출원 및 등록(21건)
  - 알루미늄 산화물 골격을 이용한 망간 산화물 나노튜브 또는 나노막대의 합성 개발
    해외특허 등록 (US7713660)

posted by 글쓴이 과학이야기

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