Update2024.05.22 (수)
일본연구진이 나노탄소재료의 새로운 합성법을 개발했다. 기존보다 쉬운공정과 높은 수율로 향후 전지재료 분야에 응용돼 고효율에너지저장 및 변환에 도움을 줄 것으로 보인다.
일본의 국립연구개발법인 산업기술종합연구소(이사장 츄바치 료지)는 타니 카즈미 전지기술연구부문 수석주인연구원과 프파딥 패치파르 JSPS(일본학술진흥회)특별연구원은 공동으로 간편하고 높은 수율로 카본나노로드와 그래핀나노리본을 합성할수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.
일반적으로 그래핀 나노리본 합성은 전기화학적 처리나 플라즈마 에칭 등을 사용했는데 고정이 복잡하고 수율이 낮아 에너지가 많이 소비되는 문제점이 있어 고효율에 간편한 대량 생산 합성 방법이 요구되고 있었다.
산업기술종합연구소는 배위 고분자를 원료로 사용해 카본나노로드와 그래핀나노리본을 화학반응과 열처리 외의 복잡한 공정이 필요 없이 고수율로 합성하는데 성공했다.
배위고분자는 다수의 금속이온과 유기리간드가 결합된 정글짐과 유사한구조의 새로운 고체 물질이다. 최근에는 내부에 일정하게 늘어서 있는 나노미터크기의 기공을 유용한 공간으로 이용하는 연구개발이 전세계에서 이루어지고 있다.
금속염(아세트산 아연)과 금속염을 연결할 수 있는 유기 리간드서 2,5- 디 히드 록시 테레프탈산(가교 리간드)에서 배위 고분자를 합성 할 때, 배위고분자의 특정 방향의 성장을 억제하기 위해 금속염을 연결 리간드 (비가교리간드)인 살리실산을 더했다.
이 막대 모양의 배위고분자를 불활성 가스 중에서 가열처리 (1000℃)하여 막대 모양의 탄소 나노로드를 형성 할 수 있었다.
카본 나노로드를 수산화칼륨 수용액 중에서 초음파 처리했다. 그 후, 불활성 기체 중에서 800℃의 열처리로 활성화 한 결과, 탄소 나노로드 중에서 막대 모양으로 적층 한 그래핀이 풀어 헤쳐 그래핀 나노 리본이 생성됐다.
이번에 개발한 합성법으로 수율이 높으면서 간편하게 탄소 나노로드와 그래핀 나노 리본을 합성 할 수 있다. 또한 일반적으로 화학 반응이나 열처리 이외의 복잡한 공정을 필요로 하지 않도 대규모의 생산이 가능한 것으로 나타났다.
연구진은 새로운 합성 방법으로 만든 카본 나노로드와 그래핀 나노리본을 일반적으로 사용되고있는 마이크로 포러스 카본을 전극재료로 한 캐패시터의 정전류 충 방전 특성을 측정했다.
그 결과 새로 개발된 탄소나노로드와 그래팬나노리본이 마이크로 포러스 카본보다 뛰어난 방전 특성을 갖는 것으로 나타났다. 이는 효율이 높은 에너지 절감 재료로 활용할 수있는 가능성을 보여준 것이다.
연구진은 “앞으로 이번에 개발 된 기술을 이용하여 형상 제어 된 배위 고분자를 원료로 한 다양한 나노 탄소재료의 개발을 진행할 예정”이라고 향후 계획을 밝혔다.
이어 “해당 기술은 촉매 담체와 에너지 저장 및 변환 장치의 기초 재료에의 응용이 기대되고 있으며, 환경 및 에너지 기술에 이바지하는 다양한 고기능성 재료의 개발로 이어 나갈 예정”이라고 밝혔다.
한편, 해당성과는 지난 9일 영국 과학잡지 Nature Chemistry 온라인 판에 게재됐다.
