다수의 식물 조류세포를 삽입하기 위한 기판으로, 실리콘을 기반으로 한 나노 전극 어레이를 제작함. 실리콘 기판에 포토리소그라피 공정을 이용해 나노입자가 들어갈 수 있는 PR 패턴을 제작하고, 거기에 실리카 나노입자를 채워넣어 배열된 나노입자 어레이를 제작함. 이어서 DRIE 공정과 그 후 공정을 통해 나노 전극 어레이를 제작함.

미래창조과학부는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발하여 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다.
연세대학교 류원형 교수 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재되었다.

광합성은 녹색식물이나 생물이 빛을 이용하여 양분을 스스로 만드는 과정으로써 식물세포는 외부의 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 원료로 산소와 포도당과 같은 유기 양분을 만든다. 이러한 광합성 작용으로 식물세포는 태양광 에너지를 100%에 가까운 효율로 전기화학적 에너지로 변환시킨다. 이와 같은 광합성 과정의 높은 에너지 변환 효율을 전기 에너지 추출에 이용하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.

연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입하여 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 되어 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.

이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용하여 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발했다.
연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작하였다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 되어, 다수의 식물세포로부터 광합성 전자를 일괄 추출할 수 있다. 이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량 광합성 전자 추출 시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다.

또한 살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 되어, 추출 과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류 추출 시 효율이 장시간 동안 유지된다는 것이다. 또한 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다.

N-도핑된 공축 탄소 나노케이블

중국 연구진은 연료 전지와 배터리를 위한 새로운 전극을 개발했다. 탄소 나노튜브와 질소가 도핑된 탄소 나노튜브로 구성된 이 전극은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

연료 전지와 금속-공기 배터리와 같은 고용량 에너지 시스템을 위한 핵심 전극 반응들은 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)과 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)이라고 불리는 다중-전자 프로세스이다. 이런 반응의 성능은 전극 재료에 사용되는 촉매 활성에 상당한 영향을 끼친다.

높은 촉매 활성에도 불구하고, 백금, 루테늄, 이리듐과 같은 기존의 귀금속 촉매 물질은 높은 비용과 열악한 안정성 때문에 어려움을 받고 있다. 결과적으로, 과학자들은 촉매를 비-귀금속 또는 심지어 비-금속 재료로 대체할 수 있는 방법을 찾고 있다. 한 가지 방법은 나노탄소 물질에서 찾을 수 있는데, 이것은 반응성과 촉매 특성을 매우 향상시킨다.

이번 연구진은 에너지 시스템을 위한 탄소 나노물질에 대한 연구를 이전에 수행했다. 이 새로운 연구에서, 이번 연구진은 코어(core)로서 탄소 나노튜브와 쉘(shell)로서 질소가 도핑된 주름진 탄소 층을 가진 독특한 동축 탄소 나노케이블 물질을 개발했다.

저널 Advanced Functional Materials에 10월 15일자로 게재된 최근 연구에서, 이런 동축 나노케이블의 표면에 N 도펀트 원자가 풍부하게 존재한다는 것을 발견했다. 즉, N-결합이 유도된 활성 부위가 표면에 존재한다는 것을 의미한다.

“탄소 구조 속에 질소 원자들의 결합은 주위 탄소 원자들의 전자 구조를 효과적으로 조절할 수 있고, 국부적인 전하 밀도 분포를 조율할 수 있는데, 이것은 화학적 반응을 향상시키고 촉매 성능을 증가시킨다”고 Zhang은 설명했다. “그러나 대부분의 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 경우에, 질소 원자들은 균일하게 분포된다”고 Zhang은 덧붙였다. 

이와는 대조적으로, 탄소 나노케이블 위의 활성 부위들은 산소가 포함된 전기화학적 반응을 촉진하는데 효과적이다. 따라서 CNT@NCNT(nitrogen-doped carbon nanotube) 나노케이블은 벌크 도핑된 NCNT와 비교했을 더 높은 ORR/OER 전류를 가진다. CNT@NCNT 공축 나노케이블을 제조하기 위해서, 이번 연구진은 손쉬운 비-액상 방법을 개발했다.

“아주 얇은 질소를 함유하는 터보스트래틱(turbostratic)은 CVD 방법에 의해서 탄소 나노튜브의 외부 벽 위에 에피택셜하게 성장될 수 있다. 이것은 실린더형 CNT 벽과 주름진 N-도핑된 층으로 구성된 공축 나노케이블을 제조할 수 있게 한다”고 Tian이 설명했다. “도펀트인 N 원자들은 이미 제조된 나노케이블의 표면에 풍부하게 존재한다. 그리고 내부 벽들은 원래 상태로 존재하고, 이것은 3.3 S cm-1의 높은 전기 전도성을 이끈다”고 Tian이 말했다.

표면에 N 원자가 풍부하게 존재하게 하고 연속된 내부 벽을 가지게 함으로써, CNT@NCNT은 우수한 전기 촉매 활성을 가진다. “유사한 도핑 수준을 가진 벌크 도핑된 NCNT과 비교할 때, CNT@NCNT 촉매는 산소 환원과 발생 반응에서 더 높은 전류 밀도와 낮은 과전압을 가진다”고 Wei가 덧붙였다. 도핑 원자에 의해서 유도된 활성 표면 부위가 반응물에 더 접근 가능하게 할 뿐만 아니라, 탄소 물질의 극성과 친수성은 전극 재료와 전해질 간의 계면에서 물질 전달을 촉진한다.

이번 연구진은 내부벽에 의한 높은 전기 전도성이 탄소 나노튜브 속의 N 도핑된 층의 빠른 전하 전달에 기인한다는 것을 발견했다. “결과적으로, CNT@NCNT은 NCNT와 비교할 때 우수한 정전기적 특성을 가진다”고 연구진은 말했다.

이번 연구진은 산소 전기화학(oxygen electrochemistry)을 위한 우수한 촉매 이외에도 CNT@NCNT 공축 나노케이블이 고성능 복합물 속의 계면에서 활성 부위를 완전히 노출시킬 수 있는 우수한 플랫폼이라는 것을 제시했다. 또한 선택적인 산화 반응을 위한 효과적 촉매 혹은 금속 나노입자 지지체와 나노센서로서 유용할 것이다. 이 연구결과는 저널 Advanced Functional Materials에 “Toward Full Exposure of “Active Sites”: Nanocarbon Electrocatalyst with Surface Enriched Nitrogen for Superior Oxygen Reduction and Evolution Reactivity“ 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adfm.201401264).

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

N-도핑된 공축 탄소 나노케이블

중국 연구진은 연료 전지와 배터리를 위한 새로운 전극을 개발했다. 탄소 나노튜브와 질소가 도핑된 탄소 나노튜브로 구성된 이 전극은 다양한 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

연료 전지와 금속-공기 배터리와 같은 고용량 에너지 시스템을 위한 핵심 전극 반응들은 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)과 산소 발생 반응(oxygen evolution reaction, OER)이라고 불리는 다중-전자 프로세스이다. 이런 반응의 성능은 전극 재료에 사용되는 촉매 활성에 상당한 영향을 끼친다.

높은 촉매 활성에도 불구하고, 백금, 루테늄, 이리듐과 같은 기존의 귀금속 촉매 물질은 높은 비용과 열악한 안정성 때문에 어려움을 받고 있다. 결과적으로, 과학자들은 촉매를 비-귀금속 또는 심지어 비-금속 재료로 대체할 수 있는 방법을 찾고 있다. 한 가지 방법은 나노탄소 물질에서 찾을 수 있는데, 이것은 반응성과 촉매 특성을 매우 향상시킨다.

이번 연구진은 에너지 시스템을 위한 탄소 나노물질에 대한 연구를 이전에 수행했다. 이 새로운 연구에서, 이번 연구진은 코어(core)로서 탄소 나노튜브와 쉘(shell)로서 질소가 도핑된 주름진 탄소 층을 가진 독특한 동축 탄소 나노케이블 물질을 개발했다.

저널 Advanced Functional Materials에 10월 15일자로 게재된 최근 연구에서, 이런 동축 나노케이블의 표면에 N 도펀트 원자가 풍부하게 존재한다는 것을 발견했다. 즉, N-결합이 유도된 활성 부위가 표면에 존재한다는 것을 의미한다.

“탄소 구조 속에 질소 원자들의 결합은 주위 탄소 원자들의 전자 구조를 효과적으로 조절할 수 있고, 국부적인 전하 밀도 분포를 조율할 수 있는데, 이것은 화학적 반응을 향상시키고 촉매 성능을 증가시킨다”고 Zhang은 설명했다. “그러나 대부분의 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 경우에, 질소 원자들은 균일하게 분포된다”고 Zhang은 덧붙였다. 

이와는 대조적으로, 탄소 나노케이블 위의 활성 부위들은 산소가 포함된 전기화학적 반응을 촉진하는데 효과적이다. 따라서 CNT@NCNT(nitrogen-doped carbon nanotube) 나노케이블은 벌크 도핑된 NCNT와 비교했을 더 높은 ORR/OER 전류를 가진다. CNT@NCNT 공축 나노케이블을 제조하기 위해서, 이번 연구진은 손쉬운 비-액상 방법을 개발했다.

“아주 얇은 질소를 함유하는 터보스트래틱(turbostratic)은 CVD 방법에 의해서 탄소 나노튜브의 외부 벽 위에 에피택셜하게 성장될 수 있다. 이것은 실린더형 CNT 벽과 주름진 N-도핑된 층으로 구성된 공축 나노케이블을 제조할 수 있게 한다”고 Tian이 설명했다. “도펀트인 N 원자들은 이미 제조된 나노케이블의 표면에 풍부하게 존재한다. 그리고 내부 벽들은 원래 상태로 존재하고, 이것은 3.3 S cm-1의 높은 전기 전도성을 이끈다”고 Tian이 말했다.

표면에 N 원자가 풍부하게 존재하게 하고 연속된 내부 벽을 가지게 함으로써, CNT@NCNT은 우수한 전기 촉매 활성을 가진다. “유사한 도핑 수준을 가진 벌크 도핑된 NCNT과 비교할 때, CNT@NCNT 촉매는 산소 환원과 발생 반응에서 더 높은 전류 밀도와 낮은 과전압을 가진다”고 Wei가 덧붙였다. 도핑 원자에 의해서 유도된 활성 표면 부위가 반응물에 더 접근 가능하게 할 뿐만 아니라, 탄소 물질의 극성과 친수성은 전극 재료와 전해질 간의 계면에서 물질 전달을 촉진한다.

이번 연구진은 내부벽에 의한 높은 전기 전도성이 탄소 나노튜브 속의 N 도핑된 층의 빠른 전하 전달에 기인한다는 것을 발견했다. “결과적으로, CNT@NCNT은 NCNT와 비교할 때 우수한 정전기적 특성을 가진다”고 연구진은 말했다.

이번 연구진은 산소 전기화학(oxygen electrochemistry)을 위한 우수한 촉매 이외에도 CNT@NCNT 공축 나노케이블이 고성능 복합물 속의 계면에서 활성 부위를 완전히 노출시킬 수 있는 우수한 플랫폼이라는 것을 제시했다. 또한 선택적인 산화 반응을 위한 효과적 촉매 혹은 금속 나노입자 지지체와 나노센서로서 유용할 것이다. 이 연구결과는 저널 Advanced Functional Materials에 “Toward Full Exposure of “Active Sites”: Nanocarbon Electrocatalyst with Surface Enriched Nitrogen for Superior Oxygen Reduction and Evolution Reactivity“ 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adfm.201401264).