나노 크기에서의 연료 전지 효율 향상 방안

전세계 에너지 수요를 만족시킬 마법의 탄환은 존재하지 않는다. 하지만 자립성 화학 반응으로부터 직접적으로 활용 가능한 전기 에너지를 통한 연료 전지는 화석 연료보다 더 저렴한 대체 에너지원이 될 수 있다. 과학자들은 이러한 연료 전지 내에서 더 빠른 에너지 전환을 가능하게 하기 위해서, 귀금속이라 불리는 특별한 금속, 즉 금, 은, 백금 등을 이용해 만든 나노 입자를 전극 표면을 따라 분산시켰다. 이러한 금속은 매크로(Macro) 규모에서 다른 금속에 화학적으로 반응할 뿐만 아니라 나노(Nano) 규모에서는 더욱 반응성이 커지게 된다. 이러한 금속을 통해 만들어진 나노 입자는 촉매처럼 행동하며, 연료로부터 전자를 유리시키는 필수 화학 반응의 속도를 향상시키는데 일조한다. 나노 입자가 전극 상에서 불꽃이 튀거나 방전되는 동안 서로 간에 접합제처럼 으깨지면서 커다란 클러스터를 형성하게 된다. 이러한 압축 경향성은 소결(Sintering)이라 불리며, 촉매 특성의 나노 입자와 상호 작용하는 연료의 분자에 이용 가능한 전체 표면적은 감소하게 된다.
따라서 이러한 현상을 방지함으로써 연료 전지의 완전한 잠재적 성능까지 실현시킬 수 있게 된다. 일본 오키나와 과학기술연구소 설계팀은 미국 SLAC 국가연구실과 오스트리아 전자현미경및나노분석센터와의 협동 연구를 통해, 귀금속 나노 입자의 압축 현상을 방지하는 기술을 개발하는데 성공하였다. 연구팀은 귀금속 나노 입자를 금속산화물로 만들어진 다공성 껍질(Porous Shell) 내부에 개별적으로 캡슐화했다.

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).