한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 이진우 생명화학공학과 교수팀이 계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트를 합성하는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
계층형 다공성 소재는 서로 다른 크기 범위의 기공이 동시에 존재하는 다공성 소재다.
연구팀이 개발한 합성기술은 다공성 2차원 탄소 소재의 기공 크기와 구조 등 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술이다. 2차 전지와 촉매 분야에서 고용량 전극 소재로 활용될 것으로 기대된다.
기존 다공성 2차원 탄소 소재 합성은 대부분 그래핀 소재에 기공을 형성하는 방식이다. 하지만 기공 크기와 구조를 효율적으로 제어할 수 없다는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 2차원 나노시트를 주형으로 이용해 블록공중합체(공유결합으로 연결된 두 종류 고분자)의 자기조립 방식을 시도했지만 추가적인 주형 합성이 필요해 과정이 복잡하고 두께 조절이 쉽지 않다.
이 교수 연구팀은 블록공중합체, 단일중합체 고분자 혼합물의 상 거동을 이용해 마이크로 기공과 메조 기공, 8.5nm의 두께를 갖는 계층형 다공성 2차원 탄소 나노시트를 합성하는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 두 종류의 단일중합체 계면 사이에서 블록공중합체와 무기 전구체가 자기조립으로 다공성 구조를 형성하는 원리다.
이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않아 간단하고 기존의 복잡한 과정을 줄여 생산력을 증대했다. 이 기술로 연구팀은 계층형 다공성 탄소 나노시트를 차세대 전지인 칼륨이온전지 음극에 적용해 용량을 기존 흑연 소재의 8배 이상 높였다.
또 블록공중합체의 분자량 및 고분자대비 질량을 조절해 기공 크기와 구조, 두께 등 나노 구조를 조절할 수 있어 맞춤형 나노 소재로 활용될 수 있다.
이진우 교수는 "기존 합성기술의 문제점을 고분자 블렌드 성질을 이용해 해결할 수 있다는 사실을 증명했다"면서 "다양한 에너지 장치에 적용할 수 있을 것"이라고 설명했다.
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