아주대학교 연구진은 우수한 전기화학적 특성을 가진 복합 나노 신소재를 개발했다고 26일 전했다.

니켈, 바나듐, 코발트, 셀레나이드의 사성분계 2차원 나노시트로 이뤄진 소재는 미래 에너지 저장 기술인 슈퍼 커패시터와 수소 생산용 양극에 활용될 것으로 기대된다.

슈퍼 커패시터는 지속가능한 미래 에너지 활용에 핵심 역할을 하는 에너지 저장 기술이다. 전기차, 휴대용 전자장치 및 재생에너지 시스템 등 빠른 에너지 저장과 고전력 전달이 필요한 응용 제품에 활용될 수 있다. 기존 이차전지와 달리 빠른 충전이 가능하고 수명과 안정성이 높다는 장점이 있다.

슈퍼 커패시터는 수소 생산용 양극에서도 활용할 수 있다.

먼저 수소를 핵심 에너지원으로 사용하기 위해서는 청정 수소 생산이 필요하다. 청정 수소 생산은 효율적인 물 전기분해로 수소와 산소를 생산하는 수전해 기술로 가능하며 태양광, 풍력, 수력, 지열 등 재생에너지를 활용해 물을 분해할 수 있다.

물을 산소로 전환하는 과정에서 높은 전기화학 활성과 장시간 반응 안정성을 지닌 전극 구현이 필요하다.

아주대 연구팀은 코발트를 사용한 전자 공여체 도핑 전략으로 만든 소재를 슈퍼 커패시터 소자에 적용해 기초 소재 수준에서 준수한 전력 밀도를 가진다는 사실을 확인했다. 또 고에너지 밀도로 기존 상용 소자 특성 대비 90% 이상의 성능 향상을 달성했다.

이 소재는 1만 회의 충전과 방전 반복 사이클 후에도 정전 용량의 90% 이상을 유지할 만큼 탁월한 전기화학적 안정성을 보였다. 또 수전해의 산소 생성 반응을 위해 양전극에 새로 개발한 소재를 적용, 물 분해 전극 소재로서 높은 성능도 확인했다. 1㎠당 10㎃ 기준 전류 밀도에서 199㎷의 과전위와 전류밀도 10배 상승당 28㎷의 Tafel 기울기를 기록한 것이다.

아주대 연구팀은 이러한 전기화학적 특성이 불순물 첨가 기술인 코발트 도핑의 시너지 효과 덕분임을 규명했다. 코발트 도핑으로 물질의 전자 띠 구조를 변경하고, 전하 전달을 위한 추가 활성 전자 구조를 제공해 소재의 전기적 활성을 크게 증가시킬 수 있다는 사실도 밀도 함수이론(DFT) 계산으로 확인했다.

연구책임을 맡은 서형탁 아주대 교수는 "이번에 개발한 소재는 우수한 전기화학 및 촉매 성능을 가졌고, 장기 반응 안정성도 높다"며 "앞으로 소재 상용화를 위한 후속 연구를 이어 가겠다"고 말했다.

구자훈 기자 hoon@kihoilbo.co.kr

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