에너지 저장부터 각종 복합재료, 바이오센서 등 다양한 분야에 쓰이는 다공성 나노소재를 경제적으로 제조할 수 있게 됐다.
한국연구재단은 부산대학교 고분자공학과 김일 교수팀이 비교적 저렴한 원료인 벤젠, 나프탈렌 유도체로 다공성 나노캡슐, 나노튜브, 나노시트를 동시에 제조하는데 성공했다고 16일 밝혔다.
흡착제나 촉매로 사용되는 제올라이트, 제습제로 많이 사용되는 실리카겔 등 나공성 나노소재는 균일한 구멍과 넓은 표면적 덕분에 수처리, 촉매 등 다양한 분야에서 사용된다. 하지만 무기 소재이기 때문에 제조가 까다롭고 다양한 형상으로 만들기 어려워, 만들기 쉽고 다양한 기능을 구현할 수 있는 유기소재로 다공성 나노재료를 만들기 위한 연구가 활발하다. 하지만 복잡하게 설계된 포르피린(porphyrin) 같은 비싼 유기 원료를 이용하는 데다 제조과정이 까다롭기는 마찬가지였다.
김 교수팀은 ‘산-염기 반응’을 이용해 루이스산을 촉매로 루이스염기 단량체(monomer)인 벤젠과 나프탈렌 유도체를 원하는 방향으로 중합(polymerization)하는 방법을 찾아냈다. 이를 통해 촉매와 단량체의 비율, 종류와 양을 조절함으로써 중합 과정을 제어해 나노캡슐, 나노튜브, 나노시트를 동시에 만들었다.
다공성 나노캡슐은 넓은 표면적(1000 m2/g)으로 인해 유지로부터 바이오디젤을 생산하고 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 효율적인 재료로 쓸 수 있다.
다공성 카본소재를 2차전지용 슈퍼커패시터에 사용 시 기존 산화그래핀 대비 두 배 이상 향상된 정전(靜電) 용량을 보였고, 10만 회의 충·방전 시험에서도 성능이 떨어지지 않았다.
특히 매우 안정된 구조로 섭씨 800도 이상으로 소성한 후에도 원래 모양을 유지했고, 재활용도 가능하다.
연구진은 “이 기술은 각종 촉매, 연료전지, 커패시터, 리튬이온전지, 트랜지스터, 항공우주 및 자동차용 복합재료는 물론 약물전달시스템, 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 실마리가 된다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 온라인 판에 지난 1일 게재됐다.
