UNIST "고체 화합물 이용해 안전하고 쉽게 불화탄소 합성"

백종범 교수팀 연구…"흑연보다 저장 용량·안정성 우수"

연구진이 제조한 불화탄소 물질 [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(울산=연합뉴스) 김용태 기자 = 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 테프론과 흑연을 반응시켜 불화탄소를 안전하고 손쉽게 합성할 수 있는 방법을 개발했다고 10일 밝혔다.

UNIST에 따르면 연구팀은 기계화학의 대표적인 반응 유도 방법인 볼밀링법(ball-milling)을 통해 흑연보다 2.5배 이상 우수한 저장 용량과 전기화학적 안정성을 확인했다.

불화탄소를 제작하는 데 필요한 불소가스, 불산 등은 높은 반응성과 부식성으로 매우 위험한 화합물로 알려져 있으며, 특히 인체를 마비시키거나 사망에 이르게 할 수 있다.

이에 연구팀은 안전하고 손쉬운 불소화 반응을 유도하고자 고체를 이용했다.

일상에서 흔히 사용하는 화합물 중 모든 원소가 불소로 이뤄진 테프론은 대기 중에서 안정적이고, 먹어도 인체에 무해한 고분자화합물이다.

프라이팬의 코팅 재료로도 사용되는 테프론은 표면 마찰력을 감소시키고, 화학적으로 안정해 일반적인 반응물로는 사용하지 않는다.

연구팀은 실험을 통해 테프론이 버틸 수 있는 힘보다 더 강한 에너지를 받으면 분자 사슬이 끊어지면서 '라디칼 형성 반응'(분자·원자의 전자가 홀전자를 가진 형태로 반응성이 크게 증가함)이 일어나는 것을 확인했다.

연구팀은 이 과정에서 만들어진 분자복합체가 흑연과 반응해 표면과 가장자리에 붙게 되면서 불화탄소가 만들어지는 것을 다양한 분석법을 통해 증명했다.

이렇게 제조된 불화탄소는 흑연보다 우수한 저장 용량과 전기화학적 안정성을 보였다.

50㎃/ｇ의 저속 충전 시 2.5배 높은 저장 용량을 보였고, 1만㎃/ｇ의 높은 충전 속도에서는 흑연보다 10배까지 높은 저장 용량을 확인했다.

2천㎃/ｇ의 충전 속도로 1천회 이상의 충·방전 실험에서는 흑연은 43.8%의 성능을 유지했지만, 불화탄소는 76.6%의 성능을 유지했다.

UNIST 백종범 교수와 장부재 연구원 [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

제1저자인 에너지화학공학과 장부재 연구원은 "이번 연구는 안전한 불소화 반응이라는 주제로 실험을 진행했지만 가장 중요한 부분은 고체상 반응의 방향과 가능성을 제시한 것"이라며 "불화탄소는 이차전지뿐 아니라 다양한 전자기기의 전극 재료로 응용할 수 있으며, 안전하고 손쉽게 대용량 생산도 할 수 있다"고 말했다.

연구 결과는 에너지·재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 7월 27일 온라인으로 게재됐다.

연구는 UNIST U-K 브랜드, 탄소중립 위원회, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 리더연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

yongtae@yna.co.kr

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