UNIST "층상 소재에 42종 금속 끼워 넣는 기술 개발"

(울산=뉴스1) 김세은 기자 = 겹겹이 쌓인 층상 소재 안에 원하는 금속을 쉽게 끼워 넣어 소재 성능을 전략적으로 조절할 수 있는 합성 기술이 개발됐다.

조승호 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 교수팀은 층상 티타네이트(layered titanate) 층간에 총 42종의 금속 중 원하는 금속을 쉽게 삽입하는 합성 방법을 개발했다고 14일 밝혔다.

이 연구에는 안광진 UNIST 에너지화학공학과 교수와 정후영 반도체소재·부품대학원 교수, 한정우 서울대 교수팀이 함께했다.

층상 티타네이트는 얇은 층이 겹겹이 쌓인 형태의 티타늄 산화물이다. 이는 층과 층 사이 공간에 금속 양이온을 수용할 수 있는 성질 덕분에 배터리 전극이나 촉매 지지체로 주목받는 소재다. 그러나 여기에 금속 이온을 넣으려면 고온 열처리와 강산을 이용한 세척 과정을 거쳐야 했고, 삽입할 수 있는 금속의 종류도 제한적이었다.

이에 연구팀은 수산화암모늄 용액을 이용한 새로운 합성법을 개발했다고 밝혔다. 수산화암모늄 용액에 녹아 있는 티타늄 산화물 원료 성분이 화학반응을 통해 층상 구조로 조립되는 상향식 합성법이다.

연구팀은 "이렇게 합성된 층상 티타네이트를 삽입하고자 하는 금속 양이온이 녹아 있는 용액에 담그면 층 사이에 미리 삽입돼 있던 수소 이온이 금속 양이온으로 쉽게 대체된다"며 "이 합성법은 알칼리 금속부터 희토류 금속에 이르는 총 5개 그룹 42가지 금속 원소를 삽입할 수 있을 정도로 범용성이 뛰어나며, 총 30종 이상의 금속 원소를 동시에 삽입할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 이번에 개발한 합성법으로 로듐 촉매 지지체를 만들어 상용화 가능성도 검증했다고 전했다. 관련 실험 결과, 로듐 촉매를 플라스틱·세제 등 기초 원료를 합성하는 프로필렌 하이드로폼일화 반응에 적용했을 때 칼륨 금속을 넣은 경우보다 반응 효율이 3배 이상 뛰어났다.

연구팀은 "실제 촉매 공정의 생산성 향상과 비용 절감에 기여할 뿐만 아니라, 2차전지나 커패시터 같은 차세대 에너지 저장 소재 성능 개선에도 즉각적인 응용이 가능해 향후 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다"고 전했다.

이번 연구엔 김효석 UNIST 신소재공학과 연구원과 오대원 에너지화학공학과 연구원, 김미연 서울대 재료공학부 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 지난달 26일 국제 학술지 '어드밴스트 머터리얼스'(Advanced Materials) 온라인판에도 게재됐다.

이번 연구 수행은 UNIST와 과학기술정보통신부 한국연구재단, UNIST 이노코어 (InnoCORE) 프로그램, 산업통상자원부 한국산업기술기획평가원, 울산RISE센터, 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 이뤄졌다.

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