기계/재료

중국 마이크로나노구조의 산화세륨재료와 리튬공기전지촉매제 개발

발행일 : 2012 / 09 / 24

형석형구조의 이산화세륨은 산소압력이나 온도변화를 받으면 산소원자결함(Oxygen Vacancy, 산소원자 빈자리)을 형성하기 때문에 뛰어한 수소저장•방출 특성을 지니고 있어, 연료전지, 배기가스처리용 촉매제, 광촉매, 센서, 산소 침투막과 생물의약 등 분야에 광범위하게 응용되고 있다.

특히 연구과정에서 나노구조 산소세륨의 전자전도도 제고, 규격 유도형(Size induced) lattice relaxation, 압력 유도형(Pressure induced) 상변이와 자외선 흡수피크의 청색이동(blue shift) 등과 같은 독특한 특성이 발견되면서 기초•응용연구에서 큰 인기를 끌고 있다.

최근 중국과학원 물리연구소/북경응집물질 물리국가실험실(설립준비)청정에너지실험실의 순춘원(孫春文)부연구원, 리훙(李泓)연구원과 천리취엔(陳立泉)연구원은 미세나노구조 다공질 꽃모양의 산화세륨 microballoon의 제조【J. Phys. Chem. B, 110, 13445 (2006);Micropor. Mesopor. Mater. 120, 426 (2009)】, 응용【Electrochem. Commun., 8, 833 (2006); J. Phys. Chem. Solid, 68, 1785 (2007)】및 1차원 산화세륨재료합성【Nanotechnology, 16, 1454 (2005);Chem. Lett. 662 (2004)】등에서 성과를 올렸다.

최근에 영국왕립화학회 저명학술지인 Energy & Environmental Science 편집장의 초청으로 나노구조 산화세륨분야의 평론을 발표하였다. 평론에서는 나노구조 산화세륨 베이스재료의 합성, 특성, 금속과 CeO2담체의 상호작용, 이론연구, 신규 특정수단과 대표적인 응용을 체계적으로 논술하였고(그림1), 향후 관련 나노산화세륨재료의 제조, 응용, 이론연구 등 관련 분야의 발전방향과 추세를 제시하였다. 이 논문은 Energy & Environmental Science 5, 8475 (2012)에 발표되었다.

최근들어 에너지수요가 급증하면서 고효율, 저원가, 환경친화형 대체에너지 전환저장시스템의 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)은 재생에너지기술의 핵심반응과정으로, 연료전지, 리튬공기전지와 분해수를 이용한 수소제조분야에 응용되고 있다. 유기 전해질을 사용하는 리튬공기전지로 대기중의 산소를 이용해 연속반응을 통해 에너지를 공급할 경우 그 이론에너지 밀도는 약 kg당 1만1,140wh 정도로 현재의 리튬이온전지와 기타 에너지저장소자보다 훨씬 높다. 하지만 이런 유형의 전지는 수용액이 아닌 전해액을 사용하기 때문에 유기 전해액에 용해되지 않는 생성물-Li2O2이 다공질 공기전극을 점차적으로 막아버린다. 따라서 전지성능은 방전시간이 길어질수록 떨어진다. 수용액 체계와 비(非)수용액체계로 구성된 혼합전해질체계가 이러한 애로사항을 해결하였다. 리튬공기전지를 상용화하려면 낮은 전해질 안정성, 낮은 음극촉매제 충방전효율, 낮은 배율성능과 순환수명과 같은 많은 문제점을 해결해야 한다.

탄소재료가 높은 전자전도도, 큰 비표면적과 적합한 다공질구조 등의 특징을 지니고 있기 때문에, 카본블랙(예, 상품화된 Vulcan XC-72R과 Ketjen)이 현재 리튬공기전지와 양성자교환막 연료전지(PEMFCs) 산소환원촉매제의 담체재료로 널리 응용되고 있다. 하지만 탄소는 전압이 0.207V(수소전극 표준전압)를 초과하면 열역학적으로 불안정하여 촉매제의 탄소담체가 높은 전압에서 쉽게 산화되면서 ‘탄소부식’현상이 일어난다.

탄소부식으로 탄소담체 촉매제의 활성표면적이 급격히 줄어들면서 전지성능을 떨어뜨리며, 촉매제의 공질 모양과 공질표면특성을 변화시키기 때문에 귀금속 나노입자가 전극에서 탈락되거나 혹은 덩어리모양으로 성장하며, 전극표면의 소수성이 변하면서 기체전송이 어려워진다. 양성자 교환막 연료전지 야에서 상응하게 연구가 이루어지고는 있으나 리튬공기전지 분야에서는 아직 연구가 활발하지 않다.

최근 순춘원부연구원, 천리취엔연구원과 양웨이(楊偉)박사는 미국 텍사스대학 오스틴캠퍼스의 John B. Goodenough 교수 및 인디안나대학의 Youngski Kim교수와 협력하여 리튬공기전지연구에서 새로운 성과를 올렸다. 이 연구진은 저렴한 원가의 고효율, 안정된 칼슘타이타늄 구조산화물 Sr0.95Ce0.05CoO3-δ과 Cu의 복합재료를 혼합전해질체계에 응용하면 충전가능한 리튬공기전지의 산소환원/산소발생 반응을 일으키는 다기능 촉매제를 얻을 수 있다고 함으로써, 전통적인 촉매제 탄소담체가 높은 전압에서 산화되어 성능이 떨어지는 문제점을 해결하였다. 칼슘타이타늄광물 산화물의 실온에서의 전자 전도도를 개선하기 위해 산화물 입자표면에 금속동 나노입자를 로딩시킨 외에도, 수용액중 동부식에 의한 Cu와 CuO간의 순환을 기반으로 촉매제의 산화환원특성을 한층 더 개선하였다. 이 연구논문은 Journal of Materials Chemistry 22, 18902 (2012)에 발표되었다.