[판교테크노밸리]버려지는 온실가스를 고부가가치 전극소재로 전환-KAIST와 ㈜성일에스아이엠 “이산화탄소 전환을 통한 탄소 전극소재 제조 기술”

버려지는 온실가스를 고부가가치 전극소재로 전환-KAIST와 ㈜성일에스아이엠 “이산화탄소 전환을 통한 탄소 전극소재 제조 기술” 기술이전 계약 체결

 

등록일 2016-03-02

 

버려지는 온실가스를 고부가가치 전극소재로 전환

- ㈜성일에스아이엠 기술이전으로 조기 상용화 -

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 KAIST와 ㈜성일에스아이엠이 “이산화탄소 전환을 통한 탄소 전극소재 제조 기술”에 대해 기술이전 계약을 체결하고 사업화 추진에 박차를 가할 것이라고 밝혔다.

ㅇ 이번 성과는 미래창조과학부 기후변화대응기술개발사업의 Korea CCS 2020 사업단에서 도출되었으며, 기술 확보를 결정한 해당 중소기업의 신성장동력으로 기여할 예정이다.

□ 이산화탄소를 유용한 탄소 물질로 전환하기 위해서는 높은 에너지의 반응조건*이 필요하다는 한계로 그 간 상용화가 어려웠으나, 이재우 교수 연구팀(KAIST)은 500℃, 1기압의 저에너지 조건에서도 이산화탄소 전환이 가능한 기술 개발에 성공하였다.

* 이산화탄소는 매우 안정된 화합물로, 탄소물질로 환원하기 위해서는 고온․고압 조건의 고에너지 환경(1000℃, 50-100 MPa(약 490-990 기압)의 반응 조건)이 요구됨

ㅇ 본 기술은 강력한 환원력*을 가진 수소화붕소나트륨(이하 NaBH4)을 사용하여 기존 기술 대비 1/10 이하의 저에너지·저비용 생산 공정 구축이 가능할 뿐만 아니라,

* 환원력 : 이산화탄소(CO2)와 같은 산화물을 환원시키는 힘을 의미하며, 환원의 결과로 이산화탄소에서 산소가 사라지고 탄소가 남게 됨

ㅇ 전환과정에서 탄소물질에 붕소(B)가 도핑되어 전자저장능력이 향상되고, 전극소재로 활용 가능한 고부가가치 탄소 전극 물질 생산된다.

□ ㈜성일에스아이엠은 이전받은 기술을 적용한 양산시설을 구축하는 등 조기 상용화를 통해 양산된 탄소물질로 국내·외 연료전지, 수퍼캡, 및 각종 전지 전극소재 시장에 진입할 계획이다.

 

□ 미래창조과학부는 이번 기술이전 성과를 통해 대량의 이산화탄소 처리가 가능하고, 경제성을 가진 혁신적인 이산화탄소 전환 기술을 확보하였으며,

ㅇ 앞으로도 기후변화 및 신기후체제 대응을 위해 ‘이산화탄소 포집 및 처리(CCS)’ 등 온실가스 감축에 기여할 수 있는 핵심 원천기술 개발을 지속적으로 지원할 것이다.

 

<참고자료> : 1. 연구결과 개요

2. 연구결과 문답

3. 용어설명

4. 그림설명

 

 

 

이 자료에 대하여 더욱 자세한 내용을 원하시면

미래창조과학부 김소래 사무관(☎ 02-2110-2383)에게 연락주시기 바랍니다.

 

 

연 구 결 과 개 요

 

 

1. 연구배경

이산화탄소는 기후변화에 영향을 미치는 온실가스로 주목되고 있지만, 한편으로는 풍부한 양의 값싼 탄소원이기도 하다. 이에, 최근 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하기 위한 촉매/비촉매반응 연구가 활발히 이뤄지고 있으며, 이산화탄소를 다이아몬드, 탄소나노튜브, 그래핀 옥사이드를 성공적으로 합성한 사례가 등장하고 있다. 하지만 이러한 기술들은 고온·고압의 반응 조건을 필요로 하여, 산업화에 큰 한계점을 지닌다. 대표적인 예로 마그네슘을 사용하여 이산화탄소를 탄소 물질로 전환할 시, 1000℃·50-100MPa(약 490 - 990기압)의 반응 조건이 필요한 실정이다.

이처럼 이산화탄소를 전환하는데 고온·고압의 반응 조건이 필요한 이유는 이산화탄소 분자가 매우 안정하기에 분자 사이의 결합을 깨기 위해서 높은 에너지가 필요하기 때문이다. 따라서 본 연구팀은 강력한 환원력을 지닌 NaBH4를 사용함으로써 이산화탄소 전환에 필요한 반응 조건을 500℃·1기압으로 대폭 낮추었다. 그 결과 다공성 탄소 물질이 온건한 조건에서도 합성되었으며, 합성된 물질은 여러 분석을 통해 연료전지 및 이차전지의 전극소재로 사용될 수 있음을 밝혀내었다.

 

2. 연구내용

(1) 이산화탄소로부터의 다공성 탄소 물질 합성

① 기존 이산화탄소 전환 기술의 산업화의 큰 걸림돌인 고온·고압의 반응 조건을 해결하기 위해 강력한 환원제인 NaBH4를 도입하였다(그림 1). NaBH4를 이용하여 이산화탄소 전환 공정을 구축 및 여러 번의 실험 결과, 500℃·1기압의 조건에서 다공성 탄소 물질이 성공적으로 합성되었다(그림 2).

 

그림 1. NaBH4를 이용한 CO2 전환 공정의 개념도

 

그림 2. 합성된 다공성 탄소 물질

② 본 기술로 생산된 다공성 탄소 물질은 약 500 - 700 m2 g-1의 표면적을 지니며 (그림 3), 탄소 구조 내에 붕소가 도핑이 되어 있다(그림 4). 넓은 표면적과 이종원소의 도핑은 전극소재로서의 성능 향상에 지대한 영향을 미치기에 중요하다.

 

그림 3. 합성된 다공성 탄소 물질의 주사전자현미경(SEM) 사진

 

그림 4. 붕소 원소에 대한 X선 광전자 분광법(XPS) 분석 그래프

(2) 합성된 다공성 탄소 물질의 연료전지 및 이차전지 전극소재 활용

① 합성된 다공성 탄소 물질이 연료전지 및 이차전지의 전극소재로 활용이 가능함을 보이기 위해, 순환전압전류법(cyclic voltammetry)와 같은 전기화학적 측정을 실시하였다.

 

② 전기화학적 실험 결과, 합성된 다공성 탄소 물질이 연료전지(fuel cell), 슈퍼커패시터(supercapacitor) 그리고 이차전지(rechargeable battery)의 전극 소재로서 활성을 지님을 밝혀내었다(그림 5). 성능적인 부분에 있어서도 개선될 여지가 많아 시장 경쟁력이 있을 것으로 판단하였다.

 

그림 5. 다공성 탄소 물질의 전기화학적 활성: 가. 연료전지용 촉매

나. 슈퍼커패시터 전극 다. 이차전지 전극

 

3. 기대효과

본 기술은 온실가스인 이산화탄소를 고부가가치의 탄소전극소재로 전환한 것으로 해당 기술이 기업으로 기술이전 됨에 따라 조기 상용화가 가능할 것으로 기대된다. 앞서 언급했듯이 기존의 이산화탄소 전환은 고온·고압의 반응 조건을 요하기 때문에 산업화에 있어 큰 진척이 될 수 없었으나 본 연구팀의 원천기술은 500℃·1기압의 조건에서 전환 공정이 가능하다.

아울러 이를 통해 생산된 다공성 탄소 물질은 연료전지 및 이차전지의 전극소재로 사용될 수 있기 때문에, 고부가가치의 시장에 진출할 수 있다는 점 역시 강점으로 꼽을만하다.

따라서 이산화탄소를 기반으로 한 다공성 탄소 물질의 생산 기술은 저비용의 원료(이산화탄소)로 고부가 가치의 제품 생산을 통해 신성장동력을 창출할 수 있을 뿐만 아니라 온실가스 감축에도 기여할 것으로 기대된다.

 

연 구 결 과 문 답

 

 

이번 성과 뭐가 다른가

 

본 기술은 NaBH4를 사용하여 이산화탄소를 다공성 탄소 물질로 전환하는 기술이다. 이산화탄소를 탄소 물질로 바꾸는 아이디어는 친환경적이므로 많은 시도가 있었으나 대개 고온·고압의 반응 조건을 요하기에 산업화에 무리가 있었다. 하지만 본 연구팀이 개발한 원천기술은 500℃·1기압의 조건에서도 가능하기에 산업화 가능성이 크다고 볼 수 있으며, 이에 따라 기술이전을 체결하였다.

 

 

 

어디에 쓸 수 있나

 

합성된 다공성 탄소 물질은 전기화학적 활성을 지닌다. 따라서 본 연구팀은 신재생에너지의 대표주자인 연료전지, 슈퍼커패시터 그리고 이차전지에 적용하였고 합성된 물질이 이들을 위한 전극소재로 사용될 수 있음을 밝혀내었다. 온실가스의 주범인 이산화탄소로부터 청정에너지인 신재생에너지 장치의 전극소재를 합성할 수 있다는 점이 가장 큰 강점이다.

 

 

 

연구성과 도출 배경은

 

이산화탄소는 지구온난화의 주범인 온실가스 중 온실효과에 기여하는 정도가 가장 큰 물질이다.

이러한 온실가스를 이용하여 기후변화대응 뿐만아니라 고부가 가치 물질을 제조하고자하는 다양한 시도가 있었으나, 대개 고온·고압의 반응 조건을 필요로 하는 에너지 다소비 공정으로 산업화에 이르지 못하고 있다. 본 연구팀은 대안으로 강력한 환원제인 NaBH4를 도입하여 이산화탄소 전환을 시도하였다. 그 결과, 이산화탄소를 500℃·1기압의 온건한 조건에서 다공성 탄소 물질로 전환하였다. 온건한 조건을 조성함으로써 양산화로 나아가기 위한 가능성을 높였다고 할 수 있다.

 

 

 

용 어 설 명

 

1. 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)

○ 전자선을 시료 위에 주사(scanning)할 때, 시료로부터 나오는 여러 가지 신호 중 그 발생확률이 가장 많은 이차전자(secondary electron) 혹은 반사전자(back scattered electron)를 검출하는 원리로 시료를 관찰하는 전자현미경을 지칭한다. 소재 관련 분야에서 시료의 표면을 관찰할 때 널리 쓰인다.

2. X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)

○ X선을 시료에 입사하여 흡수될 때, 진공 중으로 방출되는 일부 광전자의 에너지 분석을 통해 시료의 원소 분석 및 화학결합의 상태 분석이 가능하다. 소재 관련 분야에서 시료를 이루는 원소와 그 원소의 결합 상태를 분석할 때 많이 활용된다.

3. 순환전압전류법 (Cyclic voltammetry, CV)

○ 고체 전극 등에서 전위에 따른 전규 곡선을 얻는 전기화학적 측정 중 하나이다. 삼각파를 이용해 전극의 전위를 주기적으로 변화시켜 전극 물질의 산화·환원 거동을 파악할 수 있다. 이러한 거동을 바탕으로 활성 정도를 파악하게 된다. 연료전지·슈퍼커패시터·이차전지 분야에서 널리 사용되는 분석법이다.

 

그 림 설 명

 

 

 

그림 1. NaBH4를 이용한 CO2 전환 공정의 개념도: 기존 이산화탄소 전환 기술의 산업화의 큰 걸림돌인 고온·고압의 반응 조건을 해결하기 위해 강력한 환원제인 NaBH4를 도입했을 때의 개념도를 나타낸다.

 

 

 

 

그림 2. 합성된 다공성 탄소 물질: NaBH4를 이용하여 이산화탄소 전환을 시켰을 때, 합성된 다공성 탄소 물질의 모습이다.

 

 

 

 

그림 3. 합성된 다공성 탄소 물질의 주사전자현미경(SEM) 사진: SEM을 통해 합성된 탄소 물질의 다공성을 확인하고 시각화하였다.

 

 

 

 

그림 4. 붕소 원소에 대한 X선 광전자 분광법(XPS) 분석 그래프: XPS 분석을 통해 합성된 물질에 대한 원소 분석이 가능한데, 붕소가 탄소 구조 내에 존재함을 확인하였다. 붕소는 환원제인 NaBH4에서 유래한 것인데, 이러한 이종원소의 존재는 전기화학적 활성에 좋은 영향을 준다.

 

 

 

 

그림 5. 다공성 탄소 물질의 전기화학적 활성: (가) 연료전지용 촉매, (나) 슈퍼커패시터 전극 (다) 이차전지 전극: 그림5와 같이 세팅한 후 실험한 결과를 나타낸다. 타겟이 되는 전기화학장치에 따라 필요한 조건을 달리하여 실험하였고, 각 그래프에서 그래프의 넓이와 피크(peak)의 위치 및 크기가 성능 판단의 중요한 척도로서 작용한다.