<사진. LDH(layered double hydroxide) 나노시트 및 환원 그래핀 산화물 나노시트(적색)의 엑스레이 회절 패턴. 001은 초격자 라멜라 복합체이고, L 100 및 L 110은 LDH 나노시트의 평면내 회절 피크를 나타낸다. (b) 전형적인 충전-방전 곡선; (상부) 환원 그래핀 산화물 나노시트 및 (아래) Co-Ni LDH 및 환원 그래핀 산화물 나노시트의 나노복합체
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

그래핀 나노복합체를 이용한 고전도성 수퍼커패시터

미국 환경보호국(Environmental Protection Agency)에 따르면, 2010년 미국 온실가스 배출의 79%가 화석연료에 기인한 것이라고 한다. 과학자들은 전통적인 커패시터와 2차전지의 차이를 연결해 주는 역할을 하는 수퍼커패시터(supercapacitor)와 같은 대체 에너지 전환 시스템을 찾고 있다. 수퍼커패시터는 에너지를 빠르게 충전하고 방전할 수 있지만, 많은 에너지를 저장하지는 못한다. 또한 반복된 사용에 의해 빠르게 마모되며, 이는 내부의 물질이 전하가 일정한 흐름으로 들어오고 나가는 와중에 분해되기 때문이다. 이것은 하이브리드 차량과 같은 곳에서 장기간 사용하고자 할 때 상당한 약점으로 작용한다.

Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201400054)지에 4월 19일자로 게재된 보고서에 의하면, 일본 국립재료과학연구소(National Institute for Materials Science)의 Renzhi Ma 등은, 고용량 및 고출력을 갖는 수퍼커패시터에 적용하기 위한 초격자 나노복합체(superlattice nanocomposite) 개발에 성공한 바 있다. 이 나노복합체는 Co-Al 혹은 Co-Ni 층으로 구성된 이중층 하이드록사이트(layered double hydroxide, LDH) 나노시트와 그래핀 산화물 나노시트를 정전기적으로 적층하여 만들어졌다. 예를 들어 LDH 나노시트는 분자 수준에서 다른 순서로 다른 물질 사이에 샌드위치된 상태이다.

엑스레이 회절(X-ray diffraction) 측정을 통해, LDH 나노시트와 그래핀 산화물(graphene oxide) 나노시트의 이종어셈블리(heteroassembly)는 1.2나노미터의 기본적인 공간(basal spacing)을 형성하는 것을 밝혀냈다. 게다가 적층된 복합체의 공간은 표면 전하의 변경을 통해 변화시킬 수 있기 때문에 결국 그래핀 산화물 나노시트의 두께를 조절할 수 있다. 이것은 LDH 헤테로어셈블리와 환원된 그래핀 산화물 나노시트의 증거이다.

그림의 붉은 선으로 나타낸 것처럼, basal spacing은 0.9나노미터였으며, 이것은 0.48나노미터의 LDH 나노시트와 0.4나노미터의 환원 그래핀 산화물의 두께를 합친 것과 일치하였다. 층간 환경과 이종 복합체의 양 조절을 쉽게 하기 위해, 그래핀 산화물과 환원된 그래핀 산화물 나노시트의 전하 밀도를 조절하도록 하였다. 따라서 구조는 높은 이온 확산과 전자수송 효율을 갖도록 설계될 수 있었다.

이 나노물질을 이용해 수퍼커패시터의 성능을 향상시키기 위한 연구도 수행되었다. 수퍼커패시터에서 전기 이중층(electric double layer, EDL)을 사용하는 그래핀 전극은, 그램당 100farads의 전기용량(capacitance)을 향상시켰다. 더 흥미로운 것은, 전체 전기용량은 전도성 그래핀 산화물 나노시트와 LDH 나노시트를 하이브리드화하였을 때 크게 향상되었다는 점이다. 그램당 약 650farads까지 전기용량이 증가하였으며, 이것은 순수한 그래핀 나노시트를 사용할 때보다 6배 높은 값에 해당한다. 그래핀과 절연체인 LDH 나노시트를 직접 조합함으로써 전하 운반 효율도 증가시킬 수 있었다. 이렇게 초고속 충전과 방전 성능은 잠재적으로 초 이하의 매우 짧은 시간 동안 높은 에너지 출력이 가능하다는 의미이기도 하다.

연구팀에 따르면, 본 연구는 대부분의 전자기기 및 하이브리드 차량에 도움이 될 것이라고 한다. 게다가 이 3차원적 전이금속/그래핀 하이브리드 접근은, 연료전지와 같은 비귀금속 전기촉매를 개발하는데 효과적일 것으로 평가되고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr