니켈 첨가 타이타네이트 나노튜브 개발

금속 니켈이 도핑(첨가)된 타이타네이트(Titanate) 나노튜브가 세계 최초로 국내 연구진에 의해 개발됐다.

이번 연구는 나노튜브가 리튬전지와 수소의 저장체로 활용될 수 있음을 밝힘으로써 타이타네이트 나노튜브 결정구조 규명에 크게 기여했다는 평가다.

한양대 신소재공학부 이경섭 교수팀은 이산화티타늄(TiO₂)에 금속 니켈을 도핑시킨 뒤 수열합성법(Hydrothermal method)을 이용해 타이타네이트 나노튜브를 제조하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

세종대 김선재 교수, 포스코 기술연구원 김동현 박사 등이 공동 참여한 이번 연구결과는 미국 물리화학계의 대표적 간행물인 美물리화학회지(Journal of Physical Chemistry, C) 온라인판 최신호에 게재됐다.

연구진은 금속 니켈을 첨가시켜 리튬 충방전용량을 나노튜브 분말 1그램 기준으로 308-318밀리암페어아워(mAH)까지 증가시켰다고 설명했다. 암페어아워(AH)는 전지에서 흘릴 수 있는 전류 용량을 표시하기 위한 단위로 시간당 흐르는 전류 암페어량을 뜻하며, 밀리암페어는 암페어의 1천분의 1에 해당한다.

이 교수팀은 이번 연구에서 니켈 등의 전이금속이 첨가될 시 타이타네이트의 다중벽 층간 간격이 증가하게 돼 리튬이온의 추가 저장을 위한 공간이 확보될 수 있으며, 분자 구조 모사 및 고해상도 투과전자현미경을 이용해 층간 거리도 0.65나노미터(㎚=10억분의1ｍ)에서 0.74나노미터로 증가됨을 확인했다.

연구진은 니켈이 첨가된 타이타네이트 나노튜브는 일반적인 산화물계 캐패시터와 비교해 리튬 이온이 쉽게 삽입되는 특징을 갖고 있다는 점을 밝혀냈다.

따라서 다른 물질보다 리튬이온 배터리의 전기용량이 늘어날 수 있으며 결정구조의 안정성이 뛰어나고 사이클 특성이 우수하기 때문에 리튬 이차전지의 캐패시터로 용이하게 사용할 수 있는 길을 열었다고 연구진은 평가했다. 이 교수팀은 이와 함께 각국의 친환경 문제 및 차세대 성장동력을 위한 핵심연구과제로 연구되고 있는 수소저장 물질과 관련해서도 니켈 도핑 타이타네이트 나노튜브가 상온과 상압에서 약 1.2 wt%(웨이트퍼센트ㆍ중량기준 수소함유율)의 수소를 저장함을 규명했다.

현재 국내의 수소저장 물질에 대한 연구는 프론티어 사업 수소사업단을 중심으로 연구되고 있지만, 저온에서만 수소를 저장하는 탄소나노튜브에 관한 연구를 중심으로 이뤄지고 있는 실정이다.

또한 탄소나노튜브는 제조 방법에 따른 재현성 문제, 상온 및 고온에서 탄소 표면과 수소 분자 간의 물리적 흡착이 불안정해 저장된 수소가 상압에서 자발적으로 빠져나오는 현상, 수소를 물리적으로 흡착하기 때문에 극저온의 온도조건이 필요하다는 단점 등을 갖고 있다.

그러나 이번 연구에서 이 교수팀은 니켈 도핑으로 수소 분자를 저장할 수 있는 나노채널과 높은 표면적을 가진 타이타네이트 나노튜브를 제조해 상온, 상압에서 수소를 저장할 수 있음을 규명했다.

이 교수는 “타이타네이트 나노튜브는 물리ㆍ화학적으로 동시에 수소 저장이 가능하기 때문에 수소 저장을 위한 획기적 대체 재료로 사용될 수 있다”며 “또한 생산 단가가 낮고 대량생산이 가능해 산업적 적용이 매우 우수하다는 장점을 갖고 있다”고 말했다.

타이타네이트 나노튜브의 결정 구조를 명확하게 규명한 두 번째 연구결과는 촉매 분야 저명 학술지인 ’캐탈리시스 투데이(Catalysis Today)’ 온라인판 최신호에 실렸으며 관련 기술 3건에 대한 특허 출원이 국내외에서 진행 중이다.

<연합뉴스>