아주대학교 “무기질 나노소재 연구실” (황종국 교수)

연구실 개요

아주대학교 무기질 나노소재 연구실 (Functional Inorganic Nanomaterials for Energy and Environment)에서는 기능성 나노다공소재의 합성과 다양한 응용분야(비균질계 촉매, 흡착제/수처리막, 이차전지)로의 활용연구를 수행하고 있다 (그림 1). 세부적으로, 블록공중합체의 자기조립 특성을 실험적으로 규명하고, 이를 바탕으로 나노다공성 소재(탄소, 금속산화물, 복합체, metal-organic framework)의 크기, 형상, 구조를 정밀제어하는 연구를 수행 중이다. 나노다공소재 플랫폼을 구축하여 특정 응용분야 (에너지 저장장치, 흡착제, 및 비균질계 촉매 등)에 최적화된 맞춤형 소재/촉매를 설계하고자 한다. 2020년부터 C1 가스 리파이너리 사업단 2총괄 2세부 (고선택성 메탄 산화체 제조용 비균질계 촉매 개발)에 공동연구원으로 참여하고 있으며, 개질된 제올라이트와 탄소 담체를 이용하여 액상 메탄 산화체 제조용 촉매를 개발하는 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 다공성 소재 개발

1) 계층형 다공구조 개발
계층형 다공구조 소재는 미세기공 (<2 nm), 중형기공 (2~50 nm)과 대형기공 (>50 nm)을 동시에 갖고 있어 각각의 기공이 갖는 장점을 융합할 수 있는 소재이다. 고분자의 상거동 및 자기조립을 이용해 계층형 다공구조를 갖는 탄소 및 무기소재 (금속산화물, 실리카) 합성을 진행하고 물리화학적 특성 평가를 진행하고 있다 (그림 2). 개발된 계층형 소재의 고유 특성을 활용하여 비균질촉매 개발, 에너지 저장장치 (배터리, 슈퍼커패시터), 분리 (CO2 포집, 수처리) 분야로의 응용연구를 수행하고 있다.

2) 금속유기골격체 (MOF) 구조제어 기술 개발
MOF(metal organic framework)와 같은 결정성 다공물질은 균일하고 정렬된 기공을 가지고 있으나, 합성 과정(결정화 단계)에서 형상/구조 제어가 어려운 문제가 있어 소재의 개발 방향이 제한적이다. 이에 본 연구실에서는 MOF의 다공구조와 입자 형상을 동시에 제어할 수 있는 신규 합성기술 개발 연구를 수행하고 있다. MOF의 결정화 메커니즘 연구, 신규 결정화조절자 (crystal modulatr) 설계, 고분자-MOF 복합화 전략을 통하여 MOF 자체의 물성과 2차 가공성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있다.

2. 에너지-환경분야 응용

1) 액상 메탄 산화를 위한 비균질계 촉매 개발
기공구조와 입자형상이 제어된 다공소재 제조와 표면개질을 통한 촉매활성점 제어 전략을 바탕으로, 우수한 메탄 전환율과 메탄올 선택도를 갖는 액상 부분산화 촉매를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 원활한 메탄 산화를 위해서는 충분한 양의 H2O2를 in situ로 생산하여 공급해야 하므로, H2와 O2로부터 H2O2의 직접생산이 가능한 Pd촉매 개발 연구를 수행하고 있다. 또한, 메탄 산화반응을 위한 Fe 기반 촉매를 제조하는 연구를 병행하고 있다 (그림 3).

2) 고효율/고안정성 흡착제 및 분리막 개발
본 연구실에서는 1 나노미터 수준의 공극을 가진 나노물질을 활용하여 배가스 이산화탄소 분리 및 수중 이온 분리 소재를 개발 중에 있다 (그림 4). 기존에 보고된 나노소재가 실제 환경공정에서 매우 낮은 수명특성을 가진다는 한계를 극복하기 위해 화학적 개질제를 도입하여 높은 안정성을 확보하는 연구를 수행 중에 있다.

3) 이차전지 전극 및 시스템 개발
확보한 소재합성 기술을 이용하여 리튬 및 포타슘 기반 에너지 저장장치 (배터리, 슈퍼커패시터) 장치에 요구되는 특성을 만족하는 전극 활물질을 개발하고 있다. 나노다공구조와 실제 전기화학성능 간의 관계를 탐색하는 연구를 중점적으로 수행하고 있다. 전기화학 성능평가(정전류 충방전 실험, 순환전압전류법, 임피던스 분석 등)에 필요한 전기화학장비 (충·방전기, 포텐시오스탯)을 실험실 내에 구축하여 운용하고 있다 (그림 5).

연구실 현황

무기질 나노소재 연구실은 황종국 교수님을 비롯하여 박사과정 1명, 통합과정 1명, 석사과정 4명, 학부 연구생 3명으로 총 10명의 연구진으로 구성되어있다. 2020년 연구실 창립이후 현재까지 SCI급 논문 11건을 게재하였다. 현재 C1 가스 리파이너리 사업단 2총괄 2세부 (고선택성 메탄 산화체 제조용 비균질계 촉매 개발)에 공동연구원으로 참여하고 있으며, 다수의 정부과제 및 산학과제를 수행하고 있다.