다재다능한 두 얼굴의 야누스 맥신으로 슈퍼커패시터 성능 향상

- 니켈-맥신 양자점 합성, 에너지 저장 장치와 촉매에 활용

슈퍼커패시터와 촉매 분야에서 다재다능한 활약을 하는 니켈-맥신 야누스 양자점. (자료제공: 한국연구재단)

꿈의 신소재로 불리는 2차원 나노소재 맥신의 한쪽 면에 니켈 금속을 결합한 ‘니켈-맥신 야누스 양자점’을 국내 연구진이 개발, 이를 슈퍼커패시터(Super Capacitor: 고용량 커패시터)와 촉매에 활용해 탁월한 성능을 달성했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 전북대 유승화, 진경환 교수와 성균관대 박성준 교수 공동연구팀이 니켈(Ni)-맥신(MXene) 야누스(Janus) 양자점을 합성하고, 이를 적용한 차세대 슈퍼커패시터와 유기물 변환 촉매(탄소, 수소, 산소 등으로 구성된 유기물의 분자 구조를 변환시키는 물질)기술을 개발했다고 8월 13밝혔다. 

니켈-맥신 야누스 양자점이란 맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노 소재, 양자점은 나노 크기의 반도체 결정을 뜻한다. 로마신화 속 두 개의 얼굴을 가진 야누스처럼 맥신에 양면적 특성을 부여했다는 의미로, 이번 연구에서는 맥신 양자점에 니켈을 합성해 최종적으로 한 면은 니켈 결정, 다른 면은 맥신 결정이 결합된 야누스 구조를 만들었다.

맥신은 2차원 나노소재로 전기전도도가 높고 다양한 금속화합물과 조합할 수 있어 에너지 저장 분야에서 이를 활용한 전극과 촉매 개발 연구가 활발하다. 

이런 2차원 소재의 특성을 활용해 양쪽 면에 서로 다른 원자층을 배열하는 전략은, 마치 로마신화의 두 얼굴을 가진 야누스와 같이 맥신에 양면성을 갖게 해 멀티플레이어 소재로 진화시킬 수 있다. 하지만 이런 ‘야누스 구조’ 입자는 기존 맥신 연구에서 상대적으로 관심을 덜 받아왔다.

공동연구팀은 맥신과 니켈을 결합한 입자를 합성하고, 이를 차세대 슈퍼커패시터와 촉매에 적용해 전기 저장 능력과 전력 생성 능력을 크게 높였다. 

니켈-맥신 합성은 제조한 맥신에 암모니아를 사용해 입자 크기를 줄이는 동시에, 니켈 전구체와 환원제를 함께 투입하고 수열합성방식으로 ‘니켈-맥신 야누스 양자점’을 완성했다. 고도 분석을 통해 한 면은 니켈 결정, 다른 면은 맥신 결정이 서로 결합된 비대칭적인 야누스 구조임을 규명했다. 

이렇게 개발한 니켈-맥신 야누스 양자점으로 비대칭 하이브리드 슈퍼커패시터 전극을 구성해 기존 연구 대비 높은 비용량과 출력밀도를 확인했다. 또한 유기물을 변환하는 촉매로 사용했을 때 촉매 활성이 향상되면서 높은 수율·변환율·선택도를 보였다.

유승화 교수는 “이번에 개발한 니켈-맥신 야누스 양자점은 차세대 에너지 저장과 촉매 소재 기술을 발전시키는 데 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다”며 “이를 바탕으로 수전해 촉매 등 응용 분야로 확대 적용하려는 후속 연구가 진행 중”이라고 밝혔다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자와 기초연구실 및 중견연구 등의 지원사업으로 수행된 이번 연구의 성과는 공학·재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 5일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]