저비용 전구체 활용 MOF 슈퍼커패시터 합성 성공 

자연과학대학 화학과 이재범 교수 연구팀과 소재화학연구소 은제무와 박사가 저비용 전구체를 활용해 금속 유기 프레임워크(MOF) 기반 슈퍼커패시터 합성에 성공하고, 이를 대량 생산할 수 있는 상온 침전합성법을 개발했다.

이번 연구 결과는 ‘Journal of Material Chemistry A’(IF: 14.511)에 1월 자 온라인으로 게재됐다.(논문 제목: Sulphur vacancy induced Co₃S₄@CoMo₂S₄ nanocomposites as a functional electrode for high performance supercapacitors)

슈퍼커패시터는 차세대 소비자 가전, 생체 의학 기기 및 하이브리드 전기 자동차에 필요한 청정 에너지 기술로써 배터리 기술과 비교했을 때 더 빠른 충전-방전 속도, 더 낮은 내부 저항, 향상된 전력 밀도 및 효율적인 사이클링 안정성이 장점으로 손꼽힌다.

현재 개발된 슈퍼커패시터는 고온 접근 방식을 통해 복잡한 표면적을 생성함으로써 전극의 반응 동역학을 개선하고 있다. 하지만 이 방법은 고비용, 저효율이라는 단점이 있어 저비용 재료를 통해 장시간 우수한 안정성은 물론, 반응 속도와 에너지 밀도 최대화할 수 있는 기술 개발이 필요한 상황이다.

이에 이재범 교수 공동연구팀은 기존 고온 접금 방식에서 벗어나 철이온 도핑, 공석 공학을 통해 저비용 고성능의 금속 유기 프레임워크(MOF) 기반 슈퍼커패시터를 합성하는 데 성공했다.

공석 공학(vacancy engineering)은 상온 기술을 사용해 전극 재료에 빈자리 사이트를 유도하는 기술로써 전이 금속 나노 물질의 표면 특성과 전자 구조를 개선하는 하이엔드 기술이다. 

연구팀은 공석 공학을 활용해 전극 재료 사이에 슈퍼커패시터의 성능을 향상시킬 수 있는 다른 이온을 선택적으로 도핑함으로써 슈퍼커패시터를 대량 생산할 수 있는 상온 침전합성법을 개발했다.

또한, 연구팀은 이번 연구에서 제안한 상온 침전합성법이 에너지 저장을 위한 다른 종류의 전극 재료를 개발하는 잠재적인 수단으로 확장될 수 있음을 확인했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 해외우수과학자 초청과제의 지원을 받아 수행됐다.

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1039/D2TA08820G