Research Activities

1. 기술 개요

• 콜라겐·케라틴 등 단백질계 바이오매스를 탄소 전구체로, 철·코발트 질산염을 금속 전구체로 사용하여 이중 단원자(dual single-atom) 다공성 탄소폼을 제조하는 기술입니다.

•  전구체 혼합 → 증발 → 불활성 분위기 급속 열처리 → 산처리의 단순 4단계로 구성됩니다.

• 열처리 중 질산염 분해가스가 화학적 블로잉제로 작용하여 별도의 템플릿이나 기공형성 공정 없이 다공 구조가 자발적으로 형성되고, 이어지는 산처리로 표면 금속 산화물만 선택적으로 제거하면서 탄소 골격 내부의 Fe·Co는 단원자 수준으로 남깁니다. 

• 결과적으로 호스트 기능(다공 구조)과 촉매 기능(금속 단원자 활성점)을 한 번의 합성으로 동시에 확보합니다.

2. 주요 성과

• 산처리 후에도 다공성 폼 구조 유지, 표면 금속 산화물 입자는 소실 (SEM)

• EDS 분석에서 Fe·Co가 미량(각 0.32 / 0.22 wt%)으로 균일 검출 → 탄소 매트릭스 내 단원자 수준 분산 시사

• 요오드 약 25–30 wt% 담지 확인, 아연-요오드 전지에서 0.1–2 A g⁻¹ 율속 전 구간 안정적 충방전 거동

3. 기대 효과 및 응용 분야

• 석유계 탄소 전구체 의존도를 낮춘 바이오매스 기반 촉매 소재 확보

• 템플릿·후처리 공정 생략에 따른 공정 단순화 및 대량생산 적합성

• 수계 아연-요오드 전지용 활물질 호스트 소재

• 연료전지·금속공기전지용 비귀금속 전극 촉매 등 에너지 저장·변환 전반

출원번호 10-2026-0133054, 2026.07.20

1. 기술 개요

암모니아 산화반응(AOR) 기반 전해 공정에 적용 가능한 비귀금속 Ni–Cu 이중금속 촉매를 단 3단계의 간단한 습식 공정으로 제조하는 기술입니다.

• 전구체 도포단계 — Ni(NO₃)₂·6H₂O / Cu(NO₃)₂·3H₂O 무수에탄올 용액을 마이크로피펫으로 10 µL cm⁻² 드롭캐스팅 (12회 분할 도포)

• 건조단계 — 상온(20 ℃)에서 10시간 저온 건조로 전구체 고정

고온 열처리 없이 상온 건조만으로 비정질 구조를 유도하여, 결정성 촉매 대비 활성점 노출을 극대화한 것이 핵심입니다.

2. 주요 성과

• 1 M KOH + 1 M NH₄OH 전해질에서 100 mA cm⁻² @ 1.48 V vs. RHE — 기존 대비 과전압 0.08–0.3 V 감소

• 1.6 V에서 257.1 mA cm⁻² 달성 (기존 대비 약 59.4 % 향상)

• Tafel 기울기 32.2 mV dec⁻¹ 로 비교군 중 최저, 전하전달저항(R_ct) 또한 가장 낮음

• TEM SAD 패턴에서 비정질 구조 확인, XPS 분석 결과 AOR 활성점인 Ni³⁺ 비율이 높게 관찰

3. 기대 효과 및 응용 분야

• 폐수 내 암모니아성 질소의 전기화학적 제거

• 암모니아 매개 수소 생산(저전압 전해) 시스템용 양극 촉매

• 백금·이리듐 등 귀금속을 대체하는 저비용 전극 소재

• 고온 열처리 불필요 → 공정 단순화 및 대면적 전극 확장 용이

등록번호 10-2965301, 2026.05.11

1. 기술 개요

• 블록공중합체 자기조립을 이용해 매크로–메조 계층적 기공을 동시에 갖는 TiO₂ 기반 유전체 촉매 필름을 제조하는 기술입니다. 저온 플라즈마(DBD) 반응기에 충전 가능한 프리스탠딩 필름 형태가 핵심입니다.

• 용액 제조 → 코팅 → 어닐링 → 소성의 연속 공정으로 이루어지며, 고분자 조성을 조절하여 기공 구조를 설계할 수 있습니다.

2. 주요 특징

• 계층적 기공 구조로 높은 비표면적과 우수한 물질 확산성 확보

• 고분자 조성 조절만으로 매크로기공 크기를 폭넓게 제어

• 기판에서 손상 없이 분리되는 필름 형태로, 반응기 형상에 맞춰 가공 가능

• 다양한 전이금속 도핑을 통한 촉매 특성 조절 가능

3. 기대 효과 및 응용 분야

• 저온 플라즈마 촉매(plasma-catalysis) 반응기용 유전체 충전재

• 메탄 직접 전환을 통한 석유화학 기초유분 제조 공정

• 계층 기공에 의한 반응물 확산 개선 및 기공 내 미소방전(microdischarge) 기반 전기장 효과 증진

• 광촉매·환경정화 등 TiO₂ 기반 응용 전반으로 확장 가능

출원번호 10-2025-0158491 , 2025.10.29

1. 연구 배경

최근 에너지 저장 장치 분야에서는 높은 이론 용량과 우수한 안전성, 그리고 저렴한 비용을 동시에 갖춘 수계 아연-요오드(Zn-I₂) 배터리가 차세대 시스템으로 큰 주목을 받고 있습니다. 하지만 실제 상용화 단계에서는 요오드 활물질이 전해질에 녹아 나와 성능을 저하시키는 '셔틀 효과(shuttle effect)'와 요오드 자체의 낮은 전기 전도성이 해결해야 할 핵심 과제로 남아있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구팀은 요오드 종을 물리적·화학적으로 강력하게 고정하여 배터리의 수명과 출력을 획기적으로 높일 수 있는 지속 가능한 탄소 호스트 소재를 개발하고자 하였습니다.

2. 핵심 연구 내용

• 콜라겐 업사이클링: 수산물 및 축산물 가공 부산물인 콜라겐(Collagen)을 전구체로 사용하여 질소가 도핑된 나노 다공성 탄소(NPC)를 성공적으로 합성함.

• 친환경 및 고순도 공정: 질소가 풍부한 콜라겐 고유의 특성을 활용해 별도의 질소 첨가제 없이도 균일한 도핑 구조를 구현했으며, KOH 활성화 공정을 통해 기공 구조를 정밀하게 제어함.

• 나노기공(Nanopore)의 핵심 역할:

  • 정밀한 기공 설계: 약 1.2 nm 수준의 미세한 나노기공을 발달시켜 요오드 분자를 물리적으로 가두기에 최적화된 내부 공간을 제공함.

  • 확산 경로 및 안정성: 잘 발달된 나노기공 네트워크는 요오드 용출을 물리적으로 차단하는 동시에, 이온의 신속한 이동을 도와 고출력 환경에서도 안정적인 반응을 유도함.

• 우수한 물리적 특성: 2230 m² g⁻¹ 의 매우 높은 비표면적과 1.1 cm³ g⁻¹ 의 큰 기공 부피를 확보하여 활물질 수용 능력을 극대화함.

• 화학적 시너지: 탄소 격자 내의 질소(특히 Graphitic N)가 요오드 종과 강력한 화학적 상호작용을 일으켜 셔틀 효과를 근본적으로 억제함.

3. 주요 연구 성과

• 탁월한 출력 및 용량: 20 A g⁻¹의 매우 높은 전류 밀도에서도 235 mA h g⁻¹의 고용량을 유지하며 우수한 속도 특성을 입증함.

• 독보적인 수명 안정성: 6 A g⁻¹ 조건에서 5,000회 이상의 장기 사이클 테스트 후에도 246 mA h g⁻¹의 용량을 유지하는 탁월한 내구성을 확인 함.

• 높은 효율 및 자가 방전 개선:

  • 약 99.90%에 달하는 높은 쿨롱 효율을 기록하며 반응의 가역성을 확보함.

  • 24시간 휴지 후에도 95.1%의 높은 용량 유지율을 보여, 기존 탄소 소재(44.7%) 대비 자가 방전 문제를 획기적으로 개선함.

4. 결론 및 기대 효과

이번 연구는 버려지는 콜라겐 부산물을 고부가가치 에너지 저장 소재로 전환함으로써 환경적 지속 가능성과 경제적 실용성을 동시에 입증했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 특히 나노 규모의 기공 설계와 질소 도핑 기술의 결합이 요오드 양극의 고질적인 문제를 해결할 수 있음을 규명하였으며, 이는 향후 고성능·장수명 수계 아연-요오드 배터리의 상용화 시기를 앞당기는 데 핵심적인 기술적 토대가 될 것으로 기대됩니다.

Int. J. Energy Res.,  2026, 1, 5891725