[논문]결함 제어를 통한 금속산화물 소재의 전기화학 특성 제어

정형모; 신원호

doi:10.31613/ceramist.2018.21.2.05

결함 제어를 통한 금속산화물 소재의 전기화학 특성 제어
Defects control of metal oxide materials for enhanced electrochemical properties 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.21 no.2, 2018년, pp.161 - 170

정형모 (강원대학교 공과대학 재료공학전공) , 신원호 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Metal oxide based materials have been widely used to fields of electrochemical applications. Recently, various type of defects from microstructures of metal oxides and their nanocomposites have been raised as the important material design factors for realizing highly improved electrochemical properties. Previous experimental and theoretical works have suggested that controlling the reaction activity and kinetics of the key electrochemical reactions by activated interfaces originating from the defect sites can play an important role in achieving the robust energy storage and conversion. Therefore, this paper focuses on the role of defect-controlled metal oxide materials such as doping, edge-sites, grain boundaries and nano-sized pores for the high performances in energy storage devices and electrocatalysts. The research approaches demonstrated here could offer a possible route to obtain noble ideas for designing the metal oxide materials for the energy storage and conversion applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 보고에서 소개하는 전기화학적 에너지 저장은 대전 된 표면에 전해액의 이온이 정전기적으로 흡착 또는 소재 표면과 전해액 내의 이온 사이의 redox반응을 통하여 에너지를 저장하는 supercapacitors로 그 범위를 한정하고자 한다. Supercapacitor는 에너지를 저장하는 메커니즘에 따라 electrical double layer capacitors(EDLCs)와 유사커패시터(pseudocapacitors, 본 보고에서는 battery-like capacitors도 포함)로 구분할 수 있으며, 일반적으로 활성 비표면적이 커지면 특성용량(specific capacitance)이 증가하는 것으로 알려져 있다.
이러한 금속산화물의 결함을 생성하고 제어하는 기술은 나노소재가 기본적으로 가지는 넓은 비표면적에 의한 활성도 증가뿐만 아니라 표면결합 에너지 변화에 따른 추가반응지점(additional active site) 유도 및 반응경로(reaction pathway) 조절이 가능하기 때문에 전기화학 기반 응용을 위한 전극 소재 설계의 새로운 기준이 되고 있다. 본 보고에서는 전이금속산화물 기반 화합물의 전기화학적 반응 특성을 제어할 수 있는 소재 제어 기술과 응용을 소개하고 그 동향을 분석하고자 한다.
금속산화물 기반 소재는 전지용 전극 물질이나 전기화학 촉매 전극과 같은 전기화학적 에너지 저장 및 변환에 응용되고 있으며, 최근에는 결함 또는 나노구조가 제어된 금속산화물을 전극에 적용하여 기존 소재보다 훨씬 향상된 전기화학적 특성을 가지는 에너지저장 장치 및 전기화학 에너지 변환 촉매에 응용하는 기술이 보고되고 있다. 본 장에서는 금속산화물의 결함 구조를 제어하는 기술을 통해 전기화학적인 물성이 제어된 소재를 활용한 대표적인 사례를 소개하고자 한다.

성능/효과

27) 기공과 같이 상대적으로 큰 사이즈의 결함은 수화된 이온(solvated ions)이 금속산화물의 활성 표면에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하는 물질전달(mass transfer) 통로 역할을 하며, 결과적으로 더 많은 금속산화물 원자가 반응에 참여하고 반응물이 쉽게 표면에 접근함에 따른 반응속도 증가로 인해 소자의 특성용량 증가와 출력밀도를 동시에 향상시킬 수 있다.²⁰⁾
35,36) CO₂ 기체를 직접 전기화학적 환원하는 조건에서, CuO_x에 많은 기공을 유도하게 되면 전기화학적으로 활성화된 표면이 늘어나 반응성이 높아지고 경쟁 반응이 수소 발생 반응이 억제되면서 CO₂가 환원되어 생성되는 CO의 발생량이 높아진다(Fig. 14). 이는 좁은 기공 내에 반응이 진행되면서 국부적 pH(local pH)가 늘어나면서 반응 환경이 탄화수소 생성 방향으로 우세해지는 것으로 설명할 수 있다.

후속연구

아직까지 결함에 의한 전기화학적 반응 제어 메커니즘은 대부분 알려지지 않았으나 관련 후속 연구를 통하여 결함제어 기반 소재 설계 공정이 체계적으로 정립된다면 금속산화물 소재의 가능성을 대폭 향상할 수 있는 소재 설계 및 제조 기술 확보가 가능할 것으로 기대되고 있다. 본 보고에서 제시한 바와 같이 금속산화물은 에너지 저장 및 변환에 응용할 수 있는 핵심 소재로서, 결함제어에 의한 소재 설계 breakthrough를 통하여 차세대 전지나 고성능 축전지에 적용할 수 있는 핵심 소재 제조 공정확보와 더불어 전기화학 촉매를 통한 에너지 변환 산업화를 앞당길 것으로 예측된다.
금속산화물 내에 유도된 결함은 활성지점 추가, 활성면 추가 노출 및 전기화학 반응 경로 제어와 같은 핵심적인 역할을 하기 때문에 에너지저장 및 변환에 응용할 수 있는 핵심 소재 설계요소로 여겨진다. 아직까지 결함에 의한 전기화학적 반응 제어 메커니즘은 대부분 알려지지 않았으나 관련 후속 연구를 통하여 결함제어 기반 소재 설계 공정이 체계적으로 정립된다면 금속산화물 소재의 가능성을 대폭 향상할 수 있는 소재 설계 및 제조 기술 확보가 가능할 것으로 기대되고 있다. 본 보고에서 제시한 바와 같이 금속산화물은 에너지 저장 및 변환에 응용할 수 있는 핵심 소재로서, 결함제어에 의한 소재 설계 breakthrough를 통하여 차세대 전지나 고성능 축전지에 적용할 수 있는 핵심 소재 제조 공정확보와 더불어 전기화학 촉매를 통한 에너지 변환 산업화를 앞당길 것으로 예측된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	결함을 활용하여 추가적인 활성을 가지는 반응면을 부여한 연구사례는?	일반적으로 결함은 물질 내의 활성면을 표면에 노출시키는 역할을 하기 때문에 반응할 수 있는 지점의 빈도를 높일 수 있어서 단순히 소재의 크기가 작아져 늘어나는 비표면적 외에 추가적인 활성을 가지는 반응면을 부여한다. 최근에는 이를 활용하여 표면 레독스 반응(redox reaction)에 따른 에너지 저장 능력을 향상시키고, 이러한 전기화학적 표면 반응을 기반으로 하는 supercapacitors의 에너지밀도와 출력밀도를 동시에 향상시키는 연구가 진행되고있다.8, 9) 또한 단순히 결함 증대에 따른 반응성의 향상뿐만 아니라 구체적인 결함의 종류와 밀도에 따라 전기화학 반응 경로 자체가 달라져 전기화학 촉매반응의 성능을 제어할 수 있다고 알려지면서 전극 물질 내 결함 생성 및 제어는 수소생산이나 이산화탄소 환원과 같은 전기화학촉매(electrocatalysts)에 적용 가능한 핵심 소재의 새로운 설계 방법으로 주목되고 있다.
	결함(defects)의 종류에는 어떠한 것들이 있는가?	1-4) 특히, 결함(defects)은 소재의 표면 및 계면의 특성에 변화를 줄 수 있는 가장 널리 알려진 방법으로, 전기화학 반응에서 반응물인 전해액의 이온 또는 중간반응물(intermediate)의 결합 에너지가 결함이 있는 표면에서 제어될 수 있다고 알려져 있다.5, 6) 따라서 금속산화물 내에 인위적으로 결함을 가지는 구조를 생성하기 위한 공정이 개발되고 있으며, 공정에 따라 공공(vacancy)과 같은 0차원, 전위(dislocation)와 같은 1차원, 입계(grain boundary)와 같은 2차원 및 기공(pore)과 같은 3차원까지 다양한 모양과 특성을 가지는 결함을 금속산화물 전극에 선택적으로 생성 및 제어하여 전기화학적 에너지 변환 및 저장에 응용하는 연구가5,7) 집중적으로 이루어 지고 있다. (Fig.
	전기화학 반응의 효율을 향상시키는 방법은?	최근 전이금속산화물 반도체 물질의 전기화학 반응을 기반으로 한 에너지 저장 및 변환에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기화학 반응은 물질의 표면이나 계면의 상태에 따라 분극(polarization)에 의한 과전압(overvoltage)과 전류밀도(current density)의 변화 양상이 달라지기 때문에 전극 물질인 금속산화물의 표면 및 계면을 구조적으로 설계함으로써 반응 경로와 효율을 향상시킬 수 있다.1-4) 특히, 결함(defects)은 소재의 표면 및 계면의 특성에 변화를 줄 수 있는 가장 널리 알려진 방법으로, 전기화학 반응에서 반응물인 전해액의 이온 또는 중간반응물(intermediate)의 결합 에너지가 결함이 있는 표면에서 제어될 수 있다고 알려져 있다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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