초록 ▼

□ 연구개요
▶ Metal Organic Frameworks(MOF)는 다양한 특성과 구조를 가지며 넓은 표면적과 큰 기공 부피를 가져 다양한 분야에 응용이 가능함.
▶ 리튬 공기전지는 작동 전압과 에너지 밀도가 높아 리튬 이온전지를 대체할 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있음. 하지만 리튬 산화물에 의한 한계로 상용화에 어려움을 겪고 있음.
▶ 본 연구에서는 MOF를 이용하여 나노 구조의 탄소 전극을 합성한 후 금속 촉매와의 복합체 형성을 통해 ORR의 활성을 극대화시키고 리튬 공기전지의 한계를 극복하고자 하였음

□ 연구개요
▶ Metal Organic Frameworks(MOF)는 다양한 특성과 구조를 가지며 넓은 표면적과 큰 기공 부피를 가져 다양한 분야에 응용이 가능함.
▶ 리튬 공기전지는 작동 전압과 에너지 밀도가 높아 리튬 이온전지를 대체할 차세대 에너지 저장장치로 주목받고 있음. 하지만 리튬 산화물에 의한 한계로 상용화에 어려움을 겪고 있음.
▶ 본 연구에서는 MOF를 이용하여 나노 구조의 탄소 전극을 합성한 후 금속 촉매와의 복합체 형성을 통해 ORR의 활성을 극대화시키고 리튬 공기전지의 한계를 극복하고자 하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
▶ 1차년도 : MOF를 이용한 nanocarbon 제조 및 carbonization 조건 최적화
• 2-methylimidazole을 MOF의 ligand로 선정 후 Solvothermal method를 이용하여 ZIF-8을 합성함.
• TGA분석을 통해 carbonization 온도를 750, 850, 900, 950 °C로 선정 및 carbonization을 진행
• carbonization 후 합성된 나노구조의 탄소를 XRD, XPS, BET 등의 다양한 분석법으로 물성평가를 진행함.
• carbonization 온도가 900 °C일때 합성된 나노구조 탄소의 구조가 붕괴되지 않으며, 가장 넓은 표면적(1152 m²/g)을 가짐을 확인함.
▶ 2차년도 : Heteroatom doping을 통한 nanocarbon의 active site 증대 및 촉매 활성 극대화
• Sulfur doping 정도를 조절하기 위해 ZIF-8과 Sulfur source의 비율을 5:1, 3:1, 2:1로 변화시켰음. ZIF-8위에 thiourea를 함침시켰으며 이를 최적화된 온도인 900°C에서 carbonization을 진행함
• XPS 분석을 통해 모든 시료에서 thiophene-S의 S 2p_1/2피크를 확인하였으며 이를 통해 S가 성공적으로 doping됨을 확인함. 또한 NSDPC-3가 ORR활성에 좋은 영향을 주는 pyridinic-N과 graphitic-N의 비율이 높음을 확인함.
• 합성된 촉매의 전기화학적 활성을 평가하기 위해 ORR용 전극 제조. 그 결과, NSDPC-3가 가장 높은 onset-potential과 한계전류를 가짐.
▶ 3차년도 : MOF-derived Metal sulfides/nanocarbon 합성 및 촉매 성능 극대화
• 상기 연구들을 바탕으로 ZIF로부터 Zinc cobalt sulfides on N, S co-doped carbon(Zn-Co-S@NSC) 복합체를 합성함.
• XRD pattern에서 Zn_0.76Co_0.24S의 특성피크를 확인하였으며 XPS분석을 진행하여 N 1s, S 2p, C 1s spectrum을 통해 탄소구조의 형성과 N, S co-doping이 잘 일어났음을 확인함.
• MOF으로 만들어진 Zn-Co-S@NSC 복합체의 전기화학적 활성 평가를 위해 ORR용 전극을 제조함. 그 결과, Zn-Co-S@NSC는 Pt/C와 견줄만한 높은 onset-potential을 보였으며 Pt/C보다 큰 한계전류를 가짐.
• MOF-derived Zn-Co-S@NSC 복합체가 높은 ORR 활성을 보이는 이유는 MOF의 carbonization으로 인한 다공성 3D 탄소 구조와 N, S doping으로 인한 전기전도도 증가와 active site의 극대화 때문임.

□ 연구개발결과의 중요성
▶ 본 연구를 통해서 리튬 공기전지용 전극 제조기술을 개발하기 위해 종합적이고 복합적인 연구를 함으로써 우수인재 양성 및 환경, 에너지 분야 기술발전에도 이바지 할 수 있을 것이라 기대됨.
▶ MOF를 합성하고 carbonization 과정을 거쳐 나노구조의 탄소를 만든 후 금속황화물과 복합체를 형성하여 리튬 공기전지용 전극을 개발하여 기술적인 문제를 해결함과 동시에 리튬 공기전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이라 기대됨.
▶ 리튬 공기 전지는 차세대 에너지 저장 산업을 주도할 것으로 판단되며 자동차 산업뿐만 아니라 기계, 전자, 정보, 생체공학의 복합체인 지능형 로봇산업 등 다가오는 4차 산업 혁명시대의 주 에너지 산업을 주도할 수 있을 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• (1) 연구의 필요성 ... 4
• (2) 연구 가설 및 최종 목표 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• (1) ZIF-8 합성 및 Carbonization 온도 최적화 ... 5
• (2) MOF의 Carbonization 시 Nitrogen과 Sulfur co-doping을 통한 촉매 활성 극대화 ... 6
• (3) MOF-derived Zinc cobalt sulfides on N, S co-doped carbon(Zn-Co-S@NSC) 촉매 합성 및 리튬공기전지 성능 극대화 ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 9
• 4. 참고문헌 ... 10
• 5. 연구성과 ... 11
• 끝페이지 ... 13