초록 ▼

□ 연구개요
고온 및 저온형 양성자 교환막 연료전지의 성공적인 적용을 위해서는 넓은 작동 범위에서 높은 양성자 전도도를 보이는 고체 전해질의 개발이 필요함. 결정성 다공성 골격체는 상용화된 고분자 막이 갖는 낮은 습도에서 끊어지며 불균일하게 구성되는 이온 채널을 가지는 한계를 해결할 수 있어 많은 연구가 되고 있음. 본 연구에서는 습도에 독립적으로 높은 양성자 전도도를 위하여 플렉시블 금속-유기 골격체와 이미 다졸의 높은 상호작용을 이용해 매우 큰 골격체의 구조 변화를 유도하고, 이를 통해 고농도의 양성자 캐리어가 도입되어 연

□ 연구개요
고온 및 저온형 양성자 교환막 연료전지의 성공적인 적용을 위해서는 넓은 작동 범위에서 높은 양성자 전도도를 보이는 고체 전해질의 개발이 필요함. 결정성 다공성 골격체는 상용화된 고분자 막이 갖는 낮은 습도에서 끊어지며 불균일하게 구성되는 이온 채널을 가지는 한계를 해결할 수 있어 많은 연구가 되고 있음. 본 연구에서는 습도에 독립적으로 높은 양성자 전도도를 위하여 플렉시블 금속-유기 골격체와 이미 다졸의 높은 상호작용을 이용해 매우 큰 골격체의 구조 변화를 유도하고, 이를 통해 고농도의 양성자 캐리어가 도입되어 연속적이며 밀집된 수소 결합 네트워크의 형성을 통해 매우 높은 양성자 전도도를 보이는 물질을 개발함. 또한, 분자 설계를 통해 금속-유기 골격체 내 수소 결합 네트워크가 형성되는 메커니즘에 대하여 밝힘.

□ 연구 목표대비 연구결과
플렉시블 금속-유기 골격체 MIL-88B와 양성자 전도체로 사용된 이미다졸의 효과적인 골격체-객체 상호작용을 이용하여 닫힌 상태 대비 242.66%의 부피를 보이는 가역적 구조 변화를 유도하였고, 이는 MIL-88B의 객체 분자에 의한 구조 변화 중 가장 높은 값임. 이미다졸은 분자 내 양성자 주개 및 받개 자리가 존재하여 효과적인 양성자 전도가 가능할 뿐 아니라, 질소 부분은 친수성의 금속 부분과 헤테로고리 화합물 특성은 소수성의 리간드와 강한 상호 작용을 할 수 있어 본래 연구 목표였던 최고 수준을 뛰어넘는 골격체 부피 팽창을 이끌어 냄. 이를 기반으로 한 최적의 골격체-객체 상호작용 조정을 통하여 60 ℃, 상대 습도 95%에서 8.93×10^-2 S cm^-1의 이미다졸이 로딩된 양성자 전도체 중 가장 높은 양성자 전도도를 갖는 물질을 개발함. 측정 조건의 변경으로 기존 목표인 120 ℃가 넘는 환경에서 세계 최고 수준의 양성자 전도도와 직접적인 비교를 하였을 때는 비교적 낮은 값이지만, 온화한 측정조건임을 고려했을 때 상용화된 양성자 교환막의 성능과 비교될 만한 수준의 양성자전도도를 보임. 또한, 우수한 금속-유기 골격체의 결정성을 바탕으로 리간드의 개질, 기공 크기, 양성자 캐리어 등의 분자 설계를 통하여 양성자 전도에 있어 가장 중요한 수소-결합 네트워크의 형성 메커니즘에 대하여 분석함. 특히, 양성자 캐리어의 종류 및 특성에 따른 수소-결합 네트워크의 형성에 관해 연구하여 양성자 전도체의 최적 설계 방안을 제시함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
상용화된 양성자 교환 고분자 막의 작동 단점을 제외하고도 현재 유럽과 미국을 중심으로 시작된 불화화합물(PFAS) 규제를 고려했을 때 이를 대체할 새로운 물질의 개발이 시급함. 따라서, 본 연구 과제는 고분자 막의 대체재로 여겨지는 결정성 다공성 골격체를 선택하여 넓은 작동 범위에서 높은 안정성과 양성자 전도도를 갖는 물질을 개발하여 향후 효과적인 활용 가능성을 입증하였음. 또한, 단순한 높은 전도도에 국한하지 않고, 일반적으로 양성자 전도도를 높이기 위해 가장 많이 접근하는 전략인 골격체 내 양성자 캐리어 및 작용기 도입에 있어 고려해야 할 방안을 제시함. 이러한 설계도를 바탕으로 다양한 고성능의 결정성 다공성 골격체가 개발될 수 있으며, 부족한 막 가공성 문제를 해결한다면 오랜 시간 목표한 고분자 막에 대한 성공적인 대체가 가능할 것임. 따라서, 본 연구팀은 과제를 통하여 세운 이론적 지침을 바탕으로 고성능 결정성 다공성 골격체 기반 연료전지 교환막을 제작하고 활용할 예정임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 17
• 3) 목표 달성 수준 ... 17
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 6. 자체점검표 ... 19
• 7. 참고문헌 ... 19
• 끝페이지 ... 34