성균관대 화학공학/고분자공학부 김정규 교수와 ㈜닐사이언스 대표 심욱 교수(현 한국에너지공과대학교) 공동 연구팀은 포항공과대학교 최창혁 교수와 독일 University of Cologne의 최희채 박사와의 협업을 통해 동백꽃으로 청정 수소생산과 에너지 저장에 적합한 친환경 에너지 소재 기술을 개발하였다.
최근 환경과 기후 변화에 대한 관심이 커짐에 따라 청정 수소를 생산하는 그린 수소 에너지 기술 및 빠른 충·방전 속도와 긴 수명을 가지는 에너지 저장장치인 슈퍼커패시터(super capacitor)가 주목받고 있다.
현재는 슈퍼커패시터의 소재로 탄소 기반의 재료가 주목받고 있지만 대부분의 현존 탄소 재료는 합성과정에서 광물성 원료와 석유제품에 대한 의존도가 높아 지속 가능한 발전을 위한 소재로는 한계가 있다.
이를 해결하기 위해 김정규 교수 연구팀에서는 떨어진 꽃잎에 열분해 공정을 통해 바이오숯(Biochar)을 제작하면 친환경적 특성을 포함해 열분해 과정에서 자가 도핑 효과를 가지는 특성을 활용할 수 있을 것으로 예상하였다.
특히 동백나무 꽃잎은 우리나라에 널리 분포하고 음이온을 풍부하게 가지고 있어 연구팀은 떨어진 동백꽃을 이용하여 다기능성, 고성능의 친환경 에너지 소재 연구를 수행하였다.
연구팀은 동백꽃으로 제작된 바이오숯(Biochar) 나노 소재를 전기화학적 물 분해 반응을 위한 다기능성 촉매로 이용한 결과 낮은 과전위와 24시간 연속 가동에도 불구하고 높은 안정성을 보였다.
또 바이오숯(Biochar)를 에너지 저장을 위한 슈퍼커패시터의 전극 소재로 도입하였을 때는 우수한 비정전용량과 사이클링 안정성을 보여줌으로써 우수한 에너지밀도를 보이는 하이브리드 슈퍼커패시터로의 가능성을 보여주었다.
또한 바이오매스의 원료의 다양화를 통해 탄소 골격체 내부에 도핑되는 이온을 조절하여 기존의 귀금속 기반 촉매 대비 높은 성능과 안정성을 가지는 소재를 합성하는 등 향후 추가적인 연구를 통하여 전기자동차 및 수소 에너지 캐리어 생산영역에서 경쟁력 있는 에너지 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김정규 교수는 “본 연구는 동백꽃이라는 탄소 기반 생체소재를 이용한 합성법을 사용함으로써 공정의 친환경화를 이루었으며 자가 도핑을 통한 물 분해 전극과 슈퍼커패시터의 성능을 향상시킨 것에 의의가 있다”며,
“자연에서 얻을 수 있는 바이오매스를 에너지 생산 및 저장 소자로 탈바꿈하여 폐자원의 자원화 및 녹색 에너지 실현에 한걸음 다가설 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 에너지 소재 분야 세계적인 학술지인 ‘Carbon Energy’ 저널(IF: 21.6)에 2022년 7월 표지논문으로 선정되었다.
* A sulfur self-doped multifunctional biochar catalyst for overall water splitting and a supercapacitor from Camellia japonica flowers (저널: Carbon Energy, DOI: https://doi.org/10.1002/cey2.207)
