- [2023. 4. 6.] 연세대학교 미래캠퍼스 임대운 교수, 다공성 배위 고분자에서 양성자 전도 영향 요인 규명 2023.04.11
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연세대학교 미래캠퍼스 임대운 교수,
다공성 배위 고분자에서 양성자 전도 영향 요인 규명
- 2차원 다공성 배위 고분자에서 리튬이온과 양성자의 협력 확산을 통한 효율적인 고체 이온 전도체 개발 -
연세대학교 미래캠퍼스
화학및의화학과 임대운 교수
o 연세대학교 미래캠퍼스 화학및의화학과 임대운 교수와 일본 교토대학교(Kyoto University)의 기타가와 히로시(Kitagawa Hiroshi) 교수 연구팀이 2차원 구조의 다공성 배위 고분자에서 리튬이온과 양성자의 협력적 확산 이동을 통한 높은 이온 전도성을 나타내는 고체 이온 전도체를 개발했다. 이번 연구는 그 중요성과 우수성을 인정받아 종합화학(multidisciplinary chemistry)분야의 세계적 권위 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF=16.823)에 3월 7일 자로 게재됐다.
o 최근 친환경 에너지 플랫폼 수요와 함께 수소 경제에 기반을 둔 연료전지 또는 전기 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 전기차의 주요 부품인 배터리의 안전성과 효율에 관여하는 전해질의 개발은 중요한 이슈이며, 새로운 고체 전해질 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
o 현재까지의 배터리는 액체 상태 전해질을 많이 사용하고 있지만, 배터리의 변형 또는 손상에 의한 전해질 누출이 화재와 같은 안전 문제를 야기하고 있다. 따라서 높은 전도성을 갖는 고체 상태의 전해질 개발은 안전성 측면에서 필요하며, 유연한 전기 장치 개발에 도움이 된다. 지금까지는 유기 고분자에 기반을 둔 고체 전해질이 상용화되어 있으나, 높은 가격과 반복되는 충·방전에 따른 성능 저하가 문제로 알려져 있으며, 새로운 고체 전해질의 개발이 필요한 상황이다.
o 다공성 금속 유기 골격체는 다양한 구조 설계가 가능하고, 높은 다공성을 나타내며, 손쉬운 기공 표면 개질 특성으로 많은 활용성을 보여주고 있다. 지난 10년간 다공성 금속 유기 골격체를 활용한 양성자 또는 이온 전도체 연구가 주목받고 있으며, 현재까지 다양한 방법을 활용하여 물질의 이온 전도도를 높이는 방법에 대해 연구되고 있다. 최근에는 금속 유기 골격체에서 양성자의 전도도는 상용화된 물질에 가까운 높은 전도도가 보고되고 있으나, 금속 이온의 전도성이나 금속 이온과 양성자의 협력적 확산을 통한 이온 전도도 및 이온의 거동에 관한 연구는 부족한 상황이다.
o 본 연구팀은 이온 전도성 금속 유기 골격체 제조를 위해 층상형의 2차원 구조체 갖는 티타늄(Ti) 기반의 다공성 금속 유기 골격체를 활용하여, 합성 후 변형 방법(post-synthetic modification)을 통해 구조체에 다양한 리튬 염(LiCl, LiBr, LiI)을 도입했으며, 짝 음이온에 의한 이온 전도성 효과를 관찰했다. 또한 리튬 염의 도입을 통한 수분 흡습성 향상은 물질의 양성자 전도성을 높이는 것을 확인했다.
o 이번 연구를 통해 금속 유기 골격체에 도입된 리튬 염은 자체로 이동 가능한 전하의 농도를 높일 뿐만 아니라, 물 분자를 강하게 붙잡기 때문에 고온에서도 물 분자가 구조체에서 쉽게 이탈하지 않고, 양성자의 전도도를 높게 유지하는 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
그림 설명: 2차원 다공성 배위 고분자에서 리튬과 양성자의 이동
o 이와 같은 결과를 통해, 연구팀은 다공성 배위 고분자 물질에 금속염을 도입한 시스템은 수성 충전식 금속 이온 배터리(Aqueous rechargeable metal ion batteries)에서 고체 전해질 설계를 위한 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
o 연세대학교 미래캠퍼스 화학및의화학과 임대운 교수는 “지난 20년간 다공성 배위 고분자 소재는 에너지·환경에 관련된 다양한 분야에서 활용 가능성이 입증되었으며, 본 연구성과는 앞으로 에너지 플랫폼에 직접적으로 응용 가능한 소재 설계 방법에 도움이 될 것으로 기대하고 있다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
o 이번 연구는 연세대학교 미래캠퍼스 화학및의화학과 임대운 교수, 일본의 교토대학 화학과 기타가와 히로시 교수가 공동 교신저자로 수행되었다.
게재 논문 링크
Link : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202301284
※ 사진 원본 별첨
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의료원: 1599-1004
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