울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 백종범 교수팀이 테프론과 흑연을 반응시켜 불화탄소를 안전하고 손쉽게 합성할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.

11일 UNIST에 따르면 연구팀은 기계화학의 대표적인 반응 유도 방법인 볼밀링법(ball-milling)을 통해 흑연보다 2.5배 이상 우수한 저장 용량과 전기화학적 안정성을 확인했다.

불화탄소를 제작하는 데 필요한 불소가스, 불산 등은 높은 반응성과 부식성으로 매우 위험한 화합물로 알려져 있으며, 특히 인체를 마비시키거나 사망에 이르게 할 수 있다.

이에 연구팀은 안전하고 손쉬운 불소화 반응을 유도하고자 고체를 이용했다.

일상에서 흔히 사용하는 화합물 중 모든 원소가 불소로 이뤄진 테프론은 대기 중에서 안정적이고, 먹어도 인체에 무해한 고분자화합물이다.

프라이팬의 코팅 재료로도 사용되는 테프론은 표면 마찰력을 감소시키고, 화학적으로 안정해 일반적인 반응물로는 사용하지 않는다.

연구팀은 실험을 통해 테프론이 버틸 수 있는 힘보다 더 강한 에너지를 받으면 분자 사슬이 끊어지면서 '라디칼 형성 반응'(분자·원자의 전자가 홀전자를 가진 형태로 반응성이 크게 증가함)이 일어나는 것을 확인했다.

연구팀은 이 과정에서 만들어진 분자복합체가 흑연과 반응해 표면과 가장자리에 붙게 되면서 불화탄소가 만들어지는 것을 다양한 분석법을 통해 증명했다.

이렇게 제조된 불화탄소는 흑연보다 우수한 저장 용량과 전기화학적 안정성을 보였다.

50㎃/ｇ의 저속 충전 시 2.5배 높은 저장 용량을 보였고, 1만㎃/ｇ의 높은 충전 속도에서는 흑연보다 10배까지 높은 저장 용량을 확인했다.

2천㎃/ｇ의 충전 속도로 1천회 이상의 충·방전 실험에서는 흑연은 43.8%의 성능을 유지했지만, 불화탄소는 76.6%의 성능을 유지했다.

제1저자인 에너지화학공학과 장부재 연구원은 "이번 연구는 안전한 불소화 반응이라는 주제로 실험을 진행했지만 가장 중요한 부분은 고체상 반응의 방향과 가능성을 제시한 것"이라며 "불화탄소는 이차전지뿐 아니라 다양한 전자기기의 전극 재료로 응용할 수 있으며, 안전하고 손쉽게 대용량 생산도 할 수 있다"고 말했다.

연구 결과는 에너지·재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 7월 27일 온라인으로 게재됐다.

연구는 UNIST U-K 브랜드, 탄소중립 위원회, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 리더연구사업의 지원을 받아 이뤄졌다.

산업팀  press@jeonpa.co.kr

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