제주대학교 해양시스템공학과 배진호 교수 연구팀이 유사 용량성 전하 저장 문제 해결 연구로 세계 최고수준 저널 ‘Chemical Engineeering Journal’에 연구논문을 게재해 관심이 모아진다.

24일 배 교수 연구팀에 따르면 Ti3C2Tx MXene 소재는 전기화학 에너지 저장에 좋은 전극 재료이지만 자가 응집 및 산화 분해로 인해 유사 용량성 전하 저장 (pseudocapacitive charge storage)이 충분하지 않다. 이에 본 논문에서는 이러한 유사 용량성 전하 저장 문제를 개선하기 위해 아래 그림과 같이 산화 문제와 전도도 개선을 위한 MXene 기반 2D/3D 이종 구조 합성의 2단계 프로세스를 제안했다.

첫 번째 단계는 MXene의 부분 산화하에 3D 플로럴 Ti3C2-TiO2 나노리본 (3D floral Ti3C2-TiO2 nanoribbons)을 생성하고, 두 번째 단계에서 Cu 이온을 사용해 3D 플로럴 Ti3C2-TiO2 나노리본을 2D/3D Ti3C2-TiO2-CuTiO3의 이종 구조로 변환한다. 이렇게 제작된 2D/3D 이종 구조는 MXene, TiO2 및 CuTiO3의 시너지 효과로 층간 간격, 산화 환원 활성 부위 농도를 향상시키고 TiO2 나노리본에 의해 낮은 전도도 문제를 해결한다.

제안된 2D/3D Ti3C2-TiO2-CuTiO3 이종 구조는 158.7F/g의 용량과 352.1F/g의 3D 플로럴 Ti3C2-TiO2 나노리본을 사용한 MXene에 비해 437.3F/g의 훨씬 더 높은 용량을 보여주었으며, 제한한 전극의 성능 평가를 위해 본 논문은 비대칭 슈퍼커패시터 (ASC) 장치(Ti3C2-TiO2-CuTiO3/AC)를 제작해 31.1Wh/kg의 에너지 밀도, 1041.7W/kg의 전력 밀도 및 5000회 연속 충/방전 사이클 후 83.7%의 용량 유지율을 보였다. 이러한 결과로 본 연구는 슈퍼캐패시터의 성능 향상을 위해 유사 용량성 전하 저장 문제를 해결하는 단초가 될 것으로 기대하고 있다.

이번 연구는 제주대 해양시스템공학 배진호 교수(BK+ 빅데이터 기반해양융합전문인력사업단 단장) 연구팀과 울산대학교 이승구 교수님 연구팀과 공동 개발연구로 논문(메인 제1저자 제주대 노만 무하마드 박사과정 대학원생, 공동 제1저자 제주대 샤키브 무하마드 박사, 공동 제1저자 울산대 Mirza Mahmood Baig 박사) “Ti3C2Tx-MXene Based 2D/3D Ti3C2–TiO2–CuTiO3 Heterostructure for Enhanced Pseudocapacitive Performance”의 논문 제목으로 세계 최고수준의 저널인 ‘Chemical Engineering Journal (499권)’에 실린다.

한편 이번 연구는 제주대의 경우 과학기술정보통신부 지원의 중견연구, 제주대학교 글로벌 지역혁신 선도연구센터 및 해외우수과학자유치사업 등의 지원으로 수행됐다.