KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 정현수 기능성복합소재연구센터 박사팀이 정희태 KAIST 교수팀과 셀룰로오스를 이용해 나노입자의 고밀도화가 가능한 플랫폼 소재를 구현했다고 23일 밝혔다.

촉매생산 공정 중 CTS(탄소열충격)방법은 초고속, 저에너지로 나노입자 합성이 가능해 각광받는 공정이다. 하지만 전도성 탄소 소재를 활용한 기존 CTS 방법은 나노입자의 고밀도화가 어려워 촉매 성능에 한계가 있고, 고부가가치 반응 응용에 어려움이 있다. 금속종류에 따라 편차가 심하고, 촉매 외 다른 부위가 노출되기 쉬워 부반응이 일어나는 단점도 있었다. 특히 이산화탄소를 청정에너지로 전환하는 탄소중립과 같은 친환경분야에 활용이 불가능했다.

연구진은 CTS 공정시 금속나노입자를 만드는데 필수라고 여겨졌던 전도성 기판소재를 비전도성 셀룰로오스로 대체하면서 단점을 극복했다. 기존 연구들은 전도성 탄소 소재의 표면개질을 통해 표면 산호기능기를 더 늘리는 방향으로 금속나노입자의 밀도를 높게 만들었지만, 연구진은 처음부터 표면에 산소기능기가 풍부하나 비전도성을 갖는 셀룰로오스를 순간적으로 탄화해 전도성을 확보했다.

연구진에 따르면 셀룰로오스를 기판소재로 활용한 결과 1.5초 만에 80% 이상 고밀도를 갖는 금속나노입자를 제조할 수 있었다. 또  CTS 공정 중 셀룰로오스의 탄화 과정에서 형성되는 카본 나노 클러스터를 다결함 구조로 만들어 1.5초 만에 금속 원자의 종류(귀금속, 비귀금속) 와 개수(단일, 다성분계)에 상관없이 시도한 모든 나노입자를 고밀도로 형성하는데도 성공했다.

연구진은 금속원자가 30% 미만 저밀도로 형성돼 부반응이 일어나 시도하지 못했던 이산화탄소 전환공정에 이 플랫폼을 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 

정현수 박사는 “원하는 금속 원자의 종류와 개수대로 고밀도 금속 나노입자를 제조할수 있기 때문에 높은 경제성을 가지면서, 이산화탄소 및 질소전환과 같은 탄소중립 혹은 배터리와 같은 에너지 분야 등에 포괄적으로 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 'Science Advances' 최신호에 게재됐다.