바이오인

핵심내용

- 박테리아 이용한 금속산화물 합성공정의 간소화와 수율 개선 -

□ 국내 연구진이 박테리아 표면에서 슈퍼커패시터* 전극에 활용될 수 있는 나노분말을 합성하는 공정을 개발해냈다. 비교적 간단하며 친환경적인 상온공정으로 고성능 전극재료로 응용될 수 있는 금속 산화물 분말을 효과적으로 합성할 수 있어 주목받고 있다. 

     * 슈퍼커패시터 : 리튬이차전지에 비해 에너지밀도가 낮지만 급속 충ㆍ방전이 가능하고 출력밀도가 높아 보조 배터리나 배터리 대체용 등으로 쓸 수 있는 차세대 에너지 저장장치. 높은 효율과 반영구적인 수명이 특징이다.

  o 아주대학교 에너지시스템학과 김동완 교수팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 등의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports)  7월 31일자 온라인판에 게재되었다.

    (논문명: Scalable One-pot Bacteria-templating Synthesis Route toward Hierarchical, Porous-Co3O4 Superstructures for Supercapacitor Electrodes)

□ DNA나 단백질, 바이러스 같은 생체고분자 물질을 지지체로 이용해 나노분말을 합성하는 경우 표면의 형상이나 성질이 다양해 독특한 구조를 얻을 수 있는데다 비표면적이 넓고 저온에서 제조할 수 있다.
  o 하지만 생체고분자가 고가인데다 공정이 복잡하고 수율이 낮아 이를 극복하는 것이 관건이었다.

□ 연구팀은 대량으로 얻을 수 있고 유전자 조작이 쉬운 박테리아* 표면에서 그램(g) 수준의 코발트 산화물* 나노분말을 합성하는 공정을 개발해냈다.

  o 기존 수 마이크로그램(μg) 내지 밀리그램(mg) 합성에 그치던 것을 수 그램(g) 수준으로 합성수율을 개선했다. 

  o 만들어진 코발트 산화물은 비표면적이 넓고, 미세기공이 있어 차세대 에너지저장장치 등의 전극재료로 응용될 것으로 기대된다.

     * 박테리아 Micrococcus : 음전하를 띠는 다양한 기능기로 된 두꺼운 세포벽으로 둘러싸여 있어 표면에 금속 양이온을 쉽게 흡착시킬 수 있어 지지체로 사용할 수 있는 직경 0.5 ∼ 1 마이크로미터 크기의 구균(球菌)

     * 코발트 산화물 : 코발트를 포함한 전이금속 산화물은 기존의 활성탄 전극보다 산화환원 반응에 의해 높은 축전용량을 띠기 때문에 전극소재로 활용된다.

□ 수율개선은 박테리아의 왕성한 증식력과 유전자 조작 용이성, 그리고 세포벽의 강력한 금속이온 흡착력 때문으로, 흡착력은 음전하를 띠는 세포벽과 양전하를 띠는 코발트 이온 사이의 정전기적 인력을 이용한 것이다.

  o 또 상온ㆍ상압의 수용액에서 진행되어 공정이 간단한 점도 장점이다. 

□ 합성된 코발트 산화물 분말은 슈퍼커패시터의 축전용량을 높이고 수명을 늘리는 데 기여할 것으로 기대되는데,

  o 이는 박테리아 표면에 고르게 분포된 분말 입자들 사이의 미세기공 덕분에 전해질 내 이온의 접촉면적이 넓어져 에너지저장밀도가 높아지기 때문이다.

  o 또한 4,000번 이상의 충방전 후에도 저장효율이 95% 이상을 유지하고, 충ㆍ방전 속도도 빨라짐을 알 수 있었다.

□ 김 교수는 이번 연구의 성과는“차세대 에너지 저장장치의 전극소재로 활용될 수 있는 다양한 조성의 금속 산화물 나노분말들을 높은 수율로 확보할 수 있는 합성공정”이라고 설명했다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

 리튬 이차전지 및 슈퍼커패시터와 같은 차세대 에너지저장장치들의 성능 향상은 핵심요소인 전극소재의 개발 및 물성 향상과 밀접한 관련을 갖고 있다. 이를 위해, 최근 다양한 금속 산화물 나노구조체들을 활용하여 전극소재로 응용하는 연구들이 지속적으로 수행되고 있다.

 다양한 금속 산화물 나노구조체 합성방법 중, 템플릿을 이용한 나노구조체의 합성은 다 차원의 다양한 형상을 갖는 나노구조체를 얻을 수 있는 대표적인 합성기술 중 하나이다. 특히, 바이오 템플릿은 형상이나 표면의 기능기가 다양하여 비표면적이 매우 넓고 복잡한 화합물의 저온 제조가 가능하고, 또한 독특한 형상의 나노구조체의 합성이 용이한 장점을 갖고 있다. 하지만, 아직까지 이러한 바이오 템플릿을 활용한 금속 산화물의 나노구조체 합성은 일부 DNA, 펩타이드, 단백질, 바이러스 등의 한정되어 있으며, 복잡한 합성공정 및 낮은 수율의 어려움이 있어 아직까지 많은 연구가 이루어지고 있지 않다. 또한, 이렇게 합성된 소재의 활용에 관한 연구도 매우 한정되어 있다.

 따라서, 바이오 템플릿을 적용한 금속 산화물 나노구조체들의 합성을 연구하는 데 있어 합성공정 간소화 및 높은 수율의 확보를 이룰 수 있는 연구개발과 더불어 이를 이용한 고성능의 전극소재 응용에 관한 연구 결과들을 체계적으로 확보가 필요하다.

 2. 연구내용

 높은 음전하의 특성 (표면전위측정 결과: -38 mV)을 갖는 미생물 박테리아 마이크로 코커스(Micrococcus; 직경 0.5 ~ 1 마이크로 미터의 크기를 갖는 구형의 그람 양성균 박테리아)를 템플릿으로 적용하여, 정전기적 인력으로 인한 박테리아 표면에 코발트 금속 양이온을 흡착시키고 환원제를 사용하여 박테리아 흡착된 코발트 이온의 환원 및 이후의 용액 내에서 자발적 산화 과정을 통해 코발트 산화물을 합성하였다.

 박테리아 표면에 합성된 코발트 산화물 나노구조체들은 2 ~ 10 나노미터의 평균 직경을 가지며, 이러한 나노입자들로 구성된 나노시트(Nanosheet)들의 형태를 나타냈다. 또한, 작은 나노입자들 사이의 2 ~ 8 나노미터의 높은 다공성의 특징과 함께 ~ 149 m2/g의 높은 단위표면적 특징을 보였다. 결과적으로 마이크로 크기를 갖는 박테리아 템플릿 위로 형성된 나노크기의 코발트 산화물로 인해 나노/마이크로 크기의 계층적인 구조(hierarchical structure)로 이루어진 형태의 구조체를 나타냈다. 이러한 박테리아 표면 위에 형성된 코발트 산화물 나노구조체들은 사용된 코발트 양이온의 농도 및 환원제의 농도를 변화시킴으로써 박테리아 표면 위로 형성되는 코발트 산화물의 분포 및 밀도를 조절할 수 있다.

 또한, 합성된 코발트 산화물의 나노분말들을 이용하여 슈퍼커패시터 전극소재로 응용을 위한 연구를 수행하였다. 획득된 코발트 산화물 나노분말들을 집전체인 니켈 메시(mesh)에 도포하고 이를 이용하여 3 M KOH 전해질 내에서 전기화학적 특성을 평가했다. 200 mV/s까지의 주사 속도 변화를 통한 정전압 측정 및 1 A/g, 2 A/g에서의 정전류 측정이 수행되었다. 측정 결과, 코발트 산화물 나노분말을 이용한 슈퍼커패시터 전극의 경우 전기이중층 커패시터에서 보이는 사각형의 정전압 측정 결과와는 다른 산화-환원반응이 발생하는 피크가 관찰되며 또한 높은 주사 속도의 측정에서도 높은 용량의 값을 나타냈다. 더욱이, 정전류 측정에서는 높은 전류밀도 (2 A/g) 측정에서 4,000 사이클이 지난 후에도 200 F/g 이상의 높은 용량 특성을 보였다.

 3. 기대효과

 본 연구에서 개발된 바이오 템플릿 (미생물 박테리아)을 적용한 저차원 나노구조체 합성 및 전극소재로의 응용 연구 결과의 확보를 통해, NT-BT-ET가 접목되는 융합 기술 측면에서 모델 시스템으로써 효과적으로 기여할 수 있을 것이다. 더불어, 합성공정의 간소화 및 최적화로부터 높은 수율의 나노분말 획득 및 우수한 전극소재 특성 구현으로부터, 나노구조체 합성 및 에너지 저장 소재 기술 등의 관련 연구에서 높은 기여도를 제공할 수 있으며, 대량생산 가능성의 잠재력이 높아 관련 산업분야의 기술이전이 유리하게 작용할 수 있을 것이다.

용 어 설 명

1. Scientific Reports
 ○ 2011년 처음 발간된 네이처(Nature) 발행 학술지로 물리, 화학, 생물 등 과학 기술의 전 분야를 다루는 학술지. (2012년 Impact Factor 2.927)

 2. 그람 양성균(Gram-positive)
 ○ 세균류는 보통 세포벽 구조에 따라 그람 양성균 혹은 그람 음성균으로 분류되는데, 그람 양성균은 그람 염색에서 감청색 또는 보라색으로 염색이 되는 세균을 말하며, 대표적으로 바실러스 박테리아가 속한다. 이에 반해, 적색 또는 복숭아색으로 염색이 되는 것을 그람 음성균 부른다.

 3. 초용량 축전지(슈퍼커패시터, Supercapacitor)
 ○ 일반 커패시터의 장점인 고출력 특성과 전지의 장점인 고 에너지 밀도 특성의 중간단계에 위치한 소자로 고속 충·방전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 사이클 수명을 갖고 있어 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있다.
 ○ 일반적으로 전기화학 커패시터(electrochemical capacitor, EC)를 나타내며, 울트라 커패시터(ultracapacitor)라고도 불린다.
 ○ 슈퍼커패시터는 전하를 저장하는 방식에 따라 전극/전해질 계면 간 전기이중층에서의 전하의 분리로 인해 발현되는 전기이중층 커패시터(Electric double layer capacitor, EDLC)와 전극/전해질 계면 간 가역적인 산화-환원 반응에 의한 의사커패시터(Pseudocapacitor)로 구분된다.

그 림 설 명

그림 1. 박테리아 템플릿 기반 코발트 산화물 합성공정 개발 모식도
(a) 박테리아(micrococcus) 템플릿 이미지
(b) 박테리아 템플릿의 기능기를 포함한 세포벽 표면 구조 형태
(c) 기능기에 의한 박테리아 템플릿의 표면 음전하 특성
(d) 박테리아 템플릿 기반 코발트 산화물 합성 모식도

그림 2. 박테리아 템플릿 기반 다공성의 코발트 산화물 이미지
(a-c) 나노시트 형태의 다공성 코발트 산화물 투과전자 현미경 이미지
(d-e) 코발트 산화물의 결정성을 보여주는 투과전자 현미경 이미지 및 전자회절패턴
(f-j) 코발트 산화물의 원소 (Co, O, P) 분석결과

그림 3. 박테리아 템플릿 기반 코발트 산화물 전극의 슈퍼커패시터 성능
(a) 정전압 충방전 (시간에 따른 전압 변화)에 의한 용량 측정 결과  (1324 F/g at 5 mV/s)
(b,c) 정전류 충방전 (단위 무게당 전류 변화)에 의한 용량 측정 결과 (226 F/g at 0.5 A/g), 코발트 산화물 무게만 고려시 737 F/g으로 기존 코발트 산화물 나노전극에 비해 3배 이상 고용량 
(d) 고용량, 장수명 특성 (4000 사이클 이상에서도 95% 이상 용량 유지) 및 높은 충방전 효율 (충방전 용량 차이 5% 이하)