[미국] 백금 촉매를 대체할 레이저로 가공된 그래핀
독특한 형태의 그래핀을 개발했던 라이스대학(Rice University) 화학자들은, 연료전지 및 다른 분야에서 유용한 촉매로 재료를 변환시킬 수 있는 금속 나노입자를 사용하는 방법을 개발하였다.
작년에 라이스대학 화학자인 James Tour가 개발한 레이저 유도 그래핀(laser-induced graphene)은 다공성 그래핀 표면을 갖는 유연한 필름 형태로, 폴리이미드(polyimide)로 알려진 범용 플라스틱을 상업용 레이저 스크라이빙 빔(laser-scribing beam)에 노출시켜 제조하였다.
본 연구결과는 ACS Nano지에 "In situ Formation of Metal Oxide Nanocrystals Embedded in Laser-Induced Graphene"이라는 제목으로 게재되어 있다.
본 연구를 통해 개발된 소재는 MO-LIG(metal oxide-laser induced graphene)라고 불리는데, 산소와 수소가 반응하여 물과 전기를 생성하는 연료전지에서의 촉매작용을 하는 백금과 같은 고가의 귀금속을 대체할 수 있는 새로운 후보물질로 여겨지고 있다.
개발된 프로세스의 장점은, 흔히 사용되는 고분자와 단순하고 저렴한 금속 염(metal salts)을 사용한다는 점이라고 Tour는 강조하였다. 이 혼합물에 레이저 스크라이버(laser scriber)를 사용하여 그래핀 속에 내장된 금속 나노입자를 생성할 수 있게 된다. 대부분의 과정이 대기 중 상온 하에서 레이저를 통해 이루어진다.
이 복합재료에서의 금속 함량은 1% 미만이며, 이 금속 성분은 연료전지에서 고성능 촉매로서의 역할을 수행한다. 다른 방법들은 훨씬 많은 공정과 고가의 금속 및 탄소 전구체를 필요로 한다.
초기에 연구팀은 쉽게 구입이 가능한 폴리이미드(polyimide sheet)를 사용하여 레이저를 이용한 그래핀을 제작하였다. 그 이후 연구팀은 붕소(boron)와 액체 폴리이미드를 융합시켜 전하 저장용량을 크게 향상시킨 레이저 유도 그래핀을 생산함으로써, 효과적인 슈퍼커패시터(supercapacitor)로서의 가능성을 높여주었다.
마지막으로 연구팀은 코발트, 철 혹은 몰리브덴 금속 염 중 하나와 액체를 혼합시켰다. 각 혼합물을 필름 상에 응축시킨 후에, 적외선 레이저로 처리하고 아르곤 기체 하에서 섭씨 750도에서 30분 동안 가열하였다.
이 과정을 통해 견고한 금속성의 10나노미터 크기의 입자가 그래핀 전체에 균일하게 분포된 MO-LIG가 생산되었다. 실험 결과, 연료전지에서의 필수적인 화학반응인 산소 환원 반응을 촉진시키는 능력이 있음을 확인하였다. 이 물질을 추가로 황으로 도핑하면, 수소 발생과 물을 수소로 전환하는 다른 촉매 과정을 가능하게 해 준다고 연구팀은 밝혔다.
또한 금속 산화물을 금속 황화물(metal sulfide)로 변환시키기 위해 그래핀-몰리브덴 산화물을 황으로 처리하는 간단한 방법은, 수소 발생 반응을 위한 촉매로 변환시킴으로써 다양한 활용이 기대되고 있다.
그림 1> 라이스대학에서 개발된 코발트가 융합된 MO-LIG에 대한 주사전자현미경 사진. 이 물질은 연료전지용 촉매 재료인 백금 혹은 다른 고가의 금속을 대체할 적절한 물질로 여겨진다. 스케일 바의 크기는 10마이크론이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 25일]
[원문보기]
Laser-burned graphene a possible replacement for platinum as catalyst
Rice University chemists who developed a unique form of graphene have found a way to embed metallic nanoparticles that turn the material into a useful catalyst for fuel cells and other applications.
Laser-induced graphene, created by the Rice lab of chemist James Tour last year, is a flexible film with a surface of porous graphene made by exposing a common plastic known as polyimide to a commercial laser-scribing beam. The researchers have now found a way to enhance the product with reactive metals.
The research appears this month in the American Chemical Society journal ACS Nano ("In situ Formation of Metal Oxide Nanocrystals Embedded in Laser-Induced Graphene").
With the discovery, the material that the researchers call "metal oxide-laser induced graphene" (MO-LIG) becomes a new candidate to replace expensive metals like platinum in catalytic fuel-cell applications in which oxygen and hydrogen are converted to water and electricity.
"The wonderful thing about this process is that we can use commercial polymers, with simple inexpensive metal salts added," Tour said. "We then subject them to the commercial laser scriber, which generates metal nanoparticles embedded in graphene. So much of the chemistry is done by the laser, which generates graphene in the open air at room temperature.
"These composites, which have less than 1 percent metal, respond as 'super catalysts' for fuel-cell applications. Other methods to do this take far more steps and require expensive metals and expensive carbon precursors."
Initially, the researchers made laser-induced graphene with commercially available polyimide sheets. Later, they infused liquid polyimide with boron to produce laser-induced graphene with a greatly increased capacity to store an electrical charge, which made it an effective supercapacitor.
For the latest iteration, they mixed the liquid and one of three concentrations containing cobalt, iron or molybdenum metal salts. After condensing each mixture into a film, they treated it with an infrared laser and then heated it in argon gas for half an hour at 750 degrees Celsius.
That process produced robust MO-LIGs with metallic, 10-nanometer particles spread evenly through the graphene. Tests showed their ability to catalyze oxygen reduction, an essential chemical reaction in fuel cells. Further doping of the material with sulfur allowed for hydrogen evolution, another catalytic process that converts water into hydrogen, Tour said.
"Remarkably, simple treatment of the graphene-molybdenum oxides with sulfur, which converted the metal oxides to metal sulfides, afforded a hydrogen evolution reaction catalyst, underscoring the broad utility of this approach," he said.
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