미국 연구진이 버려지는 농업 폐기물에서 그래핀과 유사한 구조와 기능을 나타내는 탄소 기반 나노소재 합성기술 개발에 성공했다. 미국 앨버타대학(University of Alberta) 데이비드 미트린(David Mitlin) 연구진은 이 신기술을 통해 농업 폐기물이 첨단소재 개발에 중요한 원료물질로 사용될 수 있으며 저비용 첨단소재 생산기술 개발에 기여할 수 있음을 입증해 보였다.

그래핀 발견은 많은 과학자들을 흥분의 도가니로 몰아넣었다. 그래핀은 언젠가 배터리, 태양전지, 투명전극(transparent electrodes) 같은 첨단장치는 물론이고 가정용 전자제품에도 폭넓게 활용될 것이 분명하다. 하지만 그래핀 기술의 미래를 마냥 장밋빛으로 전망하기 어려운 상황이다.

그래핀 응용기술을 개발하고 널리 보급하려면 높은 그래핀 제조비용을 획기적으로 개선할 필요가 있기 때문이다. 미트란 교수 연구진은 그래핀 제조비용을 개선하는 대신 농업 폐기물을 활용한 저비용 탄소 기반 나노소재 합성기술을 제안하는 대안을 택했다.

                   그래핀과 유사한 성질의 탄소 기반 나노소재를 식물성 폐기물의 일종인 대마(Cannabis sativa)


농작물 수확과정에서 발생하는 폐기물이 배터리나 슈퍼 커패시터(Supercapacitor)를 만드는 첨단 전극소재로 탈바꿈하는 마법 같은 일이 현실화되었다.

그래핀은 전기전도도가 우수하고 표면적이 높아서 배터리나 슈퍼커패시터용 전극재료로 가장 이상적인 물질로 꼽힌다. 슈퍼커패시터는 배터리처럼 에너지를 저장하는 장치지만 배터리보다 빠른 속도로 충전과 방전을 할 수 있다.

슈퍼커패시터가 빠른 충방전 특성을 나타낼 수 있는 비법은 빠르게 활용할 수 있는 형태로 에너지를 전극 표면에 저장하기 때문이다. 현재 버스 제동시스템과 고속충전 플래시(fast-charging flashlights) 등에 슈퍼커패시터가 사용되고 있다.

상용 슈퍼커패시터는 활성화탄소 전극(activated carbon electrodes)을 사용하고 있지만, 연구 목적의 실험용 장치는 보다 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 그래핀을 전극으로 사용하고 있다.

그래핀이 실험실 수준의 연구에만 제한적으로 사용되고 있는 이유는 가격 때문이다. 그래핀이 실용화에 필요한 경쟁력을 갖추기 위해선 가격(또는 제조비용)을 현재 킬로그램당 약 45,000원($40/kg) 정도인 활성화탄소 수준에 근접시켜야 한다.

미트린 연구진은 그래핀과 유사한 성질의 탄소 기반 나노소재를 식물성 폐기물의 일종인 대마(Cannabis sativa; 그림 1) 섬유로 제조하는데 성공했다. 대마 섬유는 직물, 로프 등을 만드는 재료로 사용된다. 대마 섬유로 만든 탄소 기반 나노소재의 물성은 그래핀과 비슷한 수준이지만 훨씬 싼 값에 만들어질 수 있다.

대마는 농약이나 비료를 사용하지 않아도 다양한 기후 환경에서도 빨리 자라기 때문에 재배가 쉽고 저렴한 작물이다. 연구진이 주목한 부분은 대마의 ‘인피섬유(bast)’라는 부분이다. 인피섬유는 나무껍질과 유사한 얇은 층으로 별다른 쓰임새가 없기 때문에 소각 또는 매립으로 버려지는 부분이다.

인피섬유는 리그닌(lignin), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 결정성 셀룰로오스(crystalline cellulose) 층으로 이루어진 물질이다. 재료과학자인 미트린 연구진의 시각에서 보면 인피섬유는 일종의 ‘나노복합소재(nanocomposite)’로 보였을 것이다.

즉, 미트린 연구진은 발상의 전환을 통해 인피섬유를 적절하게 가공해서 그래핀과 유사한 구조와 기능을 나타내는 나노시트(nanosheets)를 만들어낼 수 있다는 가능성을 발견했을 것이다.

앨버타대학 연구진은 인피섬유를 180℃에서 24 시간 동안 가열한 후 이를 수산화칼륨(potassium hydroxide; KOH)으로 처리하는 저온열처리를 한 후 이를 700~ 800℃의 고온에서 재차 처리하는 고온열처리 과정을 통해 다공성 탄소 나노시트를 얻었다. 1차 저온열처리 과정은 헤미셀룰로오스와 리그닌을 제거하고 결정성 셀룰로오스를 탄화시키는 과정이다.

KOH 처리는 탄화된 시료에 남아 있는 불순물을 제거하기 위함이다. 2차 고온열처리 단계는 나노시트를 박리하기 위한 과정이다. 최종적으로 얻어지는 나노시트는 직경 2~5 nm 정도의 세공으로 뒤덮여 있는 다공성 물질이다. 나노시트를 뒤덮고 있는 세공은 전하(charges)의 빠른 이동을 가능하게 하는 역할을 한다.

연구진은 대마 인피섬유에서 얻은 나노시트로 슈퍼커패시터를 제작해 성능을 확인했다. 슈퍼커패시터의 성능을 나타내는 최고출력밀도(maximum power density)는 보통 단위 질량당 출력을 측정해서 나타낸다. 인피섬유 나노시트로 제작한 슈퍼커패시터는 49 kW/kg(측정 온도: 60℃)의 최고출력밀도를 기록했다(그림 2).

활성화 탄소를 전구재료로 사용하는 상용 슈퍼커패시터가 동일 온도에서 17 kW/kg의 최고출력밀도를 기록한 것과 비교할 때 나노시트의 물성이 매우 우수한 것을 알 수 있다. 장시간 고온처리를 하는 가공방식은 향후 스케일업(Scale-up) 과정에서 비용 상승요인으로 작용할 수 있으므로 개선이 필요해 보인다. 하지만 본 연구 성과는 저비용 그래핀 대체 소재로서 대마 유래 탄소나노재료의 가능성과 산업적 활용 가치를 입증했다는 점에서 큰 의미가 있다.

 

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 05. 17]
 

 

 

Graphene might one day be used in batteries, solar cells, transparent electrodes, and a host of other electronic gadgets. But graphene is still quite expensive to make. Now researchers at the University of Alberta have demonstrated a low-cost process for turning agricultural waste into graphenelike nanomaterials for use in energy storage electronics (ACS Nano 2013, DOI: 10.1021/nn400731g).

With high surface area and conductivity, graphene is ideal for use as electrodes in batteries and supercapacitors, which are energy storage devices that excel at providing quick bursts of power. Supercapacitors charge and discharge faster than batteries can because they store energy in the form of fast-moving charges on the surfaces of their electrodes. Currently, supercapacitors are used in braking systems for buses and fast-charging flashlights.

Commercial supercapacitors use activated carbon electrodes, but experimental devices made with graphene can store more energy. Unfortunately, graphene’s production costs can’t come close to competing with the price for activated carbon, about $40 per kilogram, says University of Alberta chemical engineer David Mitlin.

Part of Mitlin’s research is finding ways to use plant waste as feedstocks for commercial materials. He thought he could transform waste from the cannabis plant (Cannabis sativa) into a carbon nanomaterial that had similar properties to graphene and with a much smaller price tag.

The cannabis plant’s notorious use is for producing marijuana, but people also grow the plant to use its fibrous parts for products such as rope, clothing, oil, and plastics. The plants used for these industrial applications are referred to as hemp, and have lower levels of psychoactive compounds. Hemp is relatively inexpensive, since the plant grows rapidly in a variety of climates without the need for fertilizer and pesticides.

Mitlin and his colleagues focused on a barklike layer of the plant called the bast, which is usually incinerated or sent to landfills during industrial hemp production. “Hemp bast is a nanocomposite made up of layers of lignin, hemicellulose, and crystalline cellulose,” Mitlin says. “If you process it the right way, it separates into nanosheets similar to graphene.”

The Alberta researchers start the process by heating the bast at 180℃ for 24 hours. During this step, the lignin and hemicellulose break down, and the crystalline cellulose begins to carbonize.

The researchers then treat the carbonized material with potassium hydroxide and crank up the temperature to 700 to 800℃, causing it to exfoliate into nanosheets riddled with pores 2 to 5 nm in diameter. These thin, porous materials provide a quick path for charges to move in and out, which is important when a supercapacitor charges and discharges.

The team built a supercapacitor using the nanosheets as electrodes and an ionic liquid as an electrolyte. The best property of the device, Mitlin says, is its maximum power density, a measure of how much power a given mass of the material can produce. At 60℃, the material puts out 49 kW/kg; activated carbon used in commercial electrodes supplies 17 kW/kg at that temperature.

Liming Dai, a chemical engineer at Case Western Reserve University, says the hempbased material shows promise as a low-cost substitute for graphene. Yury Gogotsi, a materials scientist at Drexel University, sees room for improvement.

He points out that the 24-hour high-temperature process will have some associated costs when scaled up. But he’s impressed by this first step. Finding scalable production methods like this one will be key, Gogotsi says, if researchers want to move nanostructured materials out of the lab and into the marketplace.