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http://www.ajou.ac.kr/kr/ajou/news.jsp?mode=view&article_no=26211

김동완(에너지시스템학과) 교수팀이 미생물 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.

슈퍼커패시터는 리튬이차전지에 비해 에너지밀도가 낮지만 급속 충·방전이 가능하고 출력밀도가 높아 보조 배터리나 배터리 대체용 등으로 쓸 수 있는 차세대 에너지 저장장치이며 높은 효율과 반영구적인 수명이 특징이다.

이번 연구는 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. 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. 기존 수 마이크로그램(μg) 내지 밀리그램(mg) 합성에 그치던 것을 수 그램(g) 수준으로 합성수율을 개선했다. 만들어진 코발트 산화물은 비표면적이 넓고, 미세기공이 있어 차세대 에너지저장장치 등의 전극재료로 응용될 것으로 기대된다.

박테리아(Micrococcus)는 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)이다. 코발트 산화물은 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. 또한 상온·상압의 수용액에서 진행되어 공정이 간단한 점도 장점이다.

합성된 코발트 산화물 분말은 슈퍼커패시터의 축전용량을 높이고 수명을 늘리는 데 기여할 것으로 기대되는데 이는 박테리아 표면에 고르게 분포된 분말 입자들 사이의 미세기공 덕분에 전해질 내 이온의 접촉면적이 넓어져 에너지저장밀도가 높아지기 때문이다. 또한 4,000번 이상의 충방전 후에도 저장효율이 95% 이상을 유지하고 충·방전 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.

이 연구 논문은 심현우 박사과정 학생 (제1저자, 에너지시스템학과)이 주도하고 공동연구자로 김두헌 (분자과학기술학과) 교수팀이 박테리아 배양 등에 참여하였다.