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폭발 위험 없고 저렴한 레독스 흐름전지 개발
대표적인 2차전지인 리튬-이온 전지를 대체할 수 있는 수계 레독스 흐름 전지는 낮은 원가, 낮은 발화 위험, 그리고 20년 이상의 장수명 특성을 가져 신재생 에너지와 연계한 에너지 저장장치 (ESS, energy storage system)로 활용할 수 있다. 레독스 흐름전지로 가장 널리 사용되는 활성물질은 바나듐 원소이지만, 최근 바나듐의 원가 상승으로 인해 이를 대체할 수 있는 레독스 물질의 연구가 활발히 진행되고 있다.
우리 대학 화학과 변혜령, 백무현 교수 연구팀, POSTECH 화학과 서종철 교수팀이 공동연구를 통해 수계 레독스 흐름전지에 활용할 높은 용해도의 안정한 유기 활성 분자를 개발했다고 23일 밝혔다.
연구팀은 유기 분자의 설계를 통한 수계 레독스 흐름 전지 개발 연구에 집중하였다. 유기 분자는 다양한 합성 디자인을 통해 용해도, 전기화학적 레독스 전위 등을 조절할 수 있어 바나듐보다 높은 에너지 저장이 가능한 유망한 활성물질의 후보군이다. 대부분의 유기 레독스 활성 분자들은 낮은 용해도를 가지거나 레독스 반응 시 화학적 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 활성 분자들의 용해도가 낮으면 에너지 저장 용량이 낮아지며, 분자의 화학적 안정성이 낮으면 사이클 성능의 감소가 나타난다. 연구팀은 나프탈렌 다이이미드(naphthalene diimide, NDI)를 활성분자로 사용하였는데, NDI는 높은 전기화학적 안정성을 가짐에도 수계 전해액에서 낮은 용해도를 가져 지금까지 연구가 많이 이루어지지 않았다.
NDI 분자는 물에 거의 용해되지 않지만 연구팀은 NDI에 네 개의 암모늄 기능기를 도입하여 용해도를 최대 1.5 M*까지 상승시켰다. 또한, 1 M의 개발된 NDI 분자를 중성의 수계 레독스 흐름전지에 사용시 500 사이클 동안 약 98%의 용량이 유지됨을 확인하였다. 이는 한 사이클 당 약 0.004%의 용량만이 감소하며 총 45일간 작동 시 처음의 용량 대비 오로지 2%만이 감소됨을 의미한다. 또한 개발된 NDI는 한 분자당 2개의 전자를 저장할 수 있어 1 M의 NDI를 사용 시 약 2 M의 전자 저장이 가능함을 증명하였다. 참고로 고농도의 황산용액을 사용하는 바나듐 레독스 흐름 전지의 활성물질인 바나듐의 용해도는 약 1.6 M이며 전자 저장 수는 원소당 1개여서 총 1.6 M의 전자 저장이 가능하다. 따라서 개발한 NDI 활성 분자는 기존의 바나듐보다 높은 용량을 구현할 수 있다.
*1 M (mol/L) : 용액 1 L에 6.022 x 1023 개의 활성분자가 존재함을 의미함
싱 비크람 연구교수, 권성연, 최윤섭 박사과정 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스 머터리얼즈(Advanced Materials)' 2월 7일에 온라인으로 출판됐다. (논문명 : Controlling π–π interactions of highly soluble naphthalene diimide derivatives for neutral pH aqueous redox flow batteries). 또한 전자상자성 공명 분석의 우리 대학 화학과 이예림 박사과정 연구원 및 임미희 교수팀이 함께 연구를 수행했다.
변혜령 교수는 "기존에 낮은 용해도를 가지는 유기 활성 분자를 이용하여 레독스 흐름전지의 활성 분자로 사용할 수 있는 분자 디자인 원리를 보였다. 또한 레독스 반응에서 분자들이 결합하거나 분리되는 상호 결합력을 이용하여 라디칼로 형성된 분자들의 화학적 반응성을 억제할 수 있음을 보여주었다ˮ 라며 "향후 수계 레독스 흐름전지로 사용 시 고에너지밀도, 고용해도의 장점과 함께 중성의 수계 전해액을 사용할 수 있어, 기존의 바나듐 레독스 흐름전지의 산성용액 사용에서 오는 부식 문제 등을 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 사용하고 있는 리튬-이온전지 기반의 ESS는 화재의 위험이 높기 때문에 안전하고 저렴한 차세대 ESS의 개발이 필요하며 본 연구는 그 가능성을 보여준 것ˮ 이라고 말했다.
이번 연구는 삼성미래기술육성사업, 기초과학연구원, 재단한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2023.03.23 조회수 1310 -
물과 산소로 햇빛을 이용해 과산화수소를 생산하는 고효율 촉매 개발
우리 대학 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 물과 산소만으로 햇빛을 이용해 과산화수소를 생산하는 고효율 촉매를 개발했다고 31일 밝혔다. 과산화수소는 주로 소독, 염색, 산화제, 의약품, 반도체, 디스플레이, 로켓 추진연료 등 다양한 산업군에 쓰이는 유용한 자원이다.
연구팀이 개발한 나노구조체 촉매는 빛을 흡수해 산소 분자를 과산화수소 분자로 선택적으로 환원시키며, 지구에 풍부하고 친환경적인 물을 산화제로 이용하기 때문에 친환경적이고 경제적인 원천기술이다.
이 기술은 현재 공정에서 이용되는 고가의 팔라듐 촉매보다 각각 1,500배, 4,500배, 115,000배 저렴한 코발트, 티타늄, 철 산화물을 이용했기 때문에 경제성이 뛰어날 뿐만 아니라, 환경 문제를 유발하는 유기화합물 없이 물과 산소, 햇빛만으로 과산화수소를 생산하기 때문에 친환경적인 특성을 가진다.
김건한 박사(現 옥스포드 대학교 화학과, 우리 대학 신소재공학과 졸업)가 제1 저자로 참여하고, 우리 대학 화학과 김형준 교수 연구팀이 공동으로 참여한 강정구 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 `어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 29.37)' 2월 25일 字 온라인 게재됐다. (논문명: Triphasic metal oxide photocatalyst for reaction site-specific production of hydrogen peroxide from oxygen reduction and water oxidation)
현재 과산화수소 생산은 대부분 `안트라퀴논 공정'을 통해 생산된다. 이 공정은 고압의 수소 기체와 값비싼 팔라듐 기반 수소화 촉매를 이용하기 때문에 경제성과 안전성에서 문제를 가지고 있을 뿐만 아니라 반응 중에 이용되는 유기 오염 물질이 방출되기 때문에 환경 문제를 유발한다.
반면, 햇빛을 에너지원으로 이용해 산소를 과산화수소로 환원시키는 광촉매는 물리적으로 반도체 특성을 갖는 전이 금속산화물을 이용할 수 있기 때문에 기존 팔라듐 촉매보다 수 천배 이상 저렴하다. 또한, 지구에 풍부한 산소로부터 태양에너지를 통해 과산화수소를 생산할 수 있어 안전하고 친환경적인 특성을 가진다. 하지만 기존 과산화수소 생산 광촉매는 산소로부터 과산화수소를 생산하기 위해 전자를 전달하는 산화 반응에 과산화수소보다 더 비싼 알코올류의 산화제를 첨가해야 했다. 또한, 생산된 과산화수소가 광촉매 표면에서 빠르게 분해돼 촉매 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있었다.
이에 강정구 교수 연구팀은 고가의 팔라듐 촉매보다 훨씬 저렴한 코발트, 티타늄, 철 산화물을 요소-수열 합성법을 통해 나노 구조화했다. 두 가지 이상의 금속 조합을 갖는 금속산화물의 경우, 일반적으로 각기 다른 금속이 혼합되어 한 가지 구조의 상을 형성한다. 하지만 연구팀은 코발트 전구체의 비율을 높여 철과 코발트 산화물을 분리한 후, 2가 철 산화물의 화학적 비안정성을 이용해 티타늄 산화물과 다시 분리함으로써, 각기 다른 세 가지 금속 산화물이 각자의 산화물 상으로 분리되어 형성되는 삼상 산화물 (Triphasic metal oxide)을 합성했다.
삼상 산화물 광촉매는 2차원적으로 넓은 나노시트(nanosheet) 형태의 코발트 산화물이 있고, 그 위에 코어-쉘(core-shell) 구조를 가진 철 산화물-티타늄 산화물 나노입자가 배열된 독특한 구조를 하고 있다. 또한, 연구팀은 김형준 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 코어-쉘 구조의 나노입자는 효율적으로 가시광선과 자외선을 흡수해 전자를 전달함을 계산 과학을 통해 입증에 성공했다.
코발트 산화물은 기존 물 산화 반응 촉매로 가장 잘 알려진 물질이기 때문에, 물 분자를 흡착해 산소로 환원하고 전자를 제공할 수 있는 능력이 있다. 즉, 물을 산화제로 이용하기 때문에 기존 광촉매에서 이용하는 알코올류를 이용하지 않고도 환원 반응점(reduction reaction-site)으로 원활한 전자전달을 할 수 있다. 한 편, 철 산화물-티타늄 산화물 코어-쉘 나노입자는 각각 가시광선과 자외선을 흡수할 수 있어 효율적인 방법으로 태양광을 흡수할 수 있을 뿐 아니라 산소 흡착 능력이 우수해 반응물인 산소 분자를 선택적으로 흡착할 수 있다.
또한, 구조적으로 코발트 산화물 나노시트 위에 배열되어 있어, 물 산화 반응에서 생긴 전자를 철 산화물이 받아 효율적으로 티타늄 산화물에 전달해 산소 환원 반응을 통한 과산화수소를 생산할 수 있다. 이렇게 생성된 과산화수소는 환원점과 산화점이 분리돼있는 광촉매의 구조적인 특성으로 인해 분해되지 않고 안정적으로 농축되는 특성을 가진다.
강 교수는 "신재생에너지를 이용한 친환경적인 이 기술은 수소 분자와 유기물질을 이용하지 않아 안전성이 뛰어나고, 비교적 값이 저렴한 전이 금속산화물을 이용하기 때문에 경제성이 뛰어나다ˮ라고 소개하면서 "3가지 상의 각 구역에서 산소 환원 반응, 전자-홀 수송, 그리고 물 산화 반응이 일어나기 때문에 광촉매에서 문제가 되고 있던 과산화수소 분해 문제나 알코올 산화제 이용 문제에서 벗어나며 이를 통한 높은 촉매 효율은 기존에 가장 효율이 높다고 알려진 귀금속계 촉매보다 수 천배 저렴할 뿐만 아니라 약 30배 정도 높은 생산성능을 가져 광촉매를 통한 과산화수소 생산의 상용화에 이바지할 것이다ˮ고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 하이브리드인터페이스기반 미래소재연구단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.03.31 조회수 4188 -
물리학과 김용현 교수, 과학의 날 과학기술 훈장 (진보장) 수상
우리 대학 물리학과 김용현 교수가 21일 서울 중구 동대문디자인플라자에서 열린 '2021년 과학정보통신의 날 기념식'에서 과학기술 훈장 진보장을 수상했다.
과학기술정보통신부, 방송통신위원회, 한국정보방송통신대연합(ICT대연합), 한국과학기술단체총연합회(과총)이 주관하는 이 행사는 과학기술·정보통신 진흥 및 국가연구개발 성과평가 유공자에 대한 정부포상을 통해 명예를 진작하고, 과학기술과 정보통신을 기반으로 '회복·포용·도약'의 시간을 만들어 가겠다는 의지를 다지는 자리로 마련됐다.
이날 행사는 사회적 거리두기 방침에 따라 과학기술·정보통신 진흥 및 국가연구개발 성과평가 유공자 151명 중 대표 수상자 37명이 현장에서 시상하는 방식으로 진행됐다.
우리 대학 입학처장이기도 한 물리학과 김용현 교수는 수소저장, 연료전지 촉매, 열전영상, 양자점 등 신재생에너지분야 기초이론 확립과 기술개발에 기여한 공로를 인정받아 훈장을 수상했다.
최기영 과기정통부 장관은 "어려운 여건 속에서도 과학기술과 정보통신 발전에 크게 기여하신 유공자 여러분께 존경하는 마음을 담아 진심으로 축하드린다"면서 대한민국의 성장은 과학기술과 정보통신의 발전과 함께 해온 만큼 과학기술과 정보통신 역량을 총동원해 신산업과 일자리를 창출하고 디지털 전환 시대의 새로운 성장기회를 만들어 나가겠다"고 말했다.
2021.04.26 조회수 20281 -
사우디 원자력인력양성 프로그램 수료식 개최
우리 학교 KUSTAR-KAIST 교육연구원(원장 장순흥)은 26일 사우디아라비아 리야드에서 ‘2014 KAIST-K.A.CARE 원자력인력양성 교육프로그램’ 수료식을 개최했다.
이날 행사에는 K.A.CARE(사우디 왕립 원자력·신재생에너지원, King Abdullah City for Atomic and Renewable Energy) 하심 압둘라 야마니(Hashem Abdullah Yamani) 원장, 김진수 주 사우디아라비아 대사, 김종용 前 주 사우디아라비아 대사 등이 참석해 총 16명의 수료자들을 축하했다. 우수 수료자 3명에게는 한국 원자력관련기관을 견학할 수 있는 기회가 제공됐다.
KAIST는 지난 5일부터 3주간 K.A.CARE 연구원들을 대상으로 원자력기술 교육프로그램을 시작했다. 원자력분야 전반에 걸친 기본 기술을 전하기 위해 기획된 이번 단기 집중강좌에는 기초핵물리부터 방사선 응용, 원자로 설계 및 안전 등 원자력공학 전반에 걸쳐 다양한 분야의 강의가 포함됐다.
이번 프로그램을 통해 KAIST와 사우디아라비아와의 교육 협력이 본격적으로 시작되는 기틀을 마련한 것으로 학계는 평가하고 있다.
KUSTAR-KAIST 교육연구원장 장순흥 교수는 “원자력분야에서 KAIST의 오랜 경험과 다양한 전문 인력을 적극 활용해 향후 사우디에 원자력 인력양성 프로그램을 지속적으로 제공할 것“이라고 말했다.
K.A.CARE는 원자력 및 신재생 에너지를 본격적으로 활용하기 위해 2010년 4월 사우디아라비아의 국왕령을 통해 설립된 기관이다.
2014.01.28 조회수 13006 -
KAIST, 사우디 원자력인력양성 본격화
- 5일부터 23일까지 사우디에서 원자력 기초교육프로그램 실시 -
KUSTAR(칼리파 과학기술연구대학)-KAIST 교육연구원(원장 장순흥)이 지난 5일부터 사우디아라비아 리야드에 위치한 사우디 왕립 원자력·신재생에너지원(K.A.CARE, King Abdullah City for Atomic and Renewable Energy) 연구원들을 대상으로 원자력기술 교육프로그램을 시작했다.
23일까지 열리는 이 프로그램에서는 원자력분야 전반에 걸친 기본 기술을 전할 계획인데, 우리나라 원자력기술을 통해 사우디와 교육 협력이 본격적으로 시작되는 기틀을 마련한 것으로 평가받고 있다.
이번 단기 집중강좌에는 기초핵물리부터 방사선 응용, 원자로 설계 및 안전 등 원자력공학 전반에 걸쳐 다양한 분야의 강의가 포함돼 있다.
K.A.CARE는 원자력 및 신재생 에너지를 본격적으로 활용하기 위해 2010년 4월 사우디 국왕령을 통해 설립된 기관이다. 규제기관 설립, 국영원자력회사 설립, 부지조사 등 원자력인프라 구축작업을 수행하며 인력양성 프로그램을 병행하고 있다.
KUSTAR-KAIST 교육연구원장 장순흥 교수는 “이번 프로그램을 통해 사우디와 장기적이고 구체적인 협력이 시작된 것에 의미가 있다”며 “풍부한 경험을 바탕으로 원자력 안전 및 규제 교육 등 다방면에 걸친 장기 협력 프로그램을 구축할 것”이라고 전했다.
한편, KAIST는 지난 2010년 7월 KUSTAR-KAIST 교육연구원을 설치하고 세계의 여러 기관들과 긴밀한 연구협력을 해오고 있다. 중동지역에서는 UAE 칼리파대학과 교수파견, 공동연구, 학생교류 등 활발한 활동을 하고 있다.
2014.01.07 조회수 11279 -
국가 에너지 계획과 스마트그리드 주제로 ‘EEWS 포럼’ 개최
EEWS 연구센터는 12월 2일 서울캠퍼스 최종현홀에서 ‘국가 에너지계획과 Smart Grid 전략’을 주제로 포럼을 개최한다.
EEWS (Energy, Environment, Water and Sustainability)란 에너지 고갈, 지구온난화, 물부족 및 지속성장 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위해 KAIST가 추진하고 있는 연구 및 교육 프로젝트다.
이번 포럼에는 이재규 KAIST 녹색성장대학원장, 최광식 KAIST EEWS 포럼회장, 이승훈 녹색성장위원회 위원장, 손양훈 에너지경제연구원 원장, 김준동 산업통상자원부 실장 등 20여명의 해당 분야 전문가가 참가한다.
포럼에서는 △ 국가에너지 계획 △스마트 그리드 전략 △ 에너지 정책 △제도 △가스 △전력 △스마트 그리드 △신재생 에너지를 주제로 발표와 토론이 진행된다.끝.
행사문의 [EEWS 연구센터 02-958-3672]
2013.11.29 조회수 9630 -
EEWS아이디어 사업화를 위한 업무협약
- DFJ Athena LLC, 일신창업투자와 업무 협약식 가져 -
- 녹색성장 EEWS사업기획 경진대회 개최 -
우리학교는 서남표 총장, 정회훈 DFJ Athena LLC 대표파트너, 고정석 일신창업투자 대표이사가 참석한 가운데 지난 30일 오후 6시 조선호텔 비즈니스 센터에서 "녹색기술과 투자의 만남" EEWS사업기획 경진대회 연구결과의 사업화를 위한 업무 협약식을 가졌다고 2일 밝혔다.
이를 위해 두 기관이 공동으로 개최하고 EEWS기획단과 EEWS최고전략과정이 주관하는 ‘제1차 EEWS사업기획 경진대회’를 갖는다. 참가대상은 KAIST 교수학생, 졸업생 등이다.
공모주제는 EEWS와 관련한 모든 주제로, 신재생에너지, 에너지 효율 제고, 온실가스 감축, 해수의 담수화 및 폐수처리 시설 등을 사업범위로 한 모든 사업계획이다.
이번 경진대회의 수상한 우수한 기획 제안서는 양 투자기관에서 창업투자를 받을 수 있다.
1차 제안서가 통과된 모든 팀에게는 100만원의 연구경비를 지급하며, 최우수상 두 팀에게는 KAIST총장상과 상금 1,000만원을 각각 수여한다.
또한, 우수상과 장려상 각 두 팀씩을 선발해 EEWS기획단장상과 우수상에는 500만원, 장려상에는 100만원의 상금을 각각 지급한다.
우리학교는 본 경진대회를 통해 연구결과를 사업화, 대한민국의 녹색성장의 전초기지가 될 것으로 기대하고 있다.
EEWS(Energy, Environment, Water, and Sustainability)란 에너지 고갈, 환경오염, 물부족 및 지속성장 가능성 등 21세기 인류가 직면하고 있는 글로벌 이슈의 해결을 위하여 카이스트가 추진하고 있는 녹색성장 프로젝트다.
<사진설명>
(왼쪽부터) 이재규 KAIST EEWS기획단장, 정회훈 DFJ Athena LLC 대표파트너, 서남표 KAIST총장, 고정석 일신창업투자 대표이사가 업무협약식을 갖고 기념촬영을 하고 있다.
2010.08.02 조회수 12874 -
UAE 아부다비 왕세자에 명예박사 학위 수여
우리학교가 저탄소 녹색환경 정책을 통해 인류발전에 기여하고 원전수주협상을 계기로 대한민국과 UAE 과학기술발전 및 교류확대에 공헌한 모하메드 빈 자이드 알 나흐얀 UAE 아부다비 왕세자 (General H.H. Sheikh Mohammed bin Zayed Al Nahyan)에게 27일(목) 오후 5시30분 서울 롯데호텔 본관에서 명예박사 학위를 수여했다.
모하메드 왕세자는 아부다비 도시계획위원회 (Abu Dhabi Urban Planning Council) 위원장으로 있으면서 UAE의 수도인 아부다비를 2030년까지 친환경 국제도시로 개발하는 데 지침이 될 장기적인 마스터플랜 ‘아부다비 2030 계획(The Plan Abu Dhabi 2030)"을 주도적으로 마련해 2007년 발표하기도 했다.
또한 모하메드 왕세자는 ‘탄소제로’ 도시인 ‘마스다르 시티(Masdar City)’ 건설 프로젝트를 추진하는 등 신재생에너지 분야에 관심이 많아 우리나라와의 원자력발전사업을 비롯해 여러 분야에서 양국 간의 협력 강화, KAIST-KUSTAR의 협력과 교류, 나아가 인류가 당면한 환경문제 해결에도 깊은 관심을 가지는 등 더 나은 세계를 만들고자 부단히 노력하고 있다.
2010.05.27 조회수 13075 -
덴마크 라스무슨 총리, KAIST 기술 놀랍다!
덴마크의 라스 라스무슨(Lars Rasmussen) 총리가 2010년 3월 11일(목) 오후 2시 20분 우리학교 문지캠퍼스를 30여 분 동안 방문했다. 신재생에너지와 환경 등 녹색성장 분야의 협력증진을 위해 한국을 방문 중인 라스 뢰케 라스무슨(Lars Løkke Rasmussen) 덴마크 총리 등 방문단 50여명은 11일 문지캠퍼스 슈펙스홀을 찾았다.
이 때, 라스무슨 덴마크 총리 방문단을 처음 반겨준 것은 휴보(HUBO). 휴보는 라스무슨 총리가 건물안으로 들어서자 들고 있던 꽃다발을 전해주고 악수를 청하는 등 방문단을 반갑게 맞았다. 이어 "KAIST를 방문해 주셔서 감사합니다. 저는 이전에 만들어졌던 은퇴한 2명의 형제들보다 훨씬 진보된 기술로 만들어졌습니다" 등의 인사를 덴마크어로 설명해 방문단을 놀라게 했다.
라스무슨 총리는 이날 서남표 KAIST 총장을 비롯한 덴마크 정부 관계자, KAIST 학교 관계자 등 50여 명이 참석한 가운데 열린 환영식에서 서로 인사를 나눈 뒤 KAIST가 개발한 휴머노이드 로봇 ‘휴보(HUBO)’로부터 환영 꽃다발을 받은 뒤 웃음을 띠며 휴보와 악수를 나눴다. 그리고 KAIST가 개발한 ‘온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle·OLEV)’ 시승식에서 우리학교에서 세계최초로 개발한 온라인 전기자동차에 대한 지대한 관심을 표명했다. 그는 “덴마크는 현재 녹색기술에 굉장히 관심이 많은데 OLEV를 보니 매우 인상적”이라며 “KAIST가 짧은 역사 속에 세계에서 훌륭한 연구중심대학으로 발전한 게 놀라울 따름”이라고 격찬을 아끼지 않았다.
한편 대전일보는 2010년 3월 12일자로 라스무슨 덴마크 총리의 KAIST 방문 행사를 1면TOP 보도했다.
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대전 KAIST 찾은 덴마크 라스무슨 총리 - 대전일보 2010-3-12(금) 1면TOP보도
라스무슨 덴마크 총리, "KAIST 비약적 발전 이뤄" - 대덕넷(hellodd.com) 2010-3-11자
휴보의 환영을 받고 있는 라스 라스무슨 덴마크 총리
2010.03.12 조회수 12931