n  국내 뉴스

[1] 카이스트, 리튬-황 전지 성능 높이는 다공성 2차원 무기질 나노소재 개발

[테크월드뉴스=조명의 기자] 카이스트
생명화학공학과 이진우 교수팀이 서로 다른 크기의 기공을 동시에 가지고 있는 다공성 2차원 무기질 나노코인을
합성하는 새로운 기술을 개발했다.
고분자 블렌드를 이용한 다공성 2차원 무기질 나노코인의 합성에 대한 모식도와 실험 결과

연구팀의 합성기술은 다공성 무기질
소재를 동전처럼 둥글고 납작한 형상으로 제어할 수 있고, 크기, 두께
등의 물성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원천 기술이다. 이는 리튬-황 이차전지의 분리막에 사용돼 리튬-황 전지의 성능 저하 원인으로
꼽히는 리튬폴리설파이드의 용출을 효과적으로 억제해 성능을 높이는 데 성공했다.  이진우 교수 연구실의 김성섭 박사(현 전북대학교
교수)가 주도하고 임원광 박사가 참여한 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society, JACS)’ 2021년 9월 1일자
온라인판에 게재됐다. 기존의 다공성 2차원 무기질
소재의 합성 방법은 기판을 이용하거나 별도의 주형을 사용하는 방식으로 소재의 형상 원판처럼 제어함과 동시에 두께를 조절하는 것에 한계가 있다. 또한 다공성 구조를 형성하기 위해서는 추가적인 공정을 도입해야만 한다. 이를
해결하기 위해서 용액에서 양친성 분자를 이용한 구조를 도입하려 시도했지만, 무기질 전구체의 반응을 제어하기
쉽지 않다는 문제가 발생했다. 이 교수 연구팀은 블록공중합체와 단일중합체의 고분자 블렌드의
상거동을 이용해 기존의 문제를 해결하는 새로운 합성 방식을 제시했다. 이를 통해서 연구팀은 다공성 2차원 무기질 나노코인을 3㎚ 두께로 합성하는 데 성공했다. 서로 섞이지 않는 단일중합체와 블록공중합체의 계면에너지가 달라짐에 따라서 나노구조의 배향과 입자의 모양이 달라지는
원리를 이용했다. 또한 나노구조의 형성을 위해서 무기질 소재 내부에 함께 자기조립 된 블록공중합체가
제거되면서 마이크로 기공이 형성됐다. 이 합성 방법은 별도의 주형이 필요하지 않은 간단한 원팟(one-pot) 방법으로 기존의 복잡한 과정을 혁신적으로 줄여 생산력을 증대시켰다. 이를 이용해 연구팀은 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인을
차세대 전지인 리튬-황 이차전지의 분리막에 코팅해 리튬-황
전지의 성능을 높이는 데 성공했다. 기존의 리튬 이온 이차전지보다 약 2~3배 높은 에너지 밀도를 발현할 수 있을 것이라 기대되고 있는 리튬-황
이차전지의 큰 문제점은 황이 충·방전 과정에서 새어나가는 현상이다. 다공성 2차원 알루미노실리케이트 나노코인은 분리막에 약 2㎛로 얇게 코팅돼
용출되는 리튬폴리설파이드를 물리적·화학적으로 억제했다. 나노코인의 다공성 구조는 전해질과 리튬이온은
통과시키는 반면, 리튬폴리설파이드는 필터처럼 걸러 물리적으로 막아준다.
또한 알루미노실리케이트는 고체산으로 염기성질을 가진 리튬폴리설파이드를 흡착해 용출을 억제한다. 이를
통해서 분리막의 두께 대비 용량 향상시켜 세계 최고 수준의 결과를 얻었다. 연구팀의 합성기술은
블록공중합체의 분자량·고분자 대비 질량을 조절해 손쉽게 나노구조(넓이,
두께)를 조절할 수 있고 다른 소재로의 확장도 가능해 맞춤형 나노소재로도 활용할 수 있을
것으로 보인다. 카이스트 생명화학공학과 이진우 교수는 “고분자에서 일어나는 현상을 이용한 새로운
다공성 2차원 무기 소재를 합성기술이 기존 기술의 문제점을 해결할 수 있음을 보여줬다”며 “고분자 분야와
무기 소재 합성을 잇는 연구가 실용적인 에너지 장치 성능 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것이다”고 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는
중견연구의 지원을 통해 수행됐다.



출처 : 테크월드뉴스(http://www.epnc.co.kr)

http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=214969

[2] 서울대 공대, 친환경
선박용 이산화탄소 멤브레인 포집 가능성 제시

[테크월드뉴스=조명의 기자] 서울대학교 공과대학은 조선해양공학과 임영섭
교수 연구팀이 중앙대학교 이평수 교수, 사우디아라비아 KFUPM
Umer Zahid 교수, 노르웨이 SINTEF
Rahul Anantharaman 박사와의 공동 연구를 통해 IMO(국제해사기구) 환경규제를 만족하는 이산화탄소 멤브레인 포집·액화 공정을 탑재한 친환경 선박 설계안을 제시했다고 밝혔다. 

화석 연료를 태울 때 나오는 이산화탄소와 같은 온실가스는 기후 변화의 핵심 원인으로 지적
받고 있다. 최근 파리 협정에 따라 IMO는 이산화탄소 등
선박의 온실가스 배출량을 저감하는 규제를 단계별로 강화하고 있으며, 이는 전세계 선박업계에 큰 영향을
미치고 있다. 수소 등 이산화탄소를
배출하지 않는 대안 연료에 대한 연구도 진행되고 있으나 이는 상용화까지 오랜 시간이 필요할 것으로 예상되며, 당장
수십 년 이상 운행해야 할 현존 선박을 위한 이산화탄소 배출 저감 방법이 부재한 상황이다. 멤브레인(분리막) 공정은 소형화가 가능하고 에너지 소모량이 적지만, 고순도화가 필요한
공정에서 에너지 효율이 급격하게 감소하는 문제점이 있다. 임영섭 교수 연구팀은 멤브레인 포집 공정과
이산화탄소 액화공정을 결합해 기존 흡수제 기반 공정과 동등한 성능을 내면서 설비의 크기는 줄일 수 있는 멤브레인 포집 공정의 선박 적용 가능성을
제시했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단의 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업, 노르웨이 CCS센터·노르웨이 연구회 해사·해양 활동 혁신 프로그램(NRC MAROFF project no. 320260) 등의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과를 담은 논문 ‘Process design of
onboard membrane carbon capture and liquefaction systems for LNG-fueled ships’은
분리공정 분야 최상위급 국제학술지 ‘Separation and Purification Technology’(JCR chemical 분야 상위 10%)에 11월 온라인 공개됐으며 2022년
2월 출판 예정이다.

출처 : 테크월드뉴스(http://www.epnc.co.kr)

http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=217100

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에너지 기술 연구원, 염분차 발전 성능 향상시키는 고효율 스택구조 개발

한국 에너지 기술 연구원 해양융복합연구팀 남주연 박사 연구진은 염수와 담수의 염분
차이에 의해 전기를 생산하는 역전기투석 염분차 발전의 성능을 획기적으로 개선하는 기술을 개발했다고 30일에
밝혔다. 역전기투석 기술은 유입수 전처리에 의한 에너지 손실과 그로 인한 비용 상승으로 인해 실제 상용화에
난항을 겪었다. 이온교환막 표면에 이온이 농축되는 현상인 ‘농도 분극’ 현상을 획기적으로 감소시키는
새로운 캐스케이드형 역전기투석 스택을 개발하여 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다. 캐스케이드 스택의
경우 기종 방식보다 순전력이 20% 향상되었고 스택 내부에서 유입수의 이동거리가 길어져 누설전류의 경로가
차단돼 더 많은 전류가 생성되는 것으로 확인됐다. 뿐만 아니라 4단 스택을 이용해 최대 전력 생산을 위해 필요한 유입수의 부피를 1/4로
저감할 수 있었으며 기존 스택 대비 에너지 밀도는 최대 480%, 효율은 최대 420% 향상됐다. 이번 연구 성과는 수자원 분야 세계적 권위지인
‘워터 리서치’ 7월 온라인 판에 게재됐다.

[에너지 데일리 2021.09.31]

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자가 조립형 MXene 중공형 기체 분리막 개발

간단한
열적 처리를 통하여 2D stacking을 효율적으로 증가시켜
MXene을 분리막에 활용한 기체 분리막을 개발하였다. MXene membrane에 130 °C의 열을 가하게 되면 층
사이에 물분자가 제거되면서 상호 작용이 생기고 이로 인해 자고 조립이 가능해진다. 이로 인해 굉장히
얇은 기체분리막의 제조가 가능한데, 초박형 멤브레인의 경우 물질 전달 저항이 낮고 투과성이 높기 때문에
분리막 활용시 얇은 두께의 분리막을 합성하는 것이 중요하다. 이 기체 분리막은 6193 GPU의 기체 투과도와 2.32의 H₂/CO₂ 기체 투과도를 갖는것으로 측정되었다. 또한 MXene 멤브레인은 120
시간 동안 우수한 작동 안정성을 가져 2D 물질을 H₂/CO₂
기체 분리막의 잠재적 활용 가능성을 보여주었다. 

[Journal of Membrane Science, 638, 15
November 2021, 119669 (2021년 11월)]

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지름 2㎜ ‘빨대 묶음' 지나니 폐수가 청정수로… 롯데케미칼의
水처리 마법

롯데케미칼 대구공장에선 지름이 약 50㎝인 원통형 실패 여러 개에서
지름이 약 2㎜에 불과한 하얗고 얇은 실이 끊임없이 나오고 있다. 빨대처럼
가운데가 뚫려있는, 특수 제작된 실은 60도의 뜨거운 폴리비닐리덴(PVDF) 용액을 만나 겉면이 코팅되고, 이후 45도의 따뜻한 물이 담긴 3m 깊이의 수조를 통과하며 빠르게 응고되어. 두 차례의 세정 작업까지 거치니 2~3m짜리 길고 얇은 빨대같은
모습으로 변했다. 이 빨대는 롯데케미칼이 만드는 수처리 분리막(멤브레인)으로, 물 속의 오염물질을 여과해 양질의 물을 제공하는 기술이다. 가느다란 관의 중앙이 비어있는 형태인 ‘중공사형’ 분리막은 롯데케미칼이 자체 개발했다. 강도가 높으면서 무게가 가볍고, 여과된 물은 저항을 적게 받으며
이동할 수 있어 운전 압력이 낮다는 장점이 있다. 수질 기준 강화에 따른 대응과 물부족 문제를 동시에
해결할 수 있어 정수, 하·폐수 및 재이용 처리에 주로 적용되는 수처리 핵심 기술로 꼽힌다. 반도체, 화학 등 제품 생산 과정에서 물을 많이 쓰는 기업들이 주요
고객이다. 롯데케미칼 관계자는 “0.03㎛ 기공으로는 물에
떠다니는 이물질부터 병원성 미생물 등 박테리아를 완벽하게 제거할 수 있다”며 “다수의 균일한 기공을 만드는 것이 기술의 핵심”이라고 말했다. 분리막 표면을 코팅해 기공을 만드는 핵심 소재인 PVDF는 롯데케미칼이 30년 이상 축적한 폴리머 소재 고분자 가공기술 노하우를 활용, 높은
내화학성과 내오염성을 보유해 장기간 안정적으로 사용할 수 있다.

조선비즈 2021.06.06

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서울대학교 기계공학부 고승환 교수팀, 자가 살균 기능을 가진 투명 구리 나노선 필터 개발

에어 필터는 인체의 신경계·호흡계 등에 악영향을 끼치는 미세먼지 (PM)를 포집하는 필터로서 산업화로 인한 공기질 악화에 대응하여 다양한 분야에서 보건 목적으로 사용되고 있으며, 현재도 관련 분야에서 지속적인 연구가 수행되고 있다. 기존 필터가 적용된 마스크의 경우
특유의 불투명성으로 인하여 착용자의 입과 표정을 가리는데 이는 청각 장애인뿐만 아니라 비장애인 모두에게 시각 기반 의사소통에 어려움을 초래하는
단점이 있었다. 연구팀은 구리가 높은 항균력과 전기 전도도를 가진다는 점에 착안하여 매우 얇은 구리
나노선을 새로이 합성하고 이를 적층하여 섬유 구조를 형성하여 투명하면서도 높은 미세먼지·병원균 집진 효율을 보이며 동시에 집진된 병원균을 구리
이온에 의한 미량동 효과 (Oligodynamic effect)와 줄 열 (Joule-heating)에 의한 발열로 자가 살균이 가능한 투명 구리 나노선 필터를 개발하였다. 구리 나노선 네트워크의 작은 공극을 통해 물리적으로 미세먼지를 KF80 마스크
수준으로 포집 및 여과하였고, 높은 전도성을 가진 구리 나노선 네트워크에 전압을 인가하여 인위적으로
전기장을 형성해 정전기적 쿨롱 힘 (Coulombic force)을 이용하여 수십-수백 나노 단위의 초미세먼지 또한 90% 이상의 매우 높은 수준의
효율로 포집하였다. 과학기술정보통신부(또는 교육부)와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘나노 레터스 (Nano Letters)’에 2021년 11월 24일 게재되었다



출처 : 2021.11.29 한국강사신문(http://www.lecturernews.com)

n  국외 뉴스

초박형 그래핀옥사이드 (Graphene oxide) 프린팅을
통한 이산화탄소 분리막 개발

이 연구에서는 초박형 그래핀옥사이드 기반의 기체 분리 막을 layer-by-layer
프린팅 기술으로 폴리설폰(PS) 지지체 위에 코팅하여 고성능의 기체 분리막을 개발하였다. 프린팅 된 그래핀옥사이드 층 위에 아민 (amine) 첨가제가 증착되며
CO₂-philic agent으로 작용하며 고성능의 이산화탄소 기체 분리 성능과
장기간 구동 시 높은 안정성의 기체 투과 성능을 보였다. 차후에, 해당
프린팅 기술을 다른 2D 구조의 물질 또는 나노-사이즈의
입자들을 solvent에 분산시켜 적용할 경우에도 다양한 초박형의 분리막을 제작할 수 있을 뿐만 아니라
여러 작용기의 코팅에도 적용할 수 있다는 큰 잠재력을 보여주었다.

[Chemical Engineering Journal 430 (2022)
132942]

■
 Iron-Containing
Poly(ionic liquid)s Membrane: Heterogeneous Fenton Reaction and Enhanced
Anti-fouling Ability

Poly(ionic liquid)는 높은 전하밀도와 친수성으로 인해
분리막의 오염방지 능력을 향상시키는데 널리 사용됩니다. 그러나 분리막 기공속에 쌓인 오염물질을 제거하는
것은 매우 어려운 일입니다. 이 연국에서 오염 방지를 위해 철이 함유된 Poly(ionic liquid) 분리막을 이질 펜톤 반응을 통하여 처음으로 합성하였습니다. 금속 구리를 매게로하여 가역적인 불활성화 라디칼 중합반응으로 polysulfone
기반의 블록공중합체가 pyridine 사이드그룹과 함께
Fe-Poly(ionic liquid)를 생성합니다. 분리막의 평균 기공 크기와 친수성도는
블록 공중합체에 의해 증가하였습니다. 분리막에서 Pyridine 그룹의
4차화는 Poly(ionic liquid)의 친수성과 오염방지
능력을 증가시켜주었습니다. 또한 분리막은 Fe(III)결합으로
훌륭한 촉매 분산도, 오염 방지 능력, 확장성을 갖게 되었습니다. Fe-PIL 분리막은 높은 촉매 효율과 넓은 pH 범위에서 반복
사용 가능한 이질 펜톤 반응이 일어납니다. 이 연구는 분리막 오염문제를 풀어줄 새로운 아이디어입니다.

Polym. Chem., 2021, Accepted Manuscript

■
단일이온 전도성 고분자 코팅 분리막의 제작 및 비수성 Li-O₂ 배터리

이 논문에서, 가교된 단일이온 고분자 망을 이용하여 사용 Polyethylene 분리막을 개선하였다. 가교된 단일이온 고분자
망은 poly(ethylene glycol) diacrylate, 비편재화된 음이온성 단위체 그리고 lithium (4-styrenesulfonyl)(trifluoromethanesulfonyl)imide이 UV 중합방식을 이용하여 사용되었다. 합성된 고분자 막은 전해질의
습윤성을 증가시키고 음이온들이 막을 통과하는 것 억제하여 준다. Li-O2 배터리에 사용된 합성된 분리막의
성능은 EIS 와 충방전 실험을 통해 평가되었다. 변형도가
증가함에 따라 Li 이온 전도도가 감소하여 사이클링 성능이 저하되었다.
반면, 0.5 M 전구체 용액을 사용하여 얻은
PEGDA-STFSILi 코팅 분리막은 향상된 방전 과전위를 보였다.

Nature Polymer Journal 18, 02, 2021

■ 해수담수화를 위한 방오성이 강화된
소수성-친수성 MXene/PVDF 복합 중공사막(hollow fiber membrane)

중공섬유막을 기반으로 한 해수의 가습-제습 담수화 기술은
저탄소 담수 채취 기술로 낮은등급의 태양광 에너지장치로도 구동이 가능하다. Polyvinylidene
fluoride(PVDF)은 막으로 쉽게 제조될 수 있으며 산업용 해수 담수화에서 가장 유망한 물질로 여겨진다. 그러나 멤브레인의 fouling과
wetting은 주요 문제점이었다. 본 연구에서는 주목할 만한 anti-wetting 및 anti-fouling 특성을 가진 소수성
친수성 MXene/PVDF 복합 중공 섬유막(PVDF-MP)을
화학 접목법을 사용하여 성공적으로 제조했다. 친수성 기질층(PVDF-OH)과
소수성 피부층(MXene-P[MP]) 사이의 계면 탈수 반응은
FT-IR 과 XPS를 통해 검증되었으며, 상세한
반응 메커니즘이 제공되었다. 친수성 기질층은 수분 전달 저항을 줄였고,
소수성 피부층은 막 표면 에너지를 감소시켜 표면의 거칠기를 높였다. 이로 인해 막의 곡률을
설명하는 새로운 방법을 사용하여 측정한 접촉각은 156.2°였다. 초소수성
표면은 물을 향한 강한 반발력을 가지고 있었고, 물과 막 사이의 공극이 막 내부 표면의 오염물질 퇴적을
방해했다. 게다가 표면이 거칠어 진입 압력이 높아 막 구멍으로 물이 들어가는 것을 막았다. 따라서 PVDF-MP 막의 투과 유속이 담수화 테스트 동안 120시간 이상 지속되어 기존 재료의 성능을 능가하였다.

[Journal
of Membrane Science Available online 27 November 2021, 120146]

■ 원심력을 활용한 Laponite@Geraphene 하이브리드 슈퍼커패시터
분리막

내부 정전기 상호작용 및 외부 원심력을 활용해서 균일한 층간 간격을 갖는
lamellar 구조의 Graphene oxide (GO) 막을 만들었다. GO flake의 가장자리에 양/음전하 상태의 Laponite가 위치하면서, 채널의 구조적 안정성 향상 및 물질
전달 효율을 향상이 일어난다. 뿐만 아니라 층간 간격이 커지면서
mass transfer resistance 감소 및 전해질 내의 이온 확산 효과도 얻을 수 있다.
규칙적인 interlayer, 높은 전자 및 전하 이동 능력을 갖는 2L@GO-10 분리막을 슈퍼커패시터에 적용한 결과, 0.5 A g^-1에서 406.5 F g^-1의 높은 capacitance를
나타내고 20,000 cycle의 반응에도 95 %의 안정성을
나타낸다.

[Industrial & Engineering Chemistry
Research, XXXX, XXX, XXX-XXX (2021년 11월)]

■
자가 조립형 MXene 중공형 기체 분리막 개발

간단한
열적 처리를 통하여 2D stacking을 효율적으로 증가시켜
MXene을 분리막에 활용한 기체 분리막을 개발하였다. MXene membrane에 130 °C의 열을 가하게 되면 층
사이에 물분자가 제거되면서 상호 작용이 생기고 이로 인해 자고 조립이 가능해진다. 이로 인해 굉장히
얇은 기체분리막의 제조가 가능한데, 초박형 멤브레인의 경우 물질 전달 저항이 낮고 투과성이 높기 때문에
분리막 활용시 얇은 두께의 분리막을 합성하는 것이 중요하다. 이 기체 분리막은 6193 GPU의 기체 투과도와 2.32의 H₂/CO₂ 기체 투과도를 갖는것으로 측정되었다. 또한 MXene 멤브레인은 120
시간 동안 우수한 작동 안정성을 가져 2D 물질을 H₂/CO₂
기체 분리막의 잠재적 활용 가능성을 보여주었다. 

[Journal of
Membrane Science, 638, 15 November 2021, 119669 (2021년 11월)]