MXene 기반 이종구조로 전기화학 에너지 저장 혁신

제주대학교 해양시스템공학과 배진호 교수 연구팀이 유사용량성 전하 저장 문제를 해결한 연구로 세계 최고 수준 저널 'Chemical Engineering Journal'에 논문을 게재했습니다. 이번 연구는 Ti3C2Tx MXene 소재의 자가 응집 및 산화분해 문제를 해결하여 전기화학 에너지 저장에서의 유사용량성을 개선하는 데 중점을 두었습니다. 배 교수 연구팀에 따르면, Ti3C2Tx MXene 소재는 전기화학 에너지 저장에 효과적인 전극 재료로 평가받으나, 자가 응집 및 산화분해로 인해 유사용량성 전하 저장이 충분하지 않은 문제점을 안고 있습니다. 이를 개선하기 위해 연구팀은 MXene 기반 2D/3D 이종 구조 합성을 제안하며, 산화 문제와 전도도 개선을 위해 2단계 프로세스를 도입했습니다. 첫 번째 단계에서는 MXene의 부분 산화하에 3D 플로럴 Ti3C2-TiO2 나노리본을 생성하고, 두 번째 단계에서 Cu 이온을 사용해 이를 2D/3D Ti3C2-TiO2-CuTiO3의 이종 구조로 변환했습니다. 이와 같은 2D/3D 이종 구조는 MXene, TiO2 및 CuTiO3의 시너지 효과로 층간 간격과 산화환원 활성 부위 농도를 증가시켜 낮은 전도도 문제를 해결합니다. 제안된 2D/3D 구조는 158.7 F/g의 기존 소재와 비교하여 437.3 F/g의 향상된 용량을 보여주었으며, 비대칭 슈퍼커패시터(ASC) 장치를 통해 에너지 밀도와 전력 밀도를 크게 높였습니다. 5000회 연속 충/방전 사이클 후 83.7%의 용량 유지율을 보이며 슈퍼캐패시터의 성능을 향상시켰습니다. 이번 연구는 제주대학교 배진호 교수 팀과 울산대학교 이승구 교수 연구팀의 공동 개발로 이루어졌으며, 메인 제1저자는 제주대 노만 무하마드 박사과정 대학원생과 샤키브 무하마드 박사가 맡았습니다. 논문의 제목은 'Ti3C2Tx-MXene Based 2D/3D Ti3C2–TiO2–CuTiO3 Heterostructure for Enhanced Pseudocapacitive Performance'이며, 'Chemical Engineering Journal' 499권에 실렸습니다. 연구는 중견 연구 및 글로벌 지역혁신 선도연구센터 등의 지원을 받아 수행되었습니다. 제주대학교 연구진은 이번 연구를 통해 슈퍼캐패시터의 성능 개선을 위한 가능성을 제시하며, 향후 이종구조 합성 기술과 전기화학 성능 향상 기술을 통해 더욱 혁신적인 에너지 저장 솔루션을 개발할 계획입니다. 배 교수는 "단순한 문제 해결을 넘어, 새로운 소재와 배터리 기술의 개발에 중점을 두겠다"며 "차세대 에너지원 개발에 기여하겠다"고 밝혔습니다.