[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 김형준 교수팀이 GIST 신소재공학부 최창혁 교수팀과 공동 연구를 통해 전기화학 분야의 오랜 난제 중 하나인 전기 이중층 구조를 이론적으로 규명하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
배터리와 온실 가스 저감을 위한 인공광합성 기술 등 다양한 전기화학 기술이 개발되고 있지만 모든 종류의 전기화학 기술의 작동 원리에는 ‘전기 이중층’이라는 개념이 반드시 등장한다.
전기화학 반응을 위해 전극에 전압을 인가하게 되면 전해질 내의 이온의 재배치가 유도되는데 이 때 형성되는 특별한 구조를 ‘전기 이중층’이라고 부르고 이 구조적 특성에 따라 전기화학 반응의 성능이 결정될 수 있음이 널리 알려져 있다.
이에 전기 이중층의 구조를 규명하고자 하는 연구가 지난 100여년 간 지속되었으나 커다란 진전은 없었다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 양자 역학 및 분자동역학에 기반한 높은 정확도의 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 개발해 그동안 베일에 싸여있던 전기 이중층 구조를 규명하는 데 성공했다.
연구과정을 보면 양자역학 및 분자 동역학 이론에 기반을 둔 DFT-CES라는 새로운 분자 시뮬레이션 방법을 개발했다.
이 과정에서 DFT-CES는 전기 이중층 구조의 변화가 축전량 변화에 미치는 영향을 예측할 수 있었고 실험적으로 측정하는 값과 정량적인 비교가 가능했다.
이어 ‘주인-손님 화학’ (특정 ‘손님’ 분자만을 선택적으로 받아들이는 ‘주인’ 분자의 특이한 화학적 성질을 의미)이라는 특별한 화학 반응을 활용해 전기 이중층 구조를 실제로 제어할 수 있는 전략을 도출했고 이를 통해 탄소 저감에 중요한 전기화학적 이산화탄소의 연료화 반응 효율 제어에 성공했다.
연구 관계자는 “이번 연구를 통해 전기화학 분야의 오래된 난제인 전기 이중층 구조를 규명하는 데 성공했을 뿐만 아니라, 궁극적으로 이를 제어해 친환경 전기 에너지의 변환 및 저장 성능을 획기적으로 높일 가능성에 첫 단추를 끼웠다”며 “이번 연구를 시발점으로 연료전지, 배터리, 질소 고정화 등 인류의 생존에 꼭 필요한 신 전기화학 기술 개발을 위한 연구를 지속하겠다”고 말했다.
KAIST 화학과 신승재 박사과정 학생과 GIST 신소재공학부 김동현, 배근수 박사과정 학생이 공동 제1저자로 참여한 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 1월 10일 게재됐다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성사업 및 한국연구재단(NRF)의 지원으로 진행됐다.