▲  그래핀-리그닌 하이브리드 및 에너지 발현 모식도 : 목재폐기물로부터 추출된 리그닌 고분자를 그래핀 산화물과의 강한 비공유 결합에 의한 자기조립을 통해서 하이브리드화하고, 환원과정을 통해서 전극으로 조립하여서 새로운 하이브리드형 전극소재를 개발했다. 리그닌 골격에 있는 Quinone 그룹에 의해서 자연계에서 관찰할 수 있는 표면 산화ㆍ환원 반응에 의해서 전하를 발생시킬 수 있고, 발생된 전자는 전기적 특성이 우수한 그래핀으로 이동하기 때문에 이론 용량의 90%에 육박하는 높은 용량을 발현할 수 있다.

[동양뉴스통신] 육심무 기자 = 경희대 박호석 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 이현주 박사팀, 미국 메릴랜드 대학교 이상복 교수팀이 목재 폐기물 바이오매스로부터 생체고분자인 리그닌을 추출 후 꿈의 신소재인 그래핀과 하이브리드화해 재생 가능한 에너지 저장용 전극 소재를 세계최초로 개발했다.

현재 상용화된 활성탄 전극대비 높은 용량과 출력, 장기 내구성을 동시에 달성할 수 있는 이 연구결과는 에너지ㆍ환경 분야의 국제학술지 ChemSusChem  4월 4일자 온라인 판에 Back cover 논문으로 게재됐다.(논문명 : Superior Pseudocapacitive Behavior of Confined Lignin Nanocrystals for Renewable Energy-Storage Materials)

박호석 교수팀은 폐기되어 버려지는 목질계 바이오매스 내 존재하는 리그닌 나노결정을 2차원 나노신소재인 그래핀과 하이브리드화시켜 고용량, 빠른 충ㆍ방전, 장기 내구성을 가지는 재생 가능한 친환경 슈퍼커패시터용 전극소재를 개발하였다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해서 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로써, 리튬이차전지에 비해서 높은 출력, 빠른 충ㆍ방전 속도 및 장기안정성의 장점을 가지고 있다.

리그닌-그래핀 전극은 생체시스템에서 발견할 수 있는 산화ㆍ환원 반응을 리그닌에서 구현함으로써 충전용량을 활성탄 전극(200F/g 이하)의 2배 이상인 432F/g까지 증가시켰을 뿐 아니라, 그래핀 본연의 우수한 전기적 특성, 넓은 표면적, 전기화학적 안정성을 이용하여 높은 출력과 장기내구성을 동시에 달성할 수 있었다.

박호석 교수는 리그닌을 이용한 전극 활물질 개발로 바이오매스 분야에 새로운 응용 가능성을 제시하였다고 밝혔다.

연구진은 이번 연구성과로 인해서 버려지는 폐기물로부터 저렴하고, 재생 가능한 유기물 기반의 전극 소재를 개발함으로써 지속가능한 (sustainable)한 에너지 소재 및 시스템 구현을 위한 기술 개발이 가능할 것으로 기대하고 있다.

또 리그닌에 의해 밝혀진 생체시스템 내 산환ㆍ환원 반응을 토대로 비슷한 구조를 포함하는 물질의 개발 및 응용이 가능하기에 화학공학, 생물공학, 나노공학 등의 학제간 융합 연구가 가능하고, 사회적인 측면에서 재생 에너지를 통한 고성능 에너지 저장 소자의 개발 기술은 그린 에너지 확보를 통해 화석연료 사용에 따른 환경오염문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.