제주대학교 해양시스템공학과 배진호 교수 연구팀이 유사 용량성 전하 저장 문제 해결을 위한 연구로 세계 최고수준의 저널인 **‘Chemical Engineering Journal’**에 연구논문을 게재해 큰 관심을 받고 있다.
24일 배 교수 연구팀에 따르면, Ti3C2Tx MXene 소재는 전기화학 에너지 저장에 적합한 전극 재료이지만 자가 응집 및 산화 분해로 인해 유사 용량성 전하 저장(pseudocapacitive charge storage) 성능이 부족하다. 이를 개선하기 위해 연구팀은 MXene 기반 2D/3D 이종 구조 합성의 2단계 프로세스를 제안했다.
첫 번째 단계에서는 MXene의 부분 산화로 3D 플로럴 Ti3C2-TiO2 나노리본을 생성하고, 두 번째 단계에서는 Cu 이온을 사용해 이를 2D/3D Ti3C2-TiO2-CuTiO3의 이종 구조로 변환했다. 이렇게 제작된 이종 구조는 MXene, TiO2 및 CuTiO3의 시너지 효과로 층간 간격 및 산화 환원 활성 부위 농도를 향상시키고, TiO2 나노리본으로 낮은 전도도 문제를 해결한다.
제안된 2D/3D Ti3C2-TiO2-CuTiO3 이종 구조는 437.3 F/g의 용량을 보여주며, 이는 3D 플로럴 Ti3C2-TiO2 나노리본을 사용한 MXene의 158.7 F/g에 비해 훨씬 높은 성능을 자랑한다. 연구팀은 비대칭 슈퍼커패시터(ASC) 장치(Ti3C2-TiO2-CuTiO3/AC)를 제작하여 31.1 Wh/kg의 에너지 밀도와 1041.7 W/kg의 전력 밀도를 기록했으며, 5000회의 충방전 사이클 후에도 **83.7%**의 용량 유지율을 나타냈다. 이로써 본 연구는 슈퍼캐패시터 성능 향상을 위한 유사 용량성 전하 저장 문제 해결의 기초가 될 것으로 기대된다.
이번 연구는 제주대학교와 울산대학교의 공동 개발로 진행되었으며, 주 저자는 제주대의 노만 무하마드 박사과정 대학원생이, 공동 저자는 제주대의 샤키브 무하마드 박사와 울산대의 Mirza Mahmood Baig 박사가 참여했다. 논문의 제목은 **“Ti3C2Tx-MXene Based 2D/3D Ti3C2–TiO2–CuTiO3 Heterostructure for Enhanced Pseudocapacitive Performance”**이다.
이 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구 지원과 제주대학교 글로벌 지역혁신 선도연구센터, 해외우수과학자유치사업 등의 지원을 받아 수행되었다.
