KAIST「酸化チタン新素材、板状MXeneの合成に成功」

研究開発

KAIST「酸化チタン新素材、板状MXeneの合成に成功」

KAIST(韓国科学技術院)生命化学工学科のイ・ジェウ教授の研究チームが、ナノ新素材「MXene」と二酸化炭素との反応を通じて、酸化チタンナノ粒子が均等に分布された板状構造のMXeneの合成に成功したことが8月25日、分かった。

イ・ジェウ教授の研究チームは、水溶液状態で表面をはがした(剝離した)MXeneと二酸化炭素との反応を通じて酸化チタンナノ粒子がMXeneの表面に均等に分布された板状のMXeneを合成した。研究チームが開発した、酸化金属が均等に分布された板状MXeneは単一工程で経済的であり、多様な分野に幅広く適用できると期待されている。

生命化学工学科のイ・ドンギュ博士課程学生が第一著者として参加した今回の研究結果は、国際ジャーナル、「ACS Nano」の7月30日にリリースされたオンライン版に掲載された。(論文題目: CO2-Oxidized Ti3C2Tx-MXenes Components for Lithium-Sulfur Batteries: Suppressing the Shuttle Phenomenon through Physical and Chemical Adsorption)

MXeneは電気伝導度が高く、柔軟性が優れているため、センサー、エネルギー貯蔵装置、エネルギー変換装置など、多様な分野で活用することができる新物質であり、特に、グラフェンやカーボンナノチューブを代替できる次世代物質として注目されている。

MXeneをリチウム・硫黄電池の正極材として活用するためには、活物質である硫黄を収容できる空間を提供しなければならない。また、充電・放電課程で生成された多硫化リチウムが電解質に溶け、負極に移動するシャトル現象を防止しなければならない。

MXeneは金属炭化物で、多孔質材料ではない上に、多硫化リチウムとの総合作用が少ない物質であるため、リチウム・硫黄電池の素材には適しない。研究チームはMXeneが含まれた水溶液に超音波を注入し、MXeneを剝離させ、MXene単一層を多量に製造した後、十分な空間を確保し、二酸化炭素とMXene層を反応させることで、MXene層の表面に多硫化リチウムが吸着する酸化チタンナノ粒子を多量かつ均等に分布させ、この問題を解決した。

研究チームが開発した酸化金属が均等に分布された板状MXeneの製作技術はMXeneの前駆体の種類にこだわらない。研究チームはこの技術を使用することで、長さ50 ~100ナノメートル(㎚)、直径20ナノメートル(㎚)のピーナッツの形のナノ粒子が形成された板状MXeneが製造可能であることを確認した。

研究チームのある関係者は「酸化金属板状MXeneの製造工程は水溶液処理、二酸化炭素との反応で構成された単純な工程であるため、温度、反応時間調節で多様な板状素子の製造、費用低減が可能であり、リチウム・硫黄電池の性能向上に寄与するはず」と説明した。

第一著者であるイ・ドンギュ博士課程学生も「二酸化炭素との反応を通じて製造された酸化金属板状MXeneはリチウム・硫黄電池の正極材のみならず、分離膜にフィルム状に成形しシャトル現象を二重に防止する膜を製造することができる」と言い、「均等な金属酸化物ナノ粒子が形成された板状MXeneは電極並びに多様なエネルギー貯蔵装置の素子に使用されるはず」と紹介した。

この研究は韓国研究財団のGlobal Research Development Center ProgramとKorea CCS R&D Centerの技術開発事業の支援を受けて行われた。


 
 
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