나노기술의 에너지 활용

Energy applications of nanotechnology
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세계의 에너지 수요가 계속 증가함에 따라, 에너지 생성과 저장을 위한 보다 효율적이고 지속 가능한 기술의 개발은 점점 더 중요해지고 있다. 라이스 대학의 웨이드 애덤스 박사에 따르면, 에너지는 향후 50년 안에 인류가 직면하는 가장 시급한 문제가 될 것이며 나노기술은 이 문제를 해결할 잠재력이 있다고 한다.[1] 상대적으로 새로운 이공계 분야인 나노기술은 에너지산업에 상당한 영향을 미칠 것으로 전망했다. 나노기술은 길이가 100나노미터 미만인 1차원 입자를 포함하는 모든 기술로 정의된다. 규모에 있어서, 단일 바이러스 입자의 폭은 약 100 나노미터이다.

이공계 사람들은 이미 나노 기술을 소비재 개발에 활용하는 방법을 개발하기 시작했다. 이러한 제품의 설계에서 이미 관찰된 이점은 조명 및 난방 효율 증가, 저장 용량 증가, 에너지 사용으로 인한 오염량 감소 등이다. 이와 같은 혜택은 나노기술의 연구개발에 자본의 투자를 최우선 과제로 삼고 있다.

에너지에서 흔히 사용되는 나노 물질

에너지와 관련된 나노기술의 중요한 하위 분야는 나노스케일에 기기를 설계하고 만드는 과정인 나노섬유화다. 100나노미터 이하의 장치를 만드는 능력은 에너지를 포착하고 저장하고 전달하는 새로운 방법의 개발을 위한 많은 문을 열어준다. 나노압축 기술의 정밀도 향상은 세계가 현재 직면하고 있는 많은 에너지 관련 문제들을 해결하는 데 매우 중요하다.[citation needed]

그래핀 기반 재료

에너지 저장에 그래핀 기반 소재를 사용하는 것에 대한 관심이 뜨겁다. 에너지 저장용 그래핀의 활용에 대한 연구는 매우 최근에 시작되었지만 상대적 연구의 성장 속도는 빠르다.[2]

그래핀은 최근 저중량, 화학적 불활성성, 저렴한 가격 등 여러 특성 때문에 에너지 저장의 유망 소재로 떠올랐다. 그래핀은 탄소 원자의 2차원 시트로 존재하는 탄소를 육각 격자 모양으로 배열한 것이다. 연구계에서 '그래핀'이라 불리는 그래핀 관련 물질군은 그래핀의 구조적 또는 화학적 파생물질로 구성된다.[2] 보통 흑연에서 산화에 의해 산화한 흑연 준비가 되어 가장 중요한 화학적으로 파생된 graphene은graphene 산화물(흑연의 단일 계층으로 정의된 oxide,[3]흑연 산화물 강한 oxidizers과 흑연 대응을 해서 얻어질 수 있는 예를 들어, 황산 나트륨 질산, 그리고 칼륨의 혼합물 permanganate[4]).dcon박리 각질 제거 그래핀의 성질은 제작 방법에 따라 크게 달라진다. 예를 들어 그래핀 산화물을 그래핀으로 줄이면 그래핀 구조도 1원자 두께지만 나노홀이나 스톤-왈레스 결함과 같이 결함의 농도가 높은 그래핀 구조가 된다.[5] 더욱이 상대적으로 전기전도도가 높고 가변적인 구조를 가진 탄소성 물질은 황의 개조에 광범위하게 사용되고 있다. 다양한 구조를 가진 황-탄소 복합체가 합성되어 배터리 설계에 중요한 순수 황보다 전기화학적 성능이 현저히 향상되었다.[6][7][8][9] 그래핀은 최근 몇 년간 광범위하게 조사된 고성능 Li-S 배터리의 황 음극 수정 가능성이 크다.[2]

실리콘 기반 나노 반도체

실리콘 기반의 나노 반도체는 태양에너지에 가장 유용한 응용을 하고 있으며 교토대 등 여러 곳에서 광범위하게 연구되어 왔다. 그들은 전자파 스펙트럼으로부터 더 많은 범위의 파장을 흡수하기 위해 실리콘 나노입자를 이용한다. 이것은 표면에 동일하고 동일한 간격을 가진 실리콘 막대들을 많이 놓는 것으로 이루어질 수 있다. 또한 최상의 결과를 얻기 위해서는 간격의 높이와 길이를 최적화해야 한다. 이러한 실리콘 입자의 배열은 태양에너지를 많은 다른 입자에 의해 재흡수되게 하고, 흥분되는 전자에 의해 많은 에너지가 열로 변환되게 한다. 그러면 열은 전기로 변환될 수 있다. 교토대 연구진은 이런 나노 규모의 반도체가 일반 태양전지 대비 효율을 최소 40%까지 높일 수 있다는 사실을 밝혀냈다.[10]

나노셀룰로오스 기반 재료

셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 천연 중합체다. 현재 나노셀룰로오스 기반 중극구조, 유연한 박막, 섬유, 네트워크가 개발되어 태양광(PV) 장치, 에너지 저장 시스템, 기계 에너지 하브터, 촉매 부품 등에 사용되고 있다. 이러한 에너지 관련 기기에 나노셀룰로오스를 포함하면 환경 친화적 물질의 비중이 크게 증가하고 관련 환경 문제를 해결하는 데 있어 매우 유망하다. 게다가, 셀룰로오스는 저비용과 대규모의 약속으로 나타난다.[11]

에너지 내 나노구조체

1차원 나노소재

1차원 나노 구조는 Li-ion 배터리의 개선이 필요한 영역인 에너지 저장 시스템의 에너지 밀도, 안전 및 사이클링 라이프(Cycle-Life)를 증가시킬 가능성을 보여주었다. 이러한 나노 구조물은 주로 배터리 전극에 사용되는데, 이는 짧은 양연속 이온과 전자 전송 경로로 인해 배터리 성능이 향상되기 때문이다.[12]

또한, 1D 나노 구조물은 이중 레이어링을 통해 전하 저장량을 증가시킬 수 있으며, 가성비 표면 리독스 공정이 빨라서 슈퍼캐패시터에도 사용할 수 있다. 앞으로 이러한 재료의 새로운 디자인과 제어 가능한 합성이 훨씬 더 심도 있게 개발될 것이다. 1D 나노소재 또한 환경 친화적이고 비용 효율적이다.[13]

2차원 나노소재

2차원 나노물질의 가장 중요한 특징은 그 특성을 정밀하게 제어할 수 있다는 것이다. 이는 2D 나노소재를 나노구조로 쉽게 수정하고 설계할 수 있다는 것을 의미한다. 층간 공간은 2D 나노유체 채널이라고 불리는 비층 재료에 대해서도 조작될 수 있다. 2D 나노물질은 또한 용이한 충전과 대량 수송을 적용하여 에너지 저장과 촉매 응용에 사용될 수 있도록 다공성 구조로 설계될 수 있다.[14]

2D 나노물질도 몇 가지 난제가 있다. 재료의 성질을 수정하는 일부 부작용이 있는데, 이를테면 활성도, 구조 안정성 등이 설계할 때 손상될 수 있다. 예를 들어 일부 결함을 만들면 촉매 성능을 높이기 위해 활성 부위의 수가 증가할 수 있지만 측면 반응도 발생할 수 있어 촉매의 구조가 손상될 수 있다. 또 다른 예는 층간 팽창이 촉매 반응에서 이온 확산 장벽을 낮출 수 있지만 잠재적으로 구조적 안정성도 낮출 수 있다는 것이다. 이 때문에 성과와 안정성의 트레이드오프가 있다. 두 번째 문제는 설계 방법의 일관성이다. 예를 들어, 이질적인 구조는 층간 공간과 에너지 저장장치에서 촉매의 주요 구조물이지만, 이러한 구조들은 촉매 반응이나 전하 저장 메커니즘의 메커니즘에 대한 이해가 부족할 수 있다. 근본적인 지식이 이러한 구조들을 설계하는 일관되고 효율적인 방법으로 이어질 것이기 때문에 2D 나노물질 설계에 대한 더 깊은 이해가 필요하다. 세 번째 도전은 이러한 기술의 실용적 적용이다. 2D 나노소재의 연구실 규모와 산업 규모 애플리케이션은 저장과 처리 과정에서 본질적으로 불안정하기 때문에 큰 차이가 있다. 예를 들어 다공성 2D 나노물질 구조는 포장 밀도가 낮아 밀도가 높은 필름으로 포장하기 어렵다. 산업 규모에서 이러한 재료의 적용을 위한 새로운 공정이 여전히 개발되고 있다.[14]

적용들

리튬-황산 기반 고성능 배터리

Li-ion 배터리는 현재 가장 인기 있는 전기 화학 에너지 저장 시스템 중 하나로 휴대용 전자제품에서 전기 자동차에 이르기까지 널리 사용되고 있다.[15][16] 그러나 Li-ion 배터리의 중력 에너지 밀도는 제한적이고 화석 연료보다 적다. 리튬이온배터리보다 에너지 밀도가 훨씬 높은 리튬황(Li-S)배터리는 최근 몇 년간 전 세계적으로 주목받고 있다.[17][18] 중국 국립자연과학재단(그랜트 제21371176호, 211173)과 닝보 과학기술혁신팀(그랜트 제2012B82001)의 연구진이 그래핀/황산 나노복합체 다층구조로 구성된 나노구조 기반 리튬황전지를 개발했다. 황의 나노변화는 배터리의 전기 전도성을 높이고 황 음극에서의 전자 이동을 향상시킬 수 있다. 다층구조(G/S/C)의 그래핀/황/탄소 나노콤포사이트를 설계해 화학적으로 환원된 그래핀 시트 양쪽에 나노사이즈 유황을 층층이 쌓고 비정형 탄소층으로 덮을 수 있다. 이 구조물은 높은 전도도와 황의 표면 보호가 동시에 이뤄져 뛰어난 전하/배출 성능을 낸다. G/S/C 복합체는 Li-S 배터리의 고성능 음극재로서 유망한 특성을 보여준다.[19]

태양전지의 나노물질

공학적 나노 물질은 현재 세대의 태양 전지의 핵심 구성 요소다.[20] 오늘날 최고의 태양 전지는 서로 다른 에너지의 빛을 흡수하기 위해 여러 개의 다른 반도체 층을 쌓아놓고 있지만 여전히 태양 에너지의 약 40%만을 사용한다. 상업적으로 이용 가능한 태양 전지는 효율성이 훨씬 낮다(15-20%) 나노 구조는 예를 들어 비정형 실리콘 소자의 전류 채집 [21]개선, 염료 감응 태양 전지의 플라스모니틱 향상,[22] 결정 실리콘의 광선 트랩 개선 등 기존 태양광(PV) 기술의 효율성을 향상시키기 위해 사용되어 왔다.[23] 나아가 나노기술은 나노소재의 유연한 밴드갑([24]bandgaps)을 활용하거나 태양광 소자의 방향성 및 광자탈출 확률을 제어함으로써 빛 변환의 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있다.[25] 이산화티타늄(TiO2)은 낮은 비용, 환경 친화성, 풍부한 다형성, 양호한 안정성, 우수한 전자 및 광학적 특성 때문에 지난 수십 년 동안 PV 세포에 사용하기 위해 가장 널리 조사된 금속 산화물 중 하나이다.[26][27][28][29][30] 그러나 그들의 성능은 TiO2 재료 자체의 특성에 의해 크게 제한된다. 한 가지 제한은 넓은 대역 간극으로, TiO가2 단지 태양 스펙트럼의 5% 미만을 차지하는 자외선(UV) 빛에만 민감하게 반응하게 만든다.[31] 그들이 개별 요소의 기능적 시스템으로 통합을 대표하는 최근,core–shell 구조화된 나노는 고립된 구성 요소 사용할 수 없다 물리적 화학적 특성(예를 들어, 안정성,non-toxicity, 분산성,multi-functionality)을 보여 준 주목을 끌었다.[32][33][34][35][36][37][38][39][40] TiO2 나노소재의 경우, 이 코어 쉘 구조 설계는 단점을 극복할 수 있는 유망한 방법을 제공하여 성능을 개선할 수 있을 것이다.[41][42][43] 유일한 TiO2 재료와 비교했을 때, 코어-셸 구조 TiO2 복합 재료는 독특한 코어-셸 구조에서 유래한 새로운 기능인 광학 및 전기적 특성까지 튜닝이 가능하다.[31]

나노입자 연료첨가물

나노물질은 에너지 소비를 줄이기 위해 다양한 방법으로 사용될 수 있다. 나노입자 연료첨가제는 탄소배출량을 줄이고 연소연료의 효율을 높이는 데도 큰 도움이 될 수 있다. 세륨 산화물 나노입자는 표면적 대 부피 비율이 높기 때문에 연소되지 않은 탄화수소와 기타 소립자 배출의 촉매작용을 매우 잘 하고 엔진 연소실 내의 압력을 낮춰 엔진 효율을 높이고 NOx 배출량을 억제하는 것으로 나타났다.[44] 탄소 나노입자를 추가함으로써 제트 연료의 연소율과 점화 지연도 성공적으로 증가했다.[45] 바이오디젤과 디젤 연료에 대한 철 나노입자 첨가제 역시 한 연구에서 탄화수소의 연료 소비량과 체적 배출량이 3-6%, 일산화탄소가 6-12%, 질소산화물이 4-11% 감소하는 것으로 나타났다.[46]

연료첨가물의 환경 및 건강에 미치는 영향

나노 물질은 여러 가지 방법으로 연료의 에너지 효율을 높일 수 있지만, 그 사용의 단점은 환경에 미치는 나노 입자의 효과에 있다. 세륨 산화물 나노입자 첨가물을 연료에 넣으면 이러한 유독 입자의 미량들이 배출될 수 있다. 경유에 함유된 세륨산화물 첨가제는 폐 염증을 유발하고 쥐의 기관지 치경 라지 액을 증가시키는 것으로 나타났다.[44] 이는 특히 도로 교통량이 많은 지역에서 이러한 입자가 축적되어 건강에 악영향을 미칠 가능성이 높은 경우에 관련된다. 디젤 연료의 불완전 연소로 인해 자연적으로 발생하는 나노입자도 디젤 가스의 독성에 크게 기여하고 있다. 연료에 인공 나노입자를 첨가하면 연소로 인한 독성 입자 배출의 순량이 감소하는지를 판단하기 위한 연구가 더 필요하다.[44]

경제적 이익

에너지의 포획, 전달 및 저장에 관한 나노기술의 사용으로 비교적 최근에 전환된 것은 사회에 많은 긍정적인 경제적 영향을 끼쳤으며 앞으로도 계속될 것이다. 나노기술이 소비자제품의 과학자와 엔지니어에게 제공하는 물질의 통제는 나노기술의 가장 중요한 측면 중 하나이며 다양한 제품의 효율성 향상을 가능하게 한다. 나노소재의 준비비용은 더 저렴해지고 더 많은 개발로 인해 미래에는 나노소재의 에너지 비용 감소로 이어질 수 있다.

현재 에너지 발생의 주요 쟁점은 연소 부산물로서의 폐열 발생이다. 이것의 일반적인 예는 내연기관이다. 내연기관은 열로 인해 가솔린으로부터 약 64%의 에너지를 잃으며 이것만으로도 상당한 경제적 영향을 미칠 수 있다.[47] 그러나 이 점에서 내연기관 개선은 성능을 희생시키지 않고서는 극히 어려운 것으로 판명되었다. 나노기술의 활용을 통한 연료전지 효율 개선은 분자 맞춤형 촉매, 폴리머막, 연료 저장 개선 등을 통해 더욱 그럴듯해 보인다.

특히 수소 변종인 연료전지가 작동하기 위해서는 수소 원자의 양성자로부터 전자를 분리하기 위해 고귀한 금속 촉매(보통 백금, 매우 비싸다)가 필요하다.[48] 그러나 이런 유형의 촉매들은 일산화탄소 반응에 극도로 민감하다. 이를 퇴치하기 위해 알코올이나 탄화수소 화합물을 사용하여 시스템의 일산화탄소 농도를 낮춘다. 나노기술을 이용해 불완전 연소를 제한하고 일산화탄소 양을 줄여 공정 효율을 높이는 나노분해를 통해 촉매를 설계할 수 있다.

참고 항목

참조

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