POSTECH은 연구팀이 프러시안 블루의 새로운 형태 합성에 성공했다고 밝혔다. 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수와 화학공학과 이상민 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨가 참여한 이번 연구는 물 대신 글리세롤을 사용해 기존 정육면체 형태에서 벗어난 팔면체 구조의 프러시안 블루를 만들어낸 성과다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 게재됐다.
프러시안 블루는 1700년경 합성된 이후 속이 빈 3차원 구조 덕분에 나트륨 이온전지 전극 소재, 방사성 세슘 제거, 환경 정화, 촉매 등 다양한 분야에서 활용돼 왔다. 그러나 물에서 합성하면 반응이 지나치게 빨라 입자 성장 속도를 조절할 수 없어, 정육면체 모양만 형성되는 한계가 있었다.
연구팀은 점성이 높은 글리세롤을 도입해 결정 성장을 늦추는 방법을 적용했다. 그 결과 작은 정육면체가 자라났다 녹는 과정을 반복하며 팔면체 형태로 자가 조립되는 현상을 확인했다. 이 팔면체 프러시안 블루를 나트륨 이온 커패시터 전극에 적용한 결과, 기존 정육면체 구조보다 넓은 표면적 덕분에 전극 반응성이 크게 향상됐고 장기간 충·방전 시험에서도 안정적인 성능을 보였다.
이번 성과는 특정 용매가 프러시안 블루 결정 성장의 방향과 속도를 제어할 수 있음을 세계 최초로 입증했다는 데 의의가 있다. 연구팀은 글리세롤 외에도 다양한 유기 용매를 활용해 새로운 형태의 결정 설계가 가능할 것으로 기대하고 있다.
조창신 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 모양의 프러시안 블루를 만든 데 그치지 않고, 성장 과정을 직접 관찰하고 제어할 수 있는 원리를 밝혀낸 것에 의미가 있다”며 “다양한 형태를 자유롭게 설계할 길이 열린 만큼, 에너지 저장 장치부터 환경 정화까지 응용 범위가 크게 넓어질 것”이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 한국에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업, 한국산업기술진흥원 배터리특성화대학원, 한국연구재단 글로벌기초연구실 과제 지원을 받아 수행됐다.