300여 년 만에 '네모 탈출'한 프러시안 블루의 변신

포스텍 연구진, 물 대신 글리세롤로 팔면체 만들어

조창신 포스텍 교수

늘 네모난 모습만 고집하던 '프러시안 블루(Prussian Blue)'가 300여 년 만에 팔면체로 변신했다.

포스텍 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 화학공학과 이상민 교수, 배터리공학과 박사과정 장승혜 씨 연구팀은 물 대신 특별한 용매를 사용해 그동안 불가능했던 새로운 모양의 프러시안 블루 합성에 성공했다.

연구 성과는 재료·에너지 분야 국제학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 온라인판에 게재됐다.

1700년경 우연히 합성된 '프러시안 블루'는 속이 비어 있는 3차원 구조를 가져 이온이 쉽게 드나든다. 이런 특성 덕분에 나트륨 이온전지 전극 소재를 비롯해 방사성 세슘 제거, 환경 정화, 촉매 등 다양한 분야에서 쓰이고 있다.

하지만 지금까지는 큰 한계가 있었다. 물에서 합성하면 반응이 너무 빨라 입자 성장 속도를 조절하기가 어렵고 결과는 늘 네모난 정육면체(큐빅) 모양뿐이었다. 이렇게 모양을 바꾸지 못하면 프러시안 블루의 특정 결정면에서만 나타나는 고유한 성질을 발견하거나 새로운 응용으로 확장하기가 쉽지 않다.

포스텍 연구팀은 해답을 '용매'에서 찾았다. 물 대신 점성이 높은 글리세롤을 쓰면 결정 성장 속도를 늦출 수 있다는 점에 주목한 것이다. 연구 결과, 글리세롤 환경에서는 작은 정육면체 먼저 생겨나고, 이들이 녹았다 다시 자라나는 과정을 반복하면서 팔면체 모양으로 자가 조립되는 현상이 나타났다. 마치 작은 네모난 블록들이 차곡차곡 모여 스스로 여덟 면을 가진 보석 같은 형태로 변신한 셈이다.

이렇게 합성한 팔면체 프러시안 블루를 나트륨 이온 커패시터 전극 소재로 적용한 결과는 놀라웠다. 정육면체 구조보다 표면적이 넓어 전극 반응성이 크게 향상됐고 장기간 충·방전을 시험에서도 안정적인 성능을 유지했다. 단순히 모양만 바꿨을 뿐인데 성능이 확연히 좋아진 것이다. 이번 연구에는 독일 율리히 연구소 카스텐 코르테 박사도 참여해 물질 결정 구조 분석을 도왔다.

연구는 특정 용매가 프러시안 블루 결정의 성장 방향과 속도를 바꿀 수 있다는 사실을 세계 최초로 밝혔다는 점에서 의미가 크다. 또 연구팀은 글리세롤 외에도 다른 유기 용매를 활용하면 지금까지 상상하지 못한 새로운 형태의 결정도 자유롭게 설계할 수 있을 것으로 기대한다.

조창신 교수는 "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.


포항=김규동 기자 korea808080@