탄소 배출을 줄이는 수소 에너지 활용 및 생산이 필수적인 요소로 부상하는 가운데, 고효율 전력 변환 및 그린수소 생산이 가능한 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)가 미래 수소 에너지 사회를 촉진할 차세대 기술로 주목받고 있다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이강택 기계공학과 교수, 정우철 신소재공학과 교수, 이찬우 한국에너지기술연구원 박사, 송선주 전남대 교수 공동 연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장하는데 성공, 전극 촉매활성을 크게 향상시켰다고 14일 밝혔다.
비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적인 한계로 양성자 격자 내 이동이 제한된다. 이에 촉매 활성이 낮아 연료전지 성능이 낮아진다는 문제점이 있었다.
연구팀은 이종 금속원소 후보군을 선정·도핑해 격자내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화해 양성자 수송 특성을 극대화했고, 이를 통해 고성능 전극 설계 단초를 마련했다.
또 연구팀은 계산화학(컴퓨터로 화학 시스템 구조와 반응성을 이론적으로 모델링하고 예측하는 학문)을 통해 전극 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계를 규명했다.
연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능(650도에서 3.15 W/㎠)을 보였다.
생산 과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소 또한 높은 생산 성능(650도에서 시간당 약 770㎖/㎠)을 보였다.
500시간 장시간 구동 후에 가역 구동(전력 및 그린수소를 교대로 생산)에서도 안정적인 성능을 보여, 제시한 전극 설계 방법의 우수성이 입증됐다.
이강택 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력·그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대되며, 이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 기계공학과의 김동연 박사과정, 정인철 박사, 신소재공학과의 안세종 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 세계적 권위지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 지난 4월 12일 자 후면표지(Back cover) 논문으로 게재됐다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업, 이공분야기초연구사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
