초음파 스프레이 이용 공정을 통해 제작한 세라믹 나노전극 고체산화물전해전지(SOECs)가 세계 최고 효율 이산화탄소 전기분해 성능을 기록했다. 차세대 에너지 저장과 연료전지 개발 등 다양한 분야 응용이 기대된다.
한국연구재단은 신태호 한국세라믹기술원 단장 연구팀이 신개념 세라믹 전극을 나노구조로 구현해 고효율 이산화탄소 전기분해 성능을 기록했다고 10일 밝혔다.
SOECs는 고온에서 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하거나 물 전기분해를 통해 수소를 생산하는 시스템으로, 탄소 중립 실현과 수소경제 구축을 위한 핵심기술로 평가된다.
SOECs에 사용되는 기존 니켈 금속전극은 촉매활성이 우수하지만, 장기간 운전 시 입자 조대화(고체 상태에서 입자 크기가 점차 증가하는 현상)와 이산화탄소 노출에 따른 탄소 침착 등 문제로 전극 활성이 저하되는 등 내구성 한계가 있다.
대안으로 세라믹 전극이 제시되지만, 니켈 금속전극보다 촉매활성이 낮아 세라믹 전극 촉매활성을 높일 나노구조 표면설계 및 고효율·저비용의 제조공정 개발이 필요하다.
연구팀은 초음파로 고체분말입자와 나노구조체를 세라믹 전극 표면에 균일하게 직분사하는 방법으로 기존 전극 코팅법보다 간단하고 내구성이 우수한 세륨산화물 기반 세라믹 전극을 나노구조로 구현했다.
이를 채택한 SOECs는 실험결과 섭씨 850도에서 전기분해 전류밀도 3.89제곱센티미터 당 암페어(A/㎠)로 세계 최고 효율 이산화탄소 저감 성능을 입증했다.
연구팀은 또 고활성 나노구조형성을 위해 새로운 산화물전극 소재로 망간과 철을 첨가한 세륨산화물을 사용해 전극 표면에 산소공공을 극대화했다.
이를 통해 연료전지 전력생산뿐 아니라 수소를 고효율로 생산하고, 이산화탄소를 전기분해해 일산화탄소로 환원하며 산소를 발생시키는 '올세라믹 고체산화물수전해(SOEC)'도 연구했다.
신태호 단장은 “초음파 스프레이 기반 고체 분무 단일공정 개발은 차세대 에너지 소재 전극 코팅에 중요한 지침을 제공할 것”이라며 “이번 연구 결과는 향후 발전용 고체산화물 전해전지 소재 및 부품의 국산화에 기여할 것으로 기대된다”말했다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
