[로이슈 전여송 기자]
국내 연구진이 초음파 스프레이를 이용한 신개념 공정으로 제작한 세라믹 나노전극 고체산화물전해전지(SOECs)가 세계 최고의 이산화탄소 전기분해 성능을 기록해 차세대 에너지 저장은 물론 연료전지 등 다양한 분야에서 응용이 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한국세라믹기술원 신태호 단장 연구팀이 내구성이 뛰어난 신개념 세라믹 전극을 나노구조로 구현해 세계 최고의 이산화탄소 전기분해 성능을 기록했다고 밝혔다.

초음파 스프레이란 초음파를 이용해 고체분말과 액체를 미세한 입자로 분무(분사)하는 기술이다. 고체산화물전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)란 전력을 공급해 물을 수소와 산소로 전기분해해 수소를 얻는 전지다. 이산화탄소 전기분해는 이산화탄소를 전기로 분해해 일산화탄소를 생산하는 기술로 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하는 기술이다.

고체산화물전해전지는 고온에서 이산화탄소(CO2)를 일산화탄소(CO)로 전환하거나, 물 전기분해를 통해 수소를 생산하는 시스템으로, 탄소 중립 실현과 수소경제 구축을 위한 핵심기술로 평가받는다.

고체산화물전지에 사용되는 기존 니켈 금속전극은 촉매활성이 우수하지만, 장기간 운전 시 입자의 조대화와 CO2 노출에 따른 탄소 침착 등의 문제로 전극 활성이 저하되는 등 내구성에 한계가 있다. 조대화란 고체 상태에서 입자의 크기가 점차적으로 증가하는 현상이다.

대안으로 제시된 세라믹 전극은 내구성이 높지만, 니켈 금속전극보다 촉매활성이 낮다. 따라서 세라믹 전극의 촉매활성을 높일 나노구조 표면설계 및 고효율·저비용의 제조공정 개발이 필요하다.

연구팀은 초음파로 고체분말입자와 나노구조체를 세라믹 전극 표면에 균일하게 직분사하는 방법으로 기존의 전극 코팅법보다 간단하고 내구성이 우수한 세륨산화물(CeO2) 기반의 세라믹 전극을 나노구조로 구현했다.

새로운 세라믹 나노전극을 채택한 고체산화물전해전지는 실험결과 850도에서 전기분해 전류밀도 3.89 A/cm2로 세계 최고 효율의 CO2 저감 성능을 입증했다.

또한 연구팀은 고활성 나노구조형성을 위해 새로운 산화물전극 소재로 망간(Mn)과 철(Fe)을 첨가한 세륨산화물(CeO2)을 사용해 전극 표면에 산소공공을 극대화함으로써 연료전지의 전력생산뿐 아니라 수소를 고효율로 생산하고, CO2를 전기분해해 CO로 환원하며, O2를 발생시키는 올세라믹 SOEC(All-Ceramic SOEC)도 연구했다. 산소공공은 산소 결정 구조에서 원자나 이온이 빠져 산소가 비어버린 자리를 뜻한다.

신태호 단장은 “초음파 스프레이 기반의 고체 분무 단일공정 개발은 차세대 에너지 소재 전극 코팅에 중요한 지침을 제공할 것”이라며 “이번 연구 결과는 앞1으로 발전용 고체산화물 전해전지 소재 및 부품의 국산화에 기여할 것으로 기대된다” 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발 사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 2월 7일 온라인 게재되었고, 표지 논문으로 선정되었다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr