온실가스 배출 없이 그린수소 뽑아낸다

KAIST 고성능 전기화학전지 개발
에너지기술연·전남대와 공동연구
촉매 활성 극대화한 신소재 전극

온실가스 배출량을 ‘0’으로 만드는 글로벌 약속 ‘탄소중립(Net-zero)’ 달성을 위해 탄소 배출을 줄이는 수소 에너지의 활용 및 생산은 선택이 아닌 필수적인 요소로 부상하고 있다. 이를 위한 에너지 변환 기술 중 고효율 전력 변환 및 그린수소 생산이 가능한 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)가 미래 수소 에너지 사회를 촉진할 차세대 기술로 주목받고 있다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수, 신소재공학과 정우철 교수, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 전남대학교 송선주 교수 공동 연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장시켜 전극의 촉매활성을 크게 향상시켰다고 14일 밝혔다.

비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적인 한계로 인해 양성자의 격자 내 이동이 제한으로 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 낮아진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 이종 금속원소 후보군을 선정 및 도핑해 격자내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화해 양성자 수송 특성을 극대화, 이를 통해 고성능 전극 설계에 대한 단초를 마련했다. 또한 계산화학을 통해 전극의 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 성능을 보이며 생산 과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소 또한 높은 생산 성능을 입증했다. 또 500시간의 장시간 구동 후에도 성능이 저하되지 않았다.

이강택 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력 그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시했다”면서 “이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ (오른쪽 사진) 4월 12일 후면표지(Back cover) 논문으로 게재됐다. 구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com