[쿠키과학] 세라믹기술원, 세계 최고 이산화탄소 전기분해 성능 달성

초음파 스프레이 기술로 세라믹 나노전극 SOEC 전기 생산
발전용 고체산화물 전해전지 소재 및 부품 국산화 기대

산소공공 효과가 증폭된 세라믹 전극표면에서 이산화탄소의 전기분해 저감 개념도. 한국연구재단

이산화탄소 전기분해 성능을 비약적으로 향상시킨 초음파 스프레이 기술이 등장했다. 이 기술은 차세대 연료전지, 에너지저장장치 등에 적용될 전망이다.

한국연구재단은 한국세라믹기술원 신태호 저탄소·디지털전환사업단장팀이 내구성이 뛰어난 신개념 세라믹 전극을 나노구조로 구현, 세계 최고의 이산화탄소 전기분해 성능을 기록했다고 10일 밝혔다.

연구팀이 개발한 세라믹 나노전극 고체산화물전해전지(SOECs)는 고온에서 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하거나, 물 전기분해로 수소를 생산하는 탄소중립 실현과 수소경제 구축의 핵심기술이다.

기존 고체산화물전지에 사용되는 니켈금속전극은 촉매활성이 우수하지만 장기간 운전하면 입자가 점진 적으로 커지는 조대화와 더불어 이산화탄소 노출로 탄소가 침착돼 전극 활성이 저하되는 문제가 있다.

이에 대안으로 제시된 세라믹 전극은 내구성이 높지만 니켈 금속전극보다 촉매활성이 낮아 이를 극복할 나노구조 표면설계와 고효율·저비용 제조공정 개발이 요구됐다.

연구팀은 초음파로 고체분말입자와 나노구조체를 세라믹 전극표면에 균일하게 직분사하는 방법으로 기존 전극 코팅법보다 간단하면서 내구성은 우수한 세륨산화물 기반 세라믹 전극을 나노구조로 구현했다.

실험결과 새로운 세라믹 나노전극을 채택한 고체산화물전해전지는 850℃에서 전기분해 전류밀도 3.89A/㎠로 이산화탄소 저감 세계 최고 효율을 달성했다.

초음파 스프레이 기반 고체분무 단일공정 및 형성된 나노구조체의 이산화탄소 전기분해 성능평가. 한국연구재단

이번 연구는 차세대 에너지저장과 연료전지 등 다양한 분야에 응용할 수 있고, 특히 고 내구성 차세대 SOFC 전극소재 국산화에 기여할 전망이다.

신 단장은“초음파 스프레이 기반 고체분무 단일공정 개발은 차세대 에너지소재 전극 코팅에 중요한 지침을 제공할 것”이라며 “앞으로 발전용 고체산화물 전해전지 소재 및 부품 국산화에 기여할 것으로 기대된다”말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발 사업으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘에너지 앤 인바이런멘털 사이언스’ 지난 7일자 온라인에 게재됐다.

(왼쪽부터) 한국세라믹기술원 이석희 센터장, 이상원 박사과정, 신태호 단장, 남태헌 석사과정. 한국연구재단

이재형 기자 jh@kukinews.com