'머리카락 1000분의 1' 나노섬유로 반응 면적 확대…KAIST, 세계 최고 CO₂ 전해전지 개발

KAIST가 개발한 복합나노섬유 제작공정 모식도 및 형상

국내 연구진이 지구 온난화 주범 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 전환하는 세계 최고 성능의 '세라믹 전해전지(SOEC)'를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이강택 기계공학과 교수팀이 신소재 세라믹 나노 복합섬유를 개발해 CO₂ 분해 성능이 현존 최고 성능인 SOEC 개발에 성공했다고 1일 밝혔다.

SOEC는 CO₂를 고가치 화학물질로 전환할 수 있는 유망 에너지 변환 기술로, 저배출량과 고효율성이라는 추가 이점이 있다. 하지만 기존 SOEC는 작동 온도가 800도 이상으로, 유지 비용이 크고 안정성이 낮아 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 전기가 잘 통하는 '초이온전도체' 소재를 기존 전극에 섞어 만든 '복합 나노섬유 전극'을 개발해 전기화학 반응이 더 활발하게 일어나도록 설계하고, SOEC가 더 낮은 온도에서 효율적으로 작동하는 기반을 마련했다.

복합나노섬유 CO₂ 분해 성능 내구성 및 단일나노섬유 대비 미세구조 특성

나아가 이런 소재 복합으로 나노섬유 두께를 약 45% 감소시키고, 전극을 머리카락보다 1000배 가느다란 두께(100나노미터)로 제작했다.

전기분해 반응 면적을 극대화해 SOEC 작동 온도를 낮추는 동시에 CO₂ 분해 성능을 약 50% 향상시켰다. 기존 보고된 소자 중 가장 높은 CO₂ 분해 성능(700도에서 1.25 A/㎠)을 기록했으며, 300시간 장기 구동에도 안정적인 전압을 유지했다.

이강택 교수는 “CO₂ 저감뿐 아니라 그린수소 및 친환경 전력 생산과 같은 차세대 에너지 변환 소자 개발에도 선도적인 기술이 될 것”이라고 말했다.

KAIST 기계공학과의 김민정·아크롬존 석사, 김형근 박사과정이 공동 제 1 저자로 참여하고, 정인철 한국지질지원연구원 박사, KAIST 기계공학과의 오세은 박사과정, 윤가영 석사과정이 공동저자로 참여한 이번 연구는 '어플라이드 카탈리시스 B: 환경과 에너지'에 3월 3일 온라인 게재됐다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노 및 소재 기술개발사업, 개인기초연구사업 지원으로 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com