7종 금속 섞었더니 수소 생산 3배↑…그린수소 상용화 성큼

KAIST, 전지 반응속도·성능 높인 ‘산소전극 소재’ 개발
열역학 개념 ‘고엔트로피’ 적용..수소이온반응 7배 향상
500시간 장시간 안정성 유지..그린수소 생산 효율 높여

국내 연구진이 열역학 개념인 '엔트로피'를 활용해 전지 내 수소 이온 반응을 빠르고 쉽게 일어나도록 유도, 수소 생산 효율을 3배 이상 높이는 전극 소재를 개발했다. 수소 가격을 낮추고 친환경 수소 생산 상용화를 앞당기는 데 기여할 전망이다.

KAIST는 이강택 기계공학과 교수팀이 여러 금속 원소를 동일한 비율로 혼합해 물질 간 안정성을 높이는 고엔트로피 전략으로 전지 반응 속도와 출력 성능을 크게 향상시킨 '산소 전극 소재'를 개발했다고 5일 밝혔다.

물을 분해해 수소를 생산하는 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)는 수소 이온이 내부를 이동하면서 수소를 만들어 내는 장치로 높은 효율로 주목받고 있다. 하지만 전지 내부 산소 전극에서 반응 속도가 느려 성능 한계가 있었다.

연구팀은 여러 금속 원소를 동시에 도입해 무질서도를 높이는 '고엔트로피 전략'으로, 7종의 금속 원소를 전극 구조에 도입한 '고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소전극'을 설계했다.

이 전극은 페로브스카이트 구조를 기반으로 서로 다른 금속이 함게 들어간 이중 구조에 여러 원소를 섞은 고엔트로피 설계를 적용한 것이다.

다양한 금속이 섞이면서 전극 내부의 전하 이동과 산소 관련 반응이 한층 원활해져 전기 생산과 수소 생성 반응이 빠르게 일어난다.

그 결과, 수소 이온 속도가 기존보다 7배 이상 빨라져 전극 내부에서 수소 생성이 빠르게 진행됐다. 성능도 크게 향상돼 650도에서 기존보다 전력밀도는 2.6배, 수소 생산 성능은 3배 각각 증가했다.

또 500시간 수증기 조건 테스트에서도 성능 저하가 0.76%에 그쳐 장시간 사용에도 안정적인 성능을 확인했다.

이강택 KAIST 교수는 "고효율 수소 생산과 에너지 저장 기술 발전할 것"이라고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼스' 표지논문(지난해 12월 16일자)에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr

국제 학술지 표지 논문에 실린 연구성과. KAIST 제공.

이강택(뒷줄 왼쪽) KAIST 교수와 연구진.