환경오염 주범 이산화탄소 제거, 전기 만드는 전기화학 전극 개발

UNIST·POSTECH·서울대·NUIST, 이중층수산화물 기반 고성능 고체산화물전지 전극
전기 생산 출력 1.5배 증가·이산화탄소 분해 시 내구성↑… Adv. Funct. Mater. 게재

지구를 병들게 하는 이산화탄소가 미래의 생명줄이 될 수 있을까?

이산화탄소를 재활용하고 수소로 전력을 생산하는 SOC 전극 기술이 한 단계 도약했다. UNIST·POSTECH·서울대 공동연구팀은 이중층수산화물을 적용해 고온에서도 안정적인 작동이 가능한 전극 소재를 구현, 상용화 가능성을 끌어올렸다.

UNIST 신소재공학과 조승호 교수팀은 POSTECH 안지환 교수, 서울대 한정우 교수, 중국 난징정보과학기술대학교 부윈페이 교수팀과 함께 이중층수산화물을 이용해 고온에서도 성능이 떨어지지 않는 고체산화물전지(SOC) 전극을 개발했다고 3일 전했다.

연구진, (좌측부터) 조승호 UNIST 교수, 안지환 POSTECH 교수, 한정우 서울대 교수, 김현민 UNIST 연구원, 김윤서 UNIST 연구원, 서화경 서울대 연구원. UNIST 제공

고체산화물전지는 수소나 메탄 같은 연료를 이용해 전기를 생산하는 장치다. 수소차의 연료전지와 달리 전기를 넣으면 반대로 반응을 돌릴 수 있어, 심야에 남는 전기로 다시 수소를 만들거나 온실가스인 이산화탄소를 분해해 산업용 가스인 일산화탄소를 만들 수도 있다는 장점이 있다.

연구팀이 개발한 전극은 지지체와 촉매 모두 금속으로 이뤄져 있어서 내구성이 뛰어나다. 기존 전극은 세라믹 지지체에 금속 촉매가 얹혀 있는 형태라, 세라믹과 금속 간의 구조 차이로 인해 600℃ 이상의 고온에서 장기 가동 시 금속 촉매가 뭉치거나 떨어져 나가는 문제가 있었다.

개발한 새로운 전극을 적용한 결과, 800℃에서 수소를 연료로 사용했을 때 기존 전극보다 약 1.5배 향상된 최대 출력(1.57 W/cm²)을 기록했다. 또 전기를 주입해 이산화탄소를 분해함으로써 일산화탄소를 생산하는 실험에서도 200시간 동안 안정적으로 작동하며 내구성을 입증했다.

지지체와 촉매 모두 금속인 전극을 만들 수 있었던 이유는 원료인 이중층수산화물 덕분이다. 이중층수산화물은 서로 다른 금속 이온이 한 층 안에 고르게 섞여 있고, 이 층이 겹겹이 쌓인 구조의 물질이다. 코발트와 철 이온이 섞인 이중층수산화물을 먼저 공기 중에서 한 번 가열해 지지체 역할을 할 금속 합금 뼈대를 굳힌 뒤, 이를 다시 수소를 넣어 가열하면 촉매 역할의 합금 나노 입자가 지지체 표면으로 솟아오르게(용출) 되는 원리다.

연구팀은 온도와 가열 환경별 이중층수산화물의 내부 구조(상변화)를 체계적으로 분석해 이 같은 물질을 합성해 낼 수 있었다. 또 첨가제(GDC)를 전극에 넣어 반응에 필요한 산소가 빠르게 공급되도록 했다.

공동연구팀은 "전극 교체를 줄여 장치 운영 비용을 낮춤으로써 고체산화물전지의 대중화에 기여할 수 있을 것"이라며 "수소와 전기 생산, 이산화탄소 업사이클링까지 연결되는 기반 기술"이라고 설명했다.

연구팀은 이어 "이중층수산화물은 그동안 저온 촉매나 배터리 전극 등에 주로 쓰이던 물질인데, 이번 연구에서는 이 물질이 고온에서 어떻게 변하는지를 분석해 고체산화물전지 전극으로 처음 적용했다는 점에서도 의미 있는 연구"라고 덧붙였다.

이번 연구에는 UNIST 에너지화학공학과 졸업생 김현민 연구원(現 스탠퍼드대학교), UNIST 신소재공학과 졸업생 김윤서 연구원(現 한국과학기술연구원) 그리고 서울대학교 재료공학부 서화경 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구그림, 금속 지지체 전극의 구조와 첨가제를 넣었을 때 반응 경로의 변화.

연구 성과는 재료 분야 글로벌 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 4월 16일 출판됐으며, UNIST 이노코어 (InnoCORE) 프로그램과 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr