“CO₂를 고부가가치 화학연료로”…내구성 높인 ‘고체산화물 전기분해장치’

화학연, 니켈 기반 전해질 계면구조 설계 제시
내구성 및 효율 3.6배 향상...CO₂를 일산화탄소 전환

화학연이 개발한 전해질 계면 구조 개념도. 화학연 제공.

이산화탄소를 항공유와 플라스틱 등의 고부가가치 화학연료로 전환하는 ‘고체산화물 전기분해장치’(SOEC)의 내구성을 높이는 기술이 개발됐다.

한국화학연구원은 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀이 고온 운전 중 전해질 층이 갈라지는 문제를 해결해 이산화탄소를 일산화탄소로 높은 효율로 전환할 수 있는 새로운 니켈 기반 SOEC 전해질 계면 구조를 설계했다고 24일 밝혔다.

고체산화물 전기분해장치(SOEC)는 이산화탄소에 전기를 가해 일산화탄소로 전환하는 장치다. 이 과정에서 생산된 일산화탄소는 수소와 결합해 합성가스의 핵심 원료로 전환돼 항공유·메탄올·플라스틱 등 다양한 산업용 화학소재 생산에 활용된다.

최근 고성능 SOEC에는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리늄 도핑 세리아(GDC) 등 두 가지 소재를 함께 쓴다.

하지만 두 소재는 고온에서 서로 다르게 수축·팽창하면서 층 사이가 갈라지는 ‘계면 박리 현상’이 발생해 성능과 수명을 단축시킨다.

고체 산화물 기반 이산화탄소 환원장치 공정 모식도. 화학연 제공.

연구팀은 용액에 담갔다가 빼는 간단한 딥 코팅 방식으로 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층 형성해 계면 박리 현상을 줄였다.

서로 다른 두 소재 사이에 ‘완충 쿠션충’을 넣은 것으로, 복합 중간층이 열변형 차이를 흡수해 고온에서 구조를 안정적으로 유지함으로써 이온 이동성과 계면 접착력을 동시에 높인다.

연구팀은 전해질 계면 구조를 적용한 SOEC는 1.6볼트 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후 초기 성능의 91%를 유지했다.

또 단위 면적당 이산화탄소 처리 속도를 의미하는 ‘전류밀도’는 기존 대비 약 3.6배 높아 니켈 기반 SOEC 중 세계 최고 수준의 처리 능력을 보였다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 동전 크기의 소형 셀을 통해 대면적화 가능성을 확인했으며, 휴대전화 크기의 ‘평관형 셀’로 확대하기 위한 연구를 진행하고 있다.

김민철 박사는 “고가 장비 없이 SOEC의 대면적 제조가 가능해 앞으로 발전소와 제철소, 석유화학 공장 등에서 배출되는 이산화탄소 재활용 설비나 플라스틱, 메탄올, 합성섬유 등 석유화학 원료 생산 등에 활용될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 지난 3월호 뒷면 표지논문으로 실렸다.

연구성과가 실린 국제학술지 뒷면 표지 모습. 화학연 제공.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr