탄소포집 CO₂서 항공유·플라스틱 원료 "간단히 분리"

화학연, 니켈 기반 SOEC 새로 설계…전기분해 성능 3.6배 향상

(지디넷코리아=박희범 기자)기후변화에 대응, 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 바꾸는 제조기술이 개발됐다. 오는 2030년께면 파일럿 단계 실증도 가능할 전망이다.

한국화학연구원은 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀이 니켈 기반 SOEC(고체산화물 전기분해장치)를 새로 설계,  CO₂를 CO)로 고효율 전환할 수 있는 제조 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

한국화학연구원 연구팀. 왼쪽부터 박지훈, 이진희 책임연구원, 루스탐율다셰프 화학연-UST 학생연구원, 김민철선임연구원, 곽종민, 남원빈 석사후연구원.(사진=화학연구원)

연구팀은 가장 난제였던 고온 운전 중 전해질 층 갈라짐 현상을 해결했다. 전해질 소재가 열팽창률 차이로 인해 고온에서 서로 다르게 수축·팽창하면서 층 사이가 갈라지는 ‘계면 박리’ 현상이 발생한다. 장기 운전하면 성능 저하와 수명 단축을 초래한다. 이를 해결한 것.

사실 증착기술(PVD, PLD 등)로 해결할 수 있으나, 이는 제조 비용이 높고 대면적 상용화가 어려운 단점이 있다.

SOEC는 CO₂에 전기를 가해 CO로 전환할 수 있는 장치다. 전환 과정에서 생산된 합성가스(일산화탄소+수소)는 항공유, 메탄올, 플라스틱, 산업용 화학소재 생산에 활용될 수 있다.

연구팀은 비싼 공정 대신, 용액에 담갔다 빼는 간단한 딥 코팅 방식으로 계면 박리현상을 해결했다. 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층을 만들었다. 서로 다른 두 소재 사이에 ‘완충 쿠션층’을 넣은 것.

CO₂를 CO로 전환하는 데 얼마나 많은 전기가 사용됐는지를 따져보는 ‘패러데이 효율’이 기존 SOEC는 80~90% 수준이었으나, 이 기술은 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후 초기 성능의 91%를 유지했다.

김민철 선임연구원은 "내구성이 뛰어나고, 패러데이 효율도 세계 최고 수준을 나타냈다"며 "니켈 기반 SOEC 중 세계 최고 수준의 처리 능력을 확보했다"고 설명했다.

단위 면적에서 얼마나 빠르게 CO₂를 처리할 수 있는지를 나타내는 ‘전류밀도’도 기존 0.59에서 2.14A/cm²로 약 3.6배 향상됐다.

고체 산화물 전해셀을 이용한 이산화탄소 전기화학적 환원공정 모식도.(그림=한국화학연구원)

연구팀은 동전 크기 ‘소형 셀’을 대상으로 대면적화가 가능한 조건도 확인했다.

김민철 선임은 "현재 핸드폰 크기 ‘평관형 셀’로 확대 적용하는 방안을 연구 중"이라며 "고비용 장비 없이 대면적 제조가 가능한 공정이기에, 향후 전기 기반 산업용 이산화탄소 자원화 설비 확대에 유리할 것"으로 기대했다.

김 선임은"다만 상용화를 위해서는 대형 스택 제작, 재생에너지 연계성 확보 등의 후속 연구가 필요하다"며 "검증을 거쳐 오는 2030년 전후 파일럿 실증 가능성을 기대한다"고 부연 설명했다.

연구결과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(IF 14.1) 3월호 후면 표지논문으로 게재됐다.

화학연-UST 학생연구원 루스탐 율다셰프가 1저자, 화학연 김민철, 박지훈, 이진희 박사가 교신저자로 참여했다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)