화학뉴스

국내 연구진이 현존 최고성능의 세라믹 전기화학전지를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 이강택 교수, 신소재공학과 정우철 교수, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 전남대학교 송선주 교수 공동 연구팀은 PCEC(프로토닉 세라믹 전기화학전지)의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장하는데 성공해 전극의 촉매활성을 크게 향상시켰다.
온실가스 배출량을 제로(0)로 만드는 글로벌 약속 탄소중립 달성을 위해 탄소 배출을 줄이는 수소에너지의 활용 및 생산은 선택이 아닌 필수적인 요소로 부상하고 있으며, 이를 위한 에너지 변환기술 중 고효율 전력 변환 및 그린수소 생산이 가능한 PCEC가 미래 수소 에너지 사회를 촉진할 차세대 기술로 주목받고 있다.
비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트(Perovskite) 산화물계 전극은 구조적인 한계로 양성자의 격자 내 이동이 제한되고 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 낮아지는 문제가 있다.
연구팀은 과제 해결을 위해 이종 금속원소 후보군을 선정 및 도핑해 격자 내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화해 양성자 수송 특성을 극대화함으로써 고성능 전극 설계에 대한 단초를 마련했다.
또한, 컴퓨터를 이용해 화학 시스템의 구조와 반응성을 이론적으로 모델링하고 예측하는 학문인 계산화학을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계를 규명했다.
연구팀이 개발한 전극 소재는 PCEC에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능(650도에서 3.15W)을 보이며 생산 과정 중 이산화탄소(CO2)가 배출되지 않는 그린수소 또한 높은 생산 성능(650도에서 시간당 약 770ml)을 달성했다.
500시간의 장시간 구동 후에 가역구동(전력 및 그린수소를 교대로 생산)에서도 안정적인 성능을 보여 제시한 전극 설계 방법의 우수성이 입증됐다.
이강택 교수는 “연구에서 제안한 전극 설계 기법이 PCEC의 고성능 전력 및 그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대한다”며 “글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 수 있을 것”이라고 강조했다.
KAIST 기계공학과 김동연 박사과정, 정인철 박사, 신소재공학과 안세종 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 연구 결과는 에너지·소재 분야의 세계적 권위지인 어드밴스드에너지머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 4월12일자 후면표지 논문으로 게재됐다. (강)