이산화탄소 줄이고 전기도 만든다…UNIST, 고성능 전극 개발

[이데일리 신영빈 기자] 이산화탄소를 유용한 물질로 바꾸고, 수소로 전기도 만들 수 있는 고체산화물전지의 성능과 내구성을 높이는 전극 물질이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 조승호 신소재공학과 교수팀이 안지환 포스텍 교수, 한정우 서울대 교수, 부윈페이 중국 난징정보과학기술대(NUIST) 교수팀과 함께 이중층수산화물 기반 고성능 고체산화물전지(SOC) 전극을 개발했다고 3일 밝혔다.

(왼쪽부터) 조승호 UNIST 교수, 안지환 POSTECH 교수, 한정우 서울대 교수, 김현민 UNIST 연구원, 김윤서 UNIST 연구원, 서화경 서울대 연구원 (사진=울산과학기술원)

고체산화물전지는 수소나 메탄 같은 연료를 이용해 전기를 생산하는 장치다. 수소차에 쓰이는 연료전지와 달리 전기를 넣으면 반대 방향으로 반응을 돌릴 수 있어, 남는 전기로 수소를 만들거나 온실가스인 이산화탄소를 분해해 산업용 가스인 일산화탄소를 생산할 수 있다.

연구팀이 개발한 전극은 지지체와 촉매가 모두 금속으로 이뤄진 것이 특징이다. 기존 전극은 세라믹 지지체 위에 금속 촉매가 얹힌 구조여서 600도 이상의 고온에서 장시간 작동하면 금속 촉매가 뭉치거나 떨어지는 문제가 있었다. 세라믹과 금속 간 구조 차이 때문에 내구성이 떨어졌던 것이다.

새 전극을 적용한 결과 성능도 개선됐다. 연구팀은 800도에서 수소를 연료로 사용했을 때 기존 전극보다 약 1.5배 높은 최대 출력 1.57W/㎠를 기록했다고 설명했다. 전기를 주입해 이산화탄소를 분해하고 일산화탄소를 생산하는 실험에서도 200시간 동안 안정적으로 작동했다.

핵심은 원료로 사용한 이중층수산화물이다. 이 물질은 서로 다른 금속 이온이 한 층 안에 고르게 섞이고, 이 층이 겹겹이 쌓인 구조를 갖는다. 연구팀은 코발트와 철 이온이 섞인 이중층수산화물을 공기 중에서 가열해 금속 합금 뼈대를 만든 뒤, 다시 수소 분위기에서 가열해 촉매 역할을 하는 합금 나노 입자가 표면으로 솟아오르게 했다.

금속 지지체 전극 구조와 GDC 첨가에 따른 반응 경로 변화. (왼쪽)GDC가 없는 전극 구조. 금속 지지체 표면에서 반응이 일어나지만, 반응에 필요한 산소 이동 거리가 길어 효율이 제한된다. (오른쪽)GDC를 함께 넣은 전극 구조. 산소가 가까운 거리에서 공급되면서 반응 경로가 짧아지고, 전극 성능이 향상된다. (사진=울산과학기술원)

연구팀은 온도와 가열 환경에 따른 이중층수산화물의 내부 구조 변화를 체계적으로 분석해 전극 합성에 성공했다. 또 첨가제인 GDC를 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.

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, UNIST 신소재공학과 졸업생 김윤서 연구원, 서울대 재료공학부 서화경 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 지난달 16일 게재됐다.