이산화탄소 제거·전기 생산…UNIST 전기화학 전극 개발

POSTECH·서울대·중국 난징과학기술대 공동 연구

[울산=뉴시스] 사진 왼쪽부터 조승호 UNIST 교수, 안지환 POSTECH 교수, 한정우 서울대 교수, 김현민 UNIST 연구원, 김윤서 UNIST 연구원, 서화경 서울대 연구원 (사진=UNIST 제공) photo@newsis.com *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 지구온난화의 주요 원인으로 꼽히는 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하고, 수소를 활용해 전기 생산까지 가능한 장치의 성능과 수명을 크게 향상시킨 전극 물질이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수팀은 포항공대(POSTECH) 안지환 교수, 서울대 한정우 교수, 중국 난징정보과학기술대학교 부윈페이 교수팀과 공동으로 이중층수산화물을 활용해 고온에서도 성능 저하가 없는 고체산화물전지(SOC) 전극을 개발했다고 4일 밝혔다.

고체산화물전지는 수소나 메탄 등의 연료로 전기를 생산하는 장치다. 수소차 연료전지와 달리 전기를 공급하면 반대로 반응이 진행돼, 남는 전력으로 수소를 재생산하거나 온실가스인 이산화탄소를 분해해 산업용 가스인 일산화탄소를 생성할 수 있는 특징이 있다.

이번에 개발된 전극은 지지체와 촉매가 모두 금속으로 구성돼 높은 내구성을 갖는다.

새 전극을 적용한 결과 800도에서 수소를 연료로 사용할 경우 기존 대비 약 1.5배 향상된 최대 출력(1.57 W/cm²)을 기록했다. 또한 전기를 주입해 이산화탄소를 분해하는 실험에서도 200시간 동안 안정적으로 작동하며 내구성을 입증했다.

이처럼 지지체와 촉매가 모두 금속인 전극을 구현할 수 있었던 것은 원료인 이중층수산화물 덕분이다. 이 물질은 서로 다른 금속 이온이 한 층에 균일하게 섞여 있고, 이러한 층이 여러 겹으로 쌓인 구조를 갖는다. 코발트와 철 이온이 포함된 이중층수산화물을 먼저 공기 중에서 가열해 지지체 역할을 하는 금속 합금 골격을 형성한 뒤 다시 수소 분위기에서 가열하면 촉매 역할을 하는 합금 나노 입자가 표면으로 솟아오르는(용출) 방식이다.

연구팀은 온도와 가열 환경에 따른 이중층수산화물의 내부 구조 변화(상변화)를 체계적으로 분석해 이러한 물질 합성에 성공했다. 여기에 첨가제(GDC)를 도입해 반응에 필요한 산소 공급이 원활하게 이뤄지도록 했다.

공동연구팀은 "전극 교체 주기를 줄여 장치 운영 비용 절감에 기여하고, 고체산화물전지의 대중화에도 도움이 될 것"이라며 "수소 생산과 전기 생성, 이산화탄소 업사이클링까지 이어지는 기반 기술"이라고 설명했다.

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