세라믹 신소재 전극으로 CO₂ 전환 90% 달성, 탄소중립 청신호

- 고체산화물전해전지로 수소생산과 이산화탄소 제거
- 다양한 에너지 변환 기술로 응용 기대

발표논문 주요 저자 : 좌측부터 한국세라믹기술원 신태호 센터장, 한국세라믹기술원 이석희 박사, 한국과학기술원 이강택 교수

차세대 페로브스카이트 전해질 기반 All-Ceramic 전극이 적용된 고체산화물전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cells)1)의 국내 기술이 개발돼 수소생산 또는 CO₂ 전기분해 등의 다양한 에너지 변환 기술로 응용이 가능해질 것으로 기대된다. 
  한국세라믹기술원(원장 유광수)은 신태호·이석희 박사 연구팀과 한국과학기술원(총장 이광형) 이강택 교수가 새로운 세라믹 전극을 개발하여 고효율 연료전지 발전과 CO₂ 전기분해가 가능한 고내구성 All-Ceramic SOEC 개발하였다.
  고체산화물전해전지(SOEC)는 고온에서 CO₂로부터 CO를 생산하거나 물 전기분해를 통해 수소를 생산하는 시스템으로 탄소중립과 수소경제를 위한 차세대 핵심 기술로 주목받고 있다. 기존 니켈전극 사용 고체산화물전해전지(SOEC)는 전해 활성은 뛰어나지만, 장시간 운전 시 니켈입자의 조대화2) 및 CO₂의 불완전 환원으로 인한 탄소 침착 등 해결해야하는 문제가 있다.
  이를 극복하고자 연구팀은 새로운 산화물전극 소재로 망간(Mn)과 철(Fe)을 첨가하여 세륨산화물(CeO₂) 전극 표면에 산소공공3)을 극대화함으로써 연료전지의 전력생산 뿐만 아니라 전해전지에서 수소를 고효율로 생산하거나 CO₂를 전기분해하여 CO로 환원하고, 반대 전극에서 O₂를 발생하는 All-Ceramic SOEC를 연구하였다. 그 결과, 해외선진 기술과는 차별화된 고성능 이온전도성 페로브스카이트 전해질 지지체 기반의 All-Ceramic SOEC 기술을 완성하였으며, 고효율 전력생산은 물론 수소생산과 CO2 전기분해 저감 활용으로 탄소중립 실현에 한발 다가서게 되었다.
  수소 생산 등의 고체산화물전해전지(SOEC) 관련 세계 시장은 지속적으로 성장을 하고 있으나, 국내 관련 소재·부품 기술은 물론 세라믹 제조공정 기술 확보가 미흡하여 전해질 기반 해외기업의 기술에 의존하고 있는 실정이다.
  한국세라믹기술원 신태호 센터장은 “세륨산화물(CeO₂)의 결정구조 해석과 치환 금속에 따른 산소공공의 존재를 과학적으로 증명하였고, 기존 보다 우수한 내구성과 90% 이상의 CO2 전기 변환 효율이 나왔다”며 “차세대 전해질 기반 All-Ceramic SOEC 기술은 다양한 에너지 변환 분야에 접목되어 탄소중립의 실현하기 위한 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.
  이번 연구는 산업부의 한국산업기술평가관리원이 추진하는 소재부품패키지 사업과 한국에너지기술평가원이 지원하는 에너지효율관리기술개발사업, 한국산업기술진흥원이 추진하는 국제공동 유레카 사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF 25.245)’의 표지논문으로 선정되어 2021년 5월 온라인판에 게재됐다.

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