세라믹기술원, 신개념 세라믹 나노전극 고체산화물전해전지 개발

- 초음파 스프레이로 고내구성 나노전극 제작 및 최고 성능 SOEC 구현

산소공공 효과가 증폭된 세라믹 전극 표면에서의 CO₂의 전기분해 저감 개념도. (자료제공: 한국세라믹기술원)

연구실에서 참여 연구진의 단체사진. 왼쪽부터 이석희 센터장, 이상원 박사과정, 신태호 단장, 남태헌 석사과정. (자료제공: 한국세라믹기술원)

국내연구진이 초음파 스프레이를 이용한 신개념 공정으로 제작한 세라믹 나노전극 고체산화물전해전지(SOECs)가 세계 최고의 이산화탄소 전기분해 성능을 기록해 차세대 에너지 저장은 물론 연료전지 등 다양한 분야에서 응용이 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한국세라믹기술원 신태호 단장 연구팀이 내구성이 뛰어난 신개념 세라믹 전극을 나노구조로 구현해 세계 최고의 이산화탄소 전기분해(이산화탄소 전기분해 : 이산화탄소를 전기로 분해하여 일산화탄소를 생산하는 기술로 전기에너지를 화학에너지로 변환하여 저장하는 기술)성능을 기록했다고 2월 10일 밝혔다.

고체산화물전해전지는 고온에서 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 전환하거나, 물 전기분해를 통해 수소를 생산하는 시스템으로, 탄소 중립 실현과 수소경제 구축을 위한 핵심기술로 평가받는다. 고체산화물전지에 사용되는 기존 니켈 금속전극은 촉매활성이 우수하지만, 장기간 운전 시 입자의 조대화(고체 상태에서 입자의 크기가 점차적으로 증가하는 현상)

와 CO₂ 노출에 따른 탄소 침착 등의 문제로 전극 활성이 저하되는 등 내구성에 한계가 있다. 

대안으로 제시된 세라믹 전극은 내구성이 높지만, 니켈 금속전극보다 촉매활성이 낮다. 따라서 세라믹 전극의 촉매활성을 높일 나노구조 표면설계 및 고효율·저비용의 제조공정 개발이 필요하다.

연구팀은 초음파로 고체분말입자와 나노구조체를 세라믹 전극 표면에 균일하게 직분사하는 방법으로 기존의 전극 코팅법보다 간단하고 내구성이 우수한 세륨산화물(CeO₂) 기반의 세라믹 전극을 나노구조로 구현하였다. 새로운 세라믹 나노전극을 채택한 고체산화물전해전지는 실험결과 850도에서 전기분해 전류밀도 3.89 A/㎠로 세계 최고 효율의 CO₂ 저감 성능을 입증했다.

 또한 연구팀은 고활성 나노구조형성을 위해 새로운 산화물전극 소재로 망간(Mn)과 철(Fe)을 첨가한 세륨산화물(CeO₂)을 사용해 전극 표면에 산소공공(산소 결정 구조에서 원자나 이온이 빠져 산소가 비어버린 자리)을 극대화함으로써 연료전지의 전력생산뿐 아니라 수소를 고효율로 생산하고, CO₂를 전기분해하여 CO로 환원하며, O₂를 발생시키는 올세라믹 SOEC(All-Ceramic SOEC)도 연구하였다.

신태호 단장은 “초음파 스프레이 기반의 고체 분무 단일공정 개발은 차세대 에너지 소재 전극 코팅에 중요한 지침을 제공할 것”이라며 “이번 연구 결과는 향후 발전용 고체산화물 전해전지 소재 및 부품의 국산화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발 사업으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 2월 7일 온라인 게재됐고, 표지 논문으로 선정됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]

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