온실가스를 자원으로... 전기까지 생산하는 '차세대 전극' 국내 연구진이 개발

[투어코리아=김교환 기자] 지구온난화의 원인으로 꼽히는 이산화탄소를 산업에 쓸 수 있는 유용한 물질로 전환하면서, 동시에 수소로 전기까지 만들어 낼 수 있는 고성능 전극이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 전극의 고질적 문제였던 고온 내구성 약화를 원천적으로 극복한 것으로, 청정 에너지 전환 기술의 상용화를 앞당길 핵심 성과로 주목받고 있다.

■ 4개 대학 공동 연구팀, 세계 최초 전극 설계 성공

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 조승호 교수팀은 POSTECH 안지환 교수, 서울대 한정우 교수, 중국 난징정보과학기술대학교(NUIST) 부윈페이 교수팀과 손잡고 이중층수산화물(LDH)을 기반으로 한 고체산화물전지(SOC) 전극을 개발하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난달 16일 게재됐다.

고체산화물전지는 수소나 메탄 연료를 이용해 전기를 생산할 수 있는 고효율 에너지 장치다. 수소차에 쓰이는 연료전지와 달리 전기 에너지를 역방향으로 투입하면 수소를 생성하거나 이산화탄소를 분해해 일산화탄소 등 산업용 가스로 바꾸는 것도 가능해 에너지 전환 분야에서 주목받아 왔다.

■ 출력 1.5배 향상, 200시간 연속 구동 입증

이번에 개발된 전극의 가장 큰 특징은 지지체와 촉매가 모두 금속으로 이루어졌다는 점이다. 기존 전극은 세라믹 지지체 위에 금속 촉매를 올린 구조여서 두 소재 간의 격자 불일치로 인해 600℃ 이상의 고온 환경에서 장시간 가동하면 금속 촉매가 뭉치거나 떨어져 나가는 문제가 빈번하게 발생했다. 이와 달리 '금속-금속 계면' 구조를 채택한 새 전극은 이러한 문제를 구조적으로 해소했다.

성능 검증 결과도 주목할 만하다. 800℃에서 수소 연료를 사용했을 때 새 전극은 기존 대비 약 1.5배 향상된 최대 출력(1.57W/cm²)을 기록했다. 또한 전기를 투입해 이산화탄소를 분해하고 일산화탄소를 생산하는 실험에서도 200시간 동안 성능 저하 없이 안정적으로 작동하며 우수한 내구성을 입증했다.

[연구그림] 금속 지지체 전극의 구조와 첨가제를 넣었을 때 반응 경로의 변화./사진-유니스트

■ '이중층수산화물' 고온 적용은 세계 최초

이번 성과의 핵심은 원료로 사용된 이중층수산화물이다. 이 물질은 다양한 금속 이온이 한 층 안에 고르게 섞여 겹겹이 쌓인 2차원 층상 구조체로, 그동안 주로 저온(100℃ 이하) 촉매나 배터리 전극 소재로 활용돼 왔다. 이번 연구에서는 이 물질을 처음으로 고온 전기화학 시스템에 적용했다.

연구팀은 코발트와 철 이온이 섞인 이중층수산화물을 공기 중에서 가열해 금속 합금 뼈대를 형성한 뒤, 수소 환경에서 다시 가열하면 합금 나노 입자가 지지체 표면으로 자연스럽게 솟아오르는(용출) 원리를 규명했다. 여기에 산소 이온 전도성이 뛰어난 GDC(가돌리늄 도핑 세리아) 첨가제를 결합해 반응에 필요한 산소 공급 경로를 단축시킴으로써 성능과 내구성을 동시에 높였다.

■ 탄소중립·수소 경제 실현 기반 기술로 기대

공동 연구팀은 "전극 수명 연장으로 장치 유지·보수 비용을 절감할 수 있어 고체산화물전지의 상용화에 기여할 것"이라며 "수소 생산, 전기 생산, 이산화탄소 업사이클링을 아우르는 핵심 기반 기술"이라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구에는 UNIST 에너지화학공학과 출신 김현민 연구원(현 스탠포드대), UNIST 신소재공학과 출신 김윤서 연구원(현 한국과학기술연구원), 서울대 재료공학부 서화경 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구는 UNIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램 및 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다.