▲ 금속 지지체 전극 구조와 GDC 첨가에 따른 반응 경로 변화

국내 연구진이 이산화탄소를 유용한 자원으로 전환하면서 전기 생산 효율까지 동시에 끌어올린 차세대 전극 기술을 개발했다. 온실가스 저감과 에너지 생산을 동시에 구현할 수 있는 성과로, 고체산화물전지 상용화와 수소경제 확산을 앞당길 핵심 기술로 주목된다.

UNIST는 신소재공학과 조승호 교수 연구팀이 POSTECH 안지환 교수, 서울대학교 한정우 교수, 중국 난징정보과학기술대학교 부윈페이 교수팀과 공동으로 이중층수산화물 기반의 고성능 고체산화물전지(SOC) 전극을 개발했다고 3일 밝혔다.

고체산화물전지는 수소나 메탄을 연료로 전기를 생산하는 장치로, 역반응을 통해 전기를 이용해 수소를 생산하거나 이산화탄소를 분해해 일산화탄소로 전환할 수 있는 차세대 에너지 변환 기술이다. 특히 잉여 전력을 활용한 에너지 저장과 온실가스 저감이 동시에 가능하다는 점에서 주목받고 있다.

이번에 개발된 전극은 지지체와 촉매를 모두 금속으로 구성한 것이 핵심이다. 기존 전극이 세라믹 지지체 위에 금속 촉매를 얹는 구조였던 것과 달리, 금속 기반 구조를 구현해 고온 환경에서도 성능 저하를 최소화했다. 기존 방식은 600℃ 이상의 장기 운전 시 금속 촉매가 뭉치거나 탈락하는 문제가 있었다.

연구팀은 이중층수산화물 소재를 활용해 이러한 한계를 극복했다. 코발트와 철 이온이 균일하게 분포된 해당 물질을 공기 중에서 1차 열처리해 금속 합금 지지체를 형성한 뒤, 수소 분위기에서 재가열하면 촉매 역할을 하는 합금 나노 입자가 표면으로 용출되는 구조를 구현했다.

성능 평가 결과도 주목된다. 800℃ 조건에서 수소를 연료로 사용했을 때 기존 대비 약 1.5배 향상된 최대 출력(1.57 W/cm²)을 기록했으며, 전기를 주입해 이산화탄소를 분해하는 실험에서도 200시간 동안 안정적으로 작동하며 우수한 내구성을 입증했다.

또한 연구팀은 첨가제(GDC)를 적용해 산소 이온 이동을 촉진함으로써 반응 효율을 추가로 개선했다. 이와 함께 온도 및 가열 환경에 따른 이중층수산화물의 상변화를 체계적으로 분석해 전극 구조 최적화를 이끌어냈다.

공동연구팀은 “전극 수명 연장을 통해 장치 유지 비용을 절감할 수 있어 고체산화물전지 상용화에 기여할 것”이라며 “수소 생산과 전력 생성, 이산화탄소 업사이클링을 동시에 구현할 수 있는 핵심 기반 기술”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구에는 UNIST 및 서울대 연구진이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지인 Advanced Functional Materials에 4월 16일 게재됐다. 연구는 UNIST 이노코어(InnoCORE) 프로그램과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.