국내 연구진, 현존 최고 성능 '세라믹 전기화학전지' 개발..."글로벌 탄소중립 기여할 것"
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국내 연구진, 현존 최고 성능 '세라믹 전기화학전지' 개발..."글로벌 탄소중립 기여할 것"
  • 정 현 기자
  • 승인 2024.05.16 00:00
  • 댓글 0
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- KAIST, KIER, 전남대 연구진, 공동연구 수행
- 산화물 격자 내 양성자 확산경로를 확장, 신소재 전극 개발 성공
- 촉매 활성을 크게 향상시킨 프로토닉 세라믹 전기화학전지 개발
- 논문, SCI급 저명 국제학술지 'Advanced Energy Materials' 게재

[위즈뉴스] 온실가스 배출량을 '0'으로 만드는 글로벌 약속 '탄소중립(Net-zero)' 달성을 위해 탄소 배출을 줄이는 수소 에너지의 활용 및 생산은 선택이 아닌 필수적인 요소로 부상하고 있다.

이를 위한 에너지 변환 기술 중 고효율 전력 변환 및 그린수소 생산이 가능한 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)가 미래 수소 에너지 사회를 촉진할 차세대 기술로 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 현존 최고 성능의 세라믹 전기화학전지를 개발했다.

KAIST(총장 이광형)는 14일, 기계공학과 이강택 교수와 신소재공학과 정우철 교수, 한국에너지기술연구원(KIER) 이찬우 박사, 전남대 송선주 교수로 구성된 공동연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장하는 데 성공해 전극의 촉매활성을 크게 향상시켰다고 밝혔다.

왼쪽부터 KAIST 이강택 교수, KAIST 정우철 교수, KIER 이찬우 박사, 전남대 송선주 교수 / 사진=KAIST

이번 연구 결과를 담은 논문은 에너지 및 재료 분야의 SCI급 저명 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF=27.8)’ 4월 12일 자에 게재됐으며, 후면표지(Back cover) 논문으로도 선정됐다.

논문명은 'On the Role of Bimetal-Doped BaCoO3- Perovskites as Highly Active Oxygen Electrodes of Protonic Ceramic Electrochemical Cells'이며, KAIST 이강택 교수와 정우철 교수, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사와 전남대 송선주 교수가 공동 교신저자로, KAIST 김동연 박사과정생과 정인철 박사, 안세종 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

"이번에 개발한 기술이 글로벌 탄소중립 달성 위한 촉매제가 될 것"

공동연구팀의 이강택 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력 및 그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다"면서 "이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 수 있을 것”이라고 말했다.

국제학술지 'Advanced Energy Materials' 최신호에 게재된 해당 논문
doi.org/10.1002/aenm.202470063

비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적인 한계로 인해 양성자의 격자 내 이동이 제한으로 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 낮아진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해, 이종 금속원소 후보군을 선정 및 도핑해 격자 내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화하여 양성자 수송 특성을 극대화 하였고, 이를 통해 고성능 전극 설계에 대한 단초를 마련했다.

또한 연구팀은 계산화학을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계를 규명했다. 계산화학이란 컴퓨터를 이용해 화학 시스템의 구조와 반응성을 이론적으로 모델링하고 예측하는 학문을 말한다.

연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능(650도에서 3.15 W/cm2)을 보이며 생산 과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소 또한 높은 생산 성능(650도에서 시간당 약 770 ml/cm2)을 보였다. 500시간의 장시간 구동 후에 가역 구동(전력 및 그린수소를 교대로 생산)에서도 안정적인 성능을 보여, 제시한 전극 설계 방법의 우수성이 입증됐다.

국제학술지 'Advanced Energy Materials' 최신호 후면 표지에 실린 해당 논문 / 사진=KAIST

이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업, 이공분야기초연구사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.


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