[투데이에너지 최인영 기자] 그린수소 생산의 효율을 높이는 신소재를 국내 연구진이 개발했다. 기존 소재 대비 140배 향상된 성능을 구현하고 있다.
KAIST는 이강택 기계공학과 교수 연구팀이 미국 메릴랜드 대학 에릭 왁스만(Eric Wachsman) 교수 연구팀과 공동연구 끝에 기존 소재보다 전도성을 140배 높인 산소 이온 전도성 고체전해질 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.
개발된 신소재는 비스무트 산화물 기반으로 400℃에서 기존 지르코니아 소재의 700℃ 수준의 전도성을 보이고 600℃의 중저온 영역대에서 140배 이상 높은 이온 전도도를 나타냈다고 설명했다.
비스무트 산화물 산소 이온 전도체 소재는 중저온 영역대에서 상전이로 인해 이온 전도도가 급격히 감소하는 문제를 지니고 있다.
이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 도핑을 통해 중저온 영역대에서도 1,000시간 이상 높은 이온 전도도를 유지해 상용화 가능성을 제시했다.
공동연구팀은 원자 단위 시뮬레이션 계산화학을 통해 도핑된 원소가 산소 이온 전도체 신소재의 성능·안정성을 향상하는 메커니즘을 규명했다. 개발된 신소재는 SOFC(고체산화물연료전지)에 적용해 학계에 보고된 소자 중 가장 높은 수준의 전력 생산(2.0 W/cm2, 600oC) 능력을 보였다고 밝혔다.
뿐만 아니라 SOEC(고체산화물전해전지)에서 기존 대비 2배 높은 단위면적당 15.8 mL/min의 그린수소 생산 능력을 보였다고 덧붙였다.
이강택 교수는 “이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 중저온 영역대에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 높은 작동온도를 획기적으로 낮추는 데 활용될 것으로 기대된다”며 “탄소중립 실현을 위한 에너지·환경 소자 상용화에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 기계공학과 유형민 박사과정, 정인철 박사, 장승수 박사과정이 공동 제1저자로 참여하고 한국에너지기술연구원 이찬우 박사 연구팀이 함께 연구했다. 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업과 나노·소재 기술개발기업 지원으로 이뤄졌다.
연구 성과는 국제 학술지 ‘어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 지난달 17일자 온라인판에 게재됐다.
그린수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지 전기를 이용해 물을 분해해 얻기 때문에 이산화탄소 배출 없는 청정 에너지원으로 불리고 있다.
그린수소를 적용하는 연료전지, 수전해 전지, 촉매분야에는 산소 이온성 고체전해질을 널리 사용하고 있지만 주로 700℃ 이상 고온에서 쓰이고 있다. 때문에 소자 내 다른 요소와 화학반응, 소재 응집, 열충격 등이 발생해 문제를 일으키고 있다.