UNIST, 수소이온 정량지표 최초 계산
UNIST, 수소이온 정량지표 최초 계산
  • 유정근 기자
  • 승인 2021.04.08
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연료전지 양극소재 개발 기대
수소를 중수소로 교환해 추적하는 기법
수소를 중수소로 교환해 추적하는 기법

[투데이에너지 유정근 기자] UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학부의 김건태 교수팀이 수소이온(양성자)이 얼마나 빠르게 페로브스카이트 물질을 통과하는지를 알려주는 정량지표(확산계수 등)를 최초로 계산해 냈다.

이중층 페로브스카이트는 차세대 연료전지인 양성자 세라픽 연료전지(PCFC)의 양극(cathode)소재로 주목받는 물질로 이번 연구는 새로운 연료전지 양극소재 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다.

양극 내에서 수소이온의 확산 특성은 연료전지 성능에 영향을 준다. 하지만 수소 이온이 작고 가벼울 뿐만 아니라 다른 전도 입자와 상호 작용도 잘하기 때문에 수소이온 외에도 산소이온과 전자가 통하는 이중층 페로브스카이트 내에서의 독립적 움직임을 알기는 어렵다.

연구진은 수소를 더 무거운 동위 원소인 중수소로 바꾼 뒤 이를 추적하는 기법을 사용해 고온을 이용한 중수(중수소가 많이 포함된 물, D2O)를 이중층 페로브스카이트에 주입한 뒤 이중층 페로브스카이트 절단면을 훑어가면서 중수소 이온의 농도 변화를 측정했다. 단면 위치별로 농도차를 이용하면 수소이온이 얼마나 빠르게 이동하는지를 간접적으로 알 수 있다.

중수소 이온 농도 측정에는 2차 이온 질량분석법을 이용했다. 이온광선(1차 이온)을 이중충 페로브스카이트에 충돌시킨 뒤 튕겨 나오는 이온(2차 이온)을 분석해 구성 원소 종류와 농도를 파악하는 기법이다.

공동 제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 연구원은 “동위 원소를 이용하면 마치 GPS를 붙인 것처럼 물질 표면으로부터 내부까지의 수소이온의 움직임을 추적 할 수 있다”라며 “이번 연구에서 고안된 시스템으로 수소이온의 확산 계수(D*H)와 표면 교환 계수(k*H)를 계산할 수 있었다”라고 밝혔다. 

김 교수는 “이번에 개발된 측정법은 이중층 페로브스카이트를 포함하는 삼중 전도 산화물에 적용이 가능하다”라며 “삼중 전도성 산화물을 이용한 촉매 및 에너지 저장 장치 개발의 토대를 마련한 연구”라고 밝혔다.

한편 양성자세라믹연료전지는 비교적 저온에서 작동이 가능하며 수소뿐만 아니라 메탄과 같은 원료로도 발전이 가능하다는 장점을 가지고 있다.


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