그린수소 생산성을 기존보다 140배 높인 고체전해질 신소재가 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 이강택 교수연구팀은 미국 메릴랜드대학 에릭 왁스만(Eric Wachsman) 교수연구팀과 공동으로 기존 소재보다 전도성이 140배 높은 산소 이온전도성 고체전해질을 개발하는데 성공했다고 22일 밝혔다.
재생에너지로 생산된 전기를 이용해 만드는 '그린수소'는 탄소배출이 전혀 없어 대표적인 청정에너지로 꼽힌다. 이 그린수소를 생산하기 위해서는 연료전지, 수전해 전지, 촉매 분야에는 주로 산소 이온성 고체전해질이 널리 사용되는데 이 산소 이온 전해질이 보통 700℃ 이상에서 활용되기 때문에 원치않는 화학반응, 소재 응집, 열충격 등의 문제가 발생한다.
연구팀이 개발한 신소재는 비스무트 산화물 기반으로 400℃에서 기존 지르코니아 소재의 700℃에 해당하는 높은 전도성을 보였으며, 중저온(600℃) 영역대에서 140배 이상 높은 이온전도도 나타났다. 비스무트 산화물 산소 이온 전도체 소재는 중저온 영역대에서 상전이로 인해 이온전도도가 급격하게 감소한다는 문제가 있었지만, 이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 도핑을 통해 중저온 영역대에서도 1000시간 이상 높은 이온전도도를 유지해 상용화 가능성을 크게 높였다.
또한 연구팀은 도핑된 원소가 산소 이온 전도체 신소재의 성능 및 안정성을 향상하는 메커니즘을 규명했다. 개발된 신소재는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용돼 소자 중 가장 높은 수준의 전력 생산(2.0 W/cm2, 600℃) 능력을 보였다. 뿐만 아니라 고체산화물 전해전지(SOEC)에도 적용돼 기존보다 2배 높은 단위면적에서 분당 15.8㎖의 탁월한 그린수소 생산능력을 보이며, 해당 신소재의 실제 소자에의 적용 가능성을 증명했다.
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 연구의 의미를 강조했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '어드벤스드 머티리얼스'(Advanced Materials) 10월 17일자 온라인에 게재됐다.
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