[더테크=조재호 기자] 국내연구진이 에너지 변환 기술 중 고효율 전력 변환 및 그린수소 생산이 가능한 프로토닉 세라믹 전기화학전지를 개발했다. 탄소 배출을 줄이는 수소 에너지의 활용 및 생산이 필수적인 요소로 부상하고 있는 상황에서 에너지 변환 시스템과 관련된 학문 및 산업에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

카이스트는 14일 기계공학과 이강택 교수, 신소재공학과 정우철 교수, 한국에너지기술원 이찬우 박사, 전남대학교 성선주 교수 공동연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장했다. 그 결과 전극의 촉매 활성을 크게 향상했다고 밝혔다.

비대칭 구조인 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적인 한계로 인해 양성자의 격자 내 이동 제한으로 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 이종 금속원소 후보군을 선정하고 도핑해 격자내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 대칭 구조화해 양성자 수송을 극대화했다.

이를 통해 고성능 전극 설계에 대한 실마리를 마련했다. 아울러 연구팀은 계산화학을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계도 규명했다.

연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용했다. 이는 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능과 함께 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소 생산 능력을 보였다. 또한 500시간의 장시간 구동 후 전력과 그린수소를 교대로 생산하는 가역 구동에서도 안정적인 성능을 보이며 전극 설계 방식의 우수성도 입증했다.

이강택 카이스트 기계공학과 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법은 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력·그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다”며 “이 기술이 글로벌 Net-zero(탄소중립) 달성을 위한 수소 생산 및 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지·재료 분야의 세계적인 권위지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈에 지난 4월12일자 후면표지 논문으로 게재됐다.