[이산화탄소 제거 고체산화물 전해전지용 촉매 개발]

지구온난화의 주범으로 불리는 온실가스를 줄이는 일은 지구촌의 큰 관심사다. 이산화탄소를 줄이는데 그치지 않고 새로운 자원으로 활용하는 방안에도 많은 연구가 지속되고 있다. 그런 가운데 더 높은 효율로 더 많은 이산화탄소를 분해해 산업적 활용가치가 높은 다른 물질로 전환할 수 있는 촉매 개발에 국내 연구팀이 성공했다.

화학공학과 김원배 교수, 석박사통합과정 박성민 씨 연구팀은 이산화탄소의 효율적 환원이 가능한 새로운 형태의 고체산화물 전해전지(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)용 전극 촉매 개발에 성공했다. 이 연구는 환경 촉매 분야의 권위있는 국제 학술지인 어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)지에 게재됐다.

전극과 전해질이 모두 고체로 이루어진 고체산화물 전해전지는 더 적은 전기량으로 이산화탄소를 전기화학적으로 분해해 산업현장에서 활용가치가 더 높은 일산화탄소나 합성가스로 전환할 수 있어 친환경 기술로 주목받는다. 하지만 지금까지 고체산화물 전해전지의 경우 연료극으로 니켈 기반의 소재나 일반적인 페로브스카이트 기반 소재를 사용했는데 단점과 한계가 있었다.

니켈 소재는 우수한 전기분해 성능을 보여주지만 전지 표면에 탄소가 쉽게 침적돼 안정성이 떨어지고, 페로브스카이트 소재는 탄소가 침적되는 현상은 덜하지만 니켈과 같은 금속 기반 소재에 비해 전기분해 성능이 낮다는 단점이 있었다.

연구팀은 이 문제를 층상구조 페로브스카이트 소재 표면에 금속 나노 입자가 자발적으로 형성되는 용출(exsolution) 현상을 이용해 해결했다. 고체산화물 전해전지가 작동되면 층상구조 페로브스카이트 표면에 코발트 나노입자 촉매가 형성돼 이산화탄소의 전기분해 반응을 촉진한다. 또 형성된 나노입자는 탄소가 표면에 침적되는 것도 억제해 전지의 안정성을 높여준다.

이렇게 개발된 소재를 전극으로 적용해 테스트를 수행한 결과 1cm2라는 작은 면적의 전극에도 하루에 약 4.7리터의 이산화탄소를 분해해 일산화탄소를 생산할 수 있음을 확인했다. 또 장기구동에도 탄소 침적과 열화 없이 안정된 이산화탄소 전기분해 성능을 구현했다. 이 기술이 상용화가 된다면 발전소나 제철소 등 산업현장에서 배출되는 이산화탄소를 직접 처리하는데 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

김원배 교수는 “이번 연구성과는 자발적으로 솟아난 코발트 나노입자 촉매를 통해 기존 전극의 성능과 안정성을 크게 향상시켜 고성능, 고안정성의 고체산화물 전해전지 전극 소재 개발에 크게 기여할 것”으로 기대감을 밝혔다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부, 한국연구재단 기초연구사업의 지원(중견연구자 지원사업)과 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 지원(에너지기술개발사업)을 받아 수행되었다.