인천대 명재하 교수 연구팀,  차세대 고체산화물 연료전지 개발

차세대 연료전지, 이차전지, 수전해전지에 적용 가능한 신소재

연구원들 명재하 교수, 김요한 박사과정생, 정현권 박사과정생, 원보람 박사과정생

산화물 표면에 나노입자가 고르게 형성되는 용출현상을 이용하여 나노촉매를 개발하고 있다. 기존에는 비싼 공정 장비를 사용하거나 여러 단계의 제작공정을 거쳐 나노화/전극화할 수밖에 없었다.

국내 연구진이 용출 제어기술을 적용한다면, 기존의 연료전지 분야뿐만 아니라, 배터리, 센서, 개질 촉매 등 다양한 분야에 대량생산을 할 수 있는 혁신기술이라 판단하여 집중 연구를 시작하여 현존 연료전지 중 가장 효율이 높은 고체산화물 연료전지의 성능을 2배 이상 높인 차세대 연료전지를 개발했다.

인천대학교 명재하 교수 연구팀이 금속 나노촉매* 기술을 활용하여 차세대 고체산화물 연료전지**를 개발했다고 밝혔다.

* 나노촉매 : 화학반응을 돕는 나노미터 크기의 촉매. 촉매는 작을수록 효율이 크지만 나노입자는 새로운 성질을 나타내는 특성이 있어서 만드는 방법 및 크기 조절, 응용 등의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

** 연료전지 : 수소와 산소가 산화·환원반응하는 과정에서 전력과 열을 생산하는 발전기이자 배터리. 고체산화물연료전지(SOFC)는 현존 연료전지 중에서 효율이 가장 높다.

연료전지는 탄소중립 시대에 주목받는 에너지원으로 특히 연료전지의 효율을 극대화하기 위해 촉매 반응성을 높이는 나노입자에 대한 연구가 활발하다.

특히 용출* 나노입자의 크기와 수, 형상을 제어하는 게 핵심으로 나노입자 성장을 정량적으로 예측하고 제어하는 기술이 필요하다. 기존 연구들은 용출 나노입자의 이런 성장 메커니즘을 밝히기 위해 성장을 제한하는 요인에 대해 분석하였지만, 직접적인 증거를 제시하지 못했다.

* 용출(Exsolution) : 고온의 환원분위기에서 산화물의 상분리를 제어하여 금속 나노입자를 산화물 표면 위에 고르게 성장시키는 기술

명재하 교수팀은 나노 크기의 금속 입자를 산화물 표면 위에 고르게 용출시키는 지능형 촉매를 개발했다. 특히 이 촉매는 자가성장 기술을 활용함으로써 소량의 금속 사용으로도 균일하게 성장하여 반응활성 면적을 극대화하고, 촉매 특유의 소켓(Socket) 구조*는 높은 온도에서도 뛰어난 내구성을 나타낸다.

또한 용출 소재의 내부구조를 분석하여 나노입자의 성장을 제한하는 요인을 밝히고, 촉매 성장을 정략적으로 제어할 수 있는 모델을 개발했다.

* 소켓 구조 : 특정 방식으로 만들어진 나노입자들은 지지체 표면에 박혀있는(socketed) 형상을 띄고 있다.

용출입자의 성장제한 요인 분석

연구팀은 제시한 모델과 실험결과를 바탕으로 최적의 연료전지 전극 소재를 개발하였고, 고체산화물 연료전지에 적용했다. 연구팀이 자체 제작한 연료전지는 비촉매 연료전지 대비 2배 이상 높은 최대출력밀도를 나타냈으며 200시간 이상 장기내구성 평가에서 뚜렷한 열화 없이 안정적인 성능을 유지했다. 또한, 전기화학적 스위칭 기법을 이용하여 나노입자 성장을 극대화하고 느린 이온확산*에 의한 성장 제한을 극복했다.

* 이온확산 : 플라스마가 아닌 낮은 밀도와 에너지를 가진 이온이 불균일하게 존재할 때, 평형 상태를 이루기 위해 이온이 확산되는 현상.

명재하 교수는 “해당 기술은 나노촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있어 연료전지뿐만 아니라 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해전지, 차세대이차전지, 개질촉매 등과 같은 다양한 에너지 변환기술에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(우수신진연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 24일 게재되었다.

논문명은 Exsolution Modeling and Control to Improve the Catalytic Activity of Nanostructured Electrodes이며 저자는 명재하 교수(교신저자/인천대학교), 김요한 박사과정생(제1저자/인천대학교), 정현권 박사 과정생(공저자/인천대학교), 원보람 박사과정생(공저자/인천대학교) 등이다.

용출 모델링 기반 차세대 연료전지 촉매제어 기술연구 연구내용 모식도

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 용출(Exsolution)은 고온의 환원분위기에서 산화물의 상분리를 제어하여 금속 나노입자를 산화물 표면 위에 고르게 성장시키는 기술입니다. 용출을 구현하기 위해서는 산화물 소재의 합성과정 혹은 열처리 과정에서 성장시키고자 하는 금속을 산화물 격자 내에 도핑해야 합니다. 촉매 금속이 도핑된 산화물은 고온의 환원 분위기에 노출시키면, 촉매 금속이 우선 환원되어 산화물 표면 위에 성장합니다. 성장한 금속은 나노입자 형태로 성장하여 다양한 반응을 위한 촉매로 이용되고 있습니다.

○ 기존 연구들은 용출입자의 성장 메커니즘을 밝히기 위해 변형(strain), 이온 확산(ion diffusion), 표면반응(surface reaction), 반응물(reactant) 등의 요인에 의한 성장제한 모델링을 수행하고 실험 데이터와 비교함으로써 간접적으로 확인해왔습니다. 그러나, 대부분의 연구들은 용출입자의 성장제한 요인에 대한 직접적인 증거를 제시하지 못하고 있으며, 입자 성장을 정량적으로 예측하고 제어하는 기술이 부족합니다.

2. 연구내용

○ 본 연구팀은 성장 제한 요인을 확인하기 위해 환원된 페로브스카이트 산화물의 내부 구조를 분석하였고, 관찰된 산화물의 내부 용출입자는 표면보다는 내부에 많이 분포하였습니다. 이러한 불균일한 분포는 금속 이온의 환원 속도보다 확산 속도가 더 느리다는 것을 보여줍니다. 즉, 금속 이온의 확산이 용출입자 성장의 율속 단계이며, 금속 이온의 확산 속도는 용출 성장 속도와 같다고 가정할 수 있습니다.

○ 실험 결과를 토대로 Fick의 확산 법칙을 기반으로 확산 제한 용출 성장을 모델링하였고, 페로브스카이트 산화물 소재의 도핑량 및 환원 조건에 따른 용출 경향을 분석함으로써 확산 제한 용출 현상을 재확인하였습니다. 이론 및 실험적 결과를 기반으로 최적의 소재를 선정하여 고체산화물 연료전지의 연료극으로 적용하였습니다. 또한, 확산 제한을 극복하기 위해 2.15 V를 인가하는 전기화학적 스위칭 기법을 통해 용출 성장을 극대화하였습니다. 용출 전극이 적용된 단위전지는 900 도씨에서 1.7 W/cm2의 뛰어난 최대 출력 밀도와 800 도씨에서 200 시간동안 뚜렷한 열화 없이 안정적인 성능을 보였습니다.

* 전기화학적 스위칭 : 연료전지에 Open Circuit Voltage (~1.1 V) 이상의 전압을 인가하여 연료극에서 나노입자가 성장할 수 있는 환원분위기로 제어하는 기술

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구결과는 용출 성장을 이해하기 위한 통찰력을 제공하고 용출 소재를 최적화하기 위한 새로운 전략을 개발하는 데에 이용할 수 있습니다. 특히, 제시된 모델을 이용하면 용출 성장을 정량적으로 분석할 수 있습니다. 이를 이용하면 용출소재의 나노입자를 정밀하게 제어할 수 있어 맞춤형 촉매를 개발할 수 있습니다.

○ 차세대 연료전지 분야에서 용출 기술을 활용하여 안정적이고 높은 성능의 전극을 개발할 수 있는 가능성을 제시하고 있습니다. 또한 이 기술은 고체산화물 연료전지 뿐만 아니라 열촉매, 센서, 이차전지 등 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다. 이는 에너지 변환 및 전력공급 분야에서 중요한 응용 가능성을 가지고 있으며, 미래 에너지 시스템의 발전과 지속가능한 사회 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

한국연구재단 홍보실 제공