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서울대학교 공과대학 재료공학부 정우철 교수 연구팀의 논문이 게재된 Energy & Environmental Science의 Outside Back Cover 이미지. /서울대학교 제공

[투데이에너지 신일영 기자] 서울대 공대 정우철·한정우 교수 연구팀이 KAIST 김상욱 교수 연구팀, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 정범균 박사 연구팀과 공동으로 고체산화물 수전해전지(SOEC)의 수소 생산 효율을 높이는 은(Ag) 나노촉매의 작동 원리​를 규명했다.

연구팀은 같은 은 나노촉매라도 전지의 작동 방향에 따라 실제 산소반응이 일어나는 위치와 촉진 메커니즘이 달라진다는 사실을 확인했다. 특히 수소를 생산하는 산소발생반응에서는 은 나노입자의 표면적이 넓을수록 반응이 활발해지는 것으로 나타났다.

고체산화물 전해전지는 고온에서 전기와 열을 이용해 물을 분해하고 수소를 생산하는 장치다. 재생에너지와 연계할 경우, 친환경 수소 생산 기술로 활용할 수 있어 차세대 수전해 기술로 주목받고 있다.

그러나 SOEC의 수소 생산 성능은 공기극에서 발생하는 산소반응 속도에 크게 영향을 받는다. 그동안 금속 나노촉매가 전극의 산소반응을 촉진한다는 사실은 알려졌지만, 실제로 촉매의 어느 부분에서 반응이 일어나고 어떤 방식으로 반응을 촉진하는지는 명확하게 밝혀지지 않았다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 구조와 조성이 일정한 모델 전극을 제작하고 크기와 간격이 균일한 금속 나노입자를 배열해 촉매의 작동 위치를 정밀하게 분석했다.

먼저 페로브스카이트 산화물 기반 전극에 은(Ag), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등 다양한 금속 나노촉매를 적용해 산소반응 촉진 효과를 비교했다. 그 결과 은 나노촉매가 가장 우수한 산소반응 촉진 성능을 나타냈다.

이어 은 나노입자의 크기와 배열을 달리해 분석한 결과, 수소 생산 과정에서 발생하는 산소발생반응에서는 은 나노입자의 표면적이 넓을수록 반응이 활발해지는 것으로 확인됐다. 이는 은 나노입자의 표면 자체가 산소발생반응의 주요 반응 위치로 작용한다는 의미다.

연구팀은 전압과 산소 농도를 조절하면서 산소발생반응의 진행 과정을 분석했다. 그 결과 은 나노촉매가 산소 원자들이 서로 결합해 산소 분자로 빠져나가는 과정을 촉진하는 것으로 나타났다.

방사광 기반 분석과 원자 수준의 이론 계산도 진행했다. 이를 통해 은 나노촉매가 산소 원자들이 결합하기 유리한 반응 환경을 제공함으로써 산소발생반응을 촉진한다는 사실을 확인했다.

이번 연구는 SOEC의 수소 생산 성능을 높이기 위해서는 단순히 촉매의 양을 늘리는 것이 아니라 실제 반응이 일어나는 촉매 표면을 효과적으로 설계해야 한다는 점을 제시했다는 데 의미가 있다.

특히 연구팀이 개발한 정밀 나노입자 배열 모델 전극은 촉매의 크기와 간격, 표면적 등을 조절하면서 반응 위치와 작동 원리를 분석할 수 있어 향후 고효율 수전해 촉매 개발에 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 이번 결과가 재생에너지 기반 수소 생산을 위한 SOEC의 전극 설계와 성능 향상에 기여할 것으로 전망했다. 나아가 전력 생산과 수소 생산을 모두 수행할 수 있는 가역형 고체산화물 전지의 효율 향상에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’​에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 저널의 Outside Back Cover로 선정됐다.

■ 용어설명

SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell, 고체산화물 수전해전지) : 고체산화물 전해질을 이용해 전기와 열을 투입해 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 수전해 장치.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)