국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)를 고부가가치 화학원료로 바꾸는 고체산화물 전기분해장치(SOEC) 내구성 문제를 해결했다.
한국화학연구원(원장 신석민)은 김민철·박지훈·이진희 박사팀이 니켈 기반 SOEC 내부 전해질 계면 구조를 새롭게 설계해, 고온 운전 중 전해질 층이 갈라지는 문제를 해결하고 CO₂를 일산화탄소(CO)로 고효율 전환할 수 있는 제조 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
SOEC는 CO₂에 전기를 가해 CO로 전환할 수 있는 장치다. 전극 사이에 위치한 산소 이온 전도성 전해질 소재가 중요하다. 최근 고성능 SOEC에는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리늄 도핑 세리아(GDC)라는 2가지 소재를 함께 쓰는 편이다. YSZ는 산소 이온 이동성은 낮지만 내구성이 좋고, GDC는 내구성이 떨어지지만 이온 이동성이 높아 CO₂ 전환 성능을 보완해준다.
다만 두 가지 전해질 소재가 열팽창률 차이로 고온에서 서로 다르게 수축·팽창하면서 층 사이가 갈라지는 '계면 박리' 현상이 발생해 장기 운전 시 성능 저하와 수명 단축 원인이 된다.
연구팀은 비싼 공정 대신, 용액에 담갔다가 빼는 간단한 '딥 코팅' 방식으로 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층을 형성해 계면 박리 현상을 줄였다.
SOEC의 성능 평가 지표 중, 투입한 전기가 실제로 CO₂를 CO로 전환하는 데 얼마나 사용됐는지를 의미하는 '패러데이 효율'의 경우 기존 SOEC는 80~90% 수준이었다. 이번 기술로 만든 SOEC는 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후 초기 성능의 91%를 유지했다. 얼마나 빠르게 CO₂를 처리할 수 있는지를 나타내는 '전류밀도' 역시 약 3.6배 향상됐다.
이번 기술은 고비용 장비 없이 대면적 제조가 가능한 공정으로, 향후 전기 기반의 산업용 CO₂ 자원화 설비 확대에 유리할 것으로 기대된다.
신석민 원장은 “고체산화물 전기분해장치의 CO₂ 전환 효율과 상용화를 가로막던 내구성 문제를 동시에 해결한 성과”라고 밝혔다.
이번 성과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스 3월호 후면 표지논문으로 게재됐다. 루스탐 율다셰프 화학연-UST 학생연구원이 1저자로, 김민철·박지훈·이진희 화학연 박사가 교신저자로 참여했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
