니켈 기반 이산화탄소 전기분해장치 고효율 제조기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)를 고부가가치 화학원료로 바꾸는 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 내구성 문제를 해결했다.

한국화학연구원은 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀이 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 24일 밝혔다.

SOEC는 CO₂에 전기를 가해 CO로 전환할 수 있는 장치다. 이렇게 생산된 CO는 수소 합성가스의 핵심 원료로 지속가능 항공유, 메탄올, 플라스틱, 산업용 화학소재 생산에 활용될 수 있다.

SOEC는 전극 사이에 위치한 산소 이온 전도성 전해질 소재가 중요하다. 최근 고성능 SOEC에는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리늄 도핑 세리아(GDC)라는 2가지 소재를 병용한다. YSZ는 산소 이온 이동성은 낮지만 내구성이 좋고, GDC는 내구성이 떨어지지만 이온 이동성이 높아 CO₂ 전환 성능을 보완해준다.

다만 두 가지 전해질 소재 사이 계면 박리 현상이 발생해 장기 운전 시 성능 저하와 수명 단축이 뒤따른다. 고가 장비 기반 증착기술(PVD·PLD 등)로 해결하는 방법이 있지만 제조 비용이 높고 대면적 상용화가 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 비싼 공정 대신 용액에 담갔다가 빼는 간단한 딥 코팅 방식으로 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층을 형성해 계면 박리 현상을 줄였다.

서로 다른 두 소재 사이에 '완충 쿠션층'을 넣는 개념이다. 복합 중간층이 열변형 차이를 흡수해 고온에서도 구조를 안정적으로 유지한다. 이 과정에서 복합층은 새로운 고체용액 구조를 형성해 산소 이온 이동성과 계면 접착력을 동시에 높였다.

SOEC 성능 평가 지표 중 투입한 전기가 실제로 CO₂를 CO로 전환하는 데 얼마나 사용됐는지를 의미하는 '패러데이 효율'의 경우 기존 SOEC는 80~90% 수준을 나타낸다.

이번 기술로 만든 SOEC는 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후 초기 성능의 91%를 유지해 높은 내구성과 세계 최고 수준의 패러데이 효율을 함께 보여줬다.

단위 면적에서 얼마나 빠르게 CO2를 처리할 수 있는지를 나타내는 '전류밀도' 역시 기존 0.59에서 2.14암페어 퍼 제곱센티미터(A/cm²)로 약 3.6배 향상됐다.

연구팀은 이번 연구에서 동전 크기 소형 셀을 대상으로 대면적화가 가능한 조건을 확인했다. 현재 핸드폰 크기의 평관형 셀로 확대 적용 연구 중이다. 다만 상용화를 위해서는 대형 스택 제작, 재생에너지 연계성 확보 등의 후속 연구가 필요하다.

연구팀은 2030년 전후 파일럿 실증, 이후 산업용 탄소자원화 설비 적용까지 이뤄질 것으로 보고 있다.

신석민 원장은 "고체산화물 전기분해장치의 CO₂ 전환 효율과 상용화를 가로막던 내구성 문제를 동시에 해결한 성과"라고 말했다.

이번 성과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science) 후면 표지논문으로 게재됐다.

jongseo12@news1.kr