(왼쪽부터)공동 교신저자인 부산대 박범경 교수, KAIST 정우철 교수, 한국에너지기술연구원 최윤석 선임연구원, 공동 제1저자인 KAIST 남성우 박사과정생과 김진욱 박사.(사진=부산대 제공)

부산대학교는 재료공학부 박범경 교수 연구팀이 최근 KAIST 신소재공학과 정우철 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원 수소융복합소재연구실 최윤석 박사와의 학·연 공동연구를 통해 고체산화물 연료전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 선보였다고 12일 밝혔다. 이 기술은 공기극 표면에 산화물 나노촉매를 경제적이고 간편하게 코팅할 수 있는 새로운 전기화학 증착법을 사용한다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 높은 에너지 효율성과 낮은 배출가스로 인해 우리나라 탄소중립 사회로의 전환에 매우 중요한 역할을 할 기술로 주목받고 있다. 특히 수소와 같은 청정 연료뿐만 아니라 다양한 바이오가스, 재생에너지 기반 합성 탄화수소 연료 등 탄소중립 연료를 직접 주입할 수 있어 에너지 자원의 다변화에도 기여할 수 있다.

SOFC의 성능은 구성요소 중 공기극의 산소 환원 반응 활성도에 크게 지배받는다. 이에 전 세계적으로 높은 활성을 갖는 공기극 신소재들이 다수 보고되고 있지만 대개 이들은 상대적으로 화학적 안정성이 부족해 산업계 적용 단계에 도달하지 못하고 있다.

대신 이번 연구에서는 다소 아쉬운 성능에도 불구하고 뛰어난 안정성을 가져 산업계에 널리 활용되고 있는 전통적인 LSM-YSZ 복합 전극의 성능을 크게 개선할 수 있는 나노촉매 도입 기술 개발에 집중했다. 특히 이미 산업계에 상용화된 전기도금을 응용해 경제성이 뛰어난 전기도금과 화학적 침전이 결합된 ‘전기화학 증착법’ 공정을 개발했다.

전기화학 증착법을 통해 복합 전극 표면에 높은 활성의 PrOx(Praseodymium oxide) 산화물 나노촉매를 4분 이내에 코팅하는 공정을 성공적으로 개발했으며 이 공정을 통해 제작된 나노촉매가 적용된 복합 전극은 그렇지 않은 전극에 비해 400시간 장기 구동 후에도 10배 높은 활성을 유지했다. 또한 해당 전극을 포함한 SOFC는 3배 높은 전력 생산 성능을 나타냈으며 이는 문헌에 보고된 같은 소재의 복합 전극 기반의 소자 중 가장 높은 수준이다. 뿐만 아니라 공동 연구팀은 임피던스 분석을 통해 코팅된 나노촉매가 복합 전극의 활성을 향상시키는 메커니즘을 함께 규명했다.

박범경 부산대 교수는 “적절한 나노 산화물 촉매는 전극 반응을 극적으로 향상시키지만 이에 관련한 종래의 기술은 많은 공정 시간을 요구하며 효과적인 미세구조 제어 및 구현이 어렵다”고 말했다. 그는 “이번 연구에서 개발한 전기도금 기반의 공정은 4분 이내에 균일한 나노 촉매 증착을 가능케 하고 이는 후처리 공정으로 SOFC 제조 공정에 즉각적으로 적용될 수 있다”며 “이는 연료전지 외에도 전도성 소재가 활용되는 다양한 에너지 변환장치에 충분히 적용 가능해 변환 효율을 향상시킬 수 있는 원천기술”이라고 연구의 중요성을 강조했다.

이번 연구는 부산대 재료공학부 박범경 교수와 한국에너지기술연구원 수소융복합소재연구실 최윤석 박사, KAIST 신소재공학과 정우철 교수가 교신저자, KAIST 신소재공학과 남성우 박사과정 학생과 김진욱 박사가 제1저자로 참여해 세계적으로 가장 권위 있는 재료과학 학술지 중 하나인 ‘어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)’ 3월 22일자 온라인으로 게재됐다.

논문 제목은 Revitalizing Oxygen Reduction Reactivity of Composite Oxide Electrodes via Electrochemically Deposited PrOx Nanocatalysts(전기화학적으로 증착된 PrOx 나노 촉매를 통한 복합 전극의 산소 환원 반응 활성도 향상)이다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업 및 과학기술정보통신부 연구재단 개인기초연구사업 등의 정부 지원으로 수행됐다.