세라믹 나노전극으로 CO2 전기분해

국내 연구진이 초음파 스프레이 공정을 활용한 신개념 세라믹 나노전극 고체산화물전해전지(SOEC)를 개발해 세계 최고 수준의 이산화탄소 전기분해 성능을 기록했다. 이 기술은 차세대 에너지 저장, 연료전지 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.

한국세라믹기술원의 신태호 단장 연구팀은 내구성이 뛰어난 세라믹 나노구조 전극을 초음파 스프레이 공정을 통해 제작했다. 이 공정은 고체 분말과 액체를 초음파로 미세 분무해 표면에 균일하게 코팅하며, 기존 전극 코팅법에 비해 간단하면서도 내구성이 우수하다.

연구진은 망간(Mn)과 철(Fe)을 도핑한 세륨산화물(CeO2)을 새로운 산화물 전극 소재로 활용했다. 이 소재는 산소공공을 극대화해 CO2를 전기분해하고, 수소 생산과 연료전지 전력 생산 효율을 동시에 높였다. 실험 결과, 이 전극을 사용한 SOEC는 850℃에서 전류 밀도 3.89 A/cm²를 기록하며 세계 최고 성능을 입증했다.

고체산화물전해전지는 이산화탄소를 전기로 분해해 일산화탄소(CO)를 생산하거나 물 전기분해를 통해 수소를 생성하는 시스템으로, 탄소중립 실현과 수소경제 구축을 위한 핵심 기술로 평가받고 있다.

기존 니켈 금속전극은 촉매 활성은 뛰어나지만, 장기 사용 시 입자 조대화와 탄소 침착 문제로 내구성에 한계가 있었다. 세라믹 전극은 이러한 문제를 해결할 대안으로 제시됐으며, 해당 연구는 세라믹 전극의 촉매 활성과 내구성을 동시에 높이는 데 성공했다.

특히 고내구성 나노구조 전극과 배터리 화학 반응 최적화를 통해 CO2를 전기분해해 고부가가치 화합물인 CO로 전환하는 데 활용 가능하다. 또한, 배터리 화재 방지와 같은 추가적인 안전 기술을 접목해 차세대 SOEC 개발로 이어질 가능성도 열었다.

이번 연구는 고체산화물전해전지의 소재와 부품 국산화를 위한 중요한 기초를 제공하며, 국내 신재생에너지 시장의 성장 가능성을 높이고 있다. 연구진이 개발한 초음파 스프레이 공정은 에너지 저장 장치, 연료전지 전극, 센서 등 다양한 분야로 응용 가능하며, CO2와 NOX 전환 기술을 통해 청정 에너지를 확보할 기반을 마련했다.

신태호 단장은 “초음파 스프레이 기반의 고체 분무 공정은 차세대 에너지 소재의 전극 코팅 기술에 중요한 방향성을 제시했다”며 “이 기술이 발전용 고체산화물전해전지 소재 및 부품의 국산화와 탄소중립 실현에 크게 기여할 것”이라고 말했다.