KAIST "고엔트로피 설계로 그린수소 생산 성능 3배↑"

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이 보통 물질을 섞으면 불안정해지지만 오히려 더 많이 섞을수록 더 안정해지는 '고엔트로피' 현상을 이용해 수소 생산력일 획기적으로 끌어올리는 기술을 확보했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 기계공학과 이강택 교수팀이 엔트로피를 극대화하는 설계를 통해 전지의 반응속도와 출력성능을 크게 향상시킨 새로운 '산소 전극 소재'를 개발했다고 5일 밝혔다.
 
전지 안에서 수소이온이 더 잘 움직이고 반응이 더 쉽게 일어나도록 만들어 수소를  빠르고 효율적으로 생산하는 기술이다.

물에서 탄소배출 없이 수소를 생산하는 그린수소 기술은 미래청정에너지의 핵심으로 꼽힌다. 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)는 전기에너지를 이용해 물을 분해하고 이때 수소이온이 내부를 이동하면서 수소를 만들어내는 장치로 효율이 좋지만  전지 내부 산소 전극에서 반응속도가 느리다는 한계가 있다.

이번에 연구팀은 여러금속 원소를 동시에 도입해 무질서도를 높이는 고엔트로피 전략에 주목했다. 보통 많은 원소를 섞으면 구조가 불안정해질 수 있지만 적절한 조성에서는 엔트로피가 극대화되면서 오히려 안정한 단일구조를 유지하는 데 도움이 된다.

이를 바탕으로 전극구조 안에서 금속원소가 들어가는 자리(A-site)에 7종의 금속 원소(Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr 등)를 동시에 도입한 고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극을 설계했다.

 이 전극은 금속과 산소가 규칙적으로 배열된 페로브스카이트 구조로 서로 다른 금속이 함께 들어간 이중 구조에 여러 원소를 섞은 고엔트로피 설계로 돼 있다.

연구팀은 "다양한 금속이 뒤섞이면서 전극 내부의 전하 이동과 산소 관련 반응이 더욱 원활해지고 그 결과 전기생산과 수소생성 반응이 더 빠르게 일어나게 된다"고 설명했다.

설계된 기술에 대한 측정 결과, 전극 내부에서 반응이 일어날 수 있는 '빈자리'를 만드는 데 필요한 산소 결함 형성 에너지가 기존보다 60% 이상 낮아진 것으로 나타났다. 이는 반응이 일어날 수 있는 공간이 더 쉽게, 더 많이 만들어진다는 의미다.

또 TOF-SIMS(물질 내부에서 이온의 분포와 이동을 확인하는 분석 기법) 분석 결과, 수소이온 이동속도도 기존보다 7배 이상 빨라졌다. 전극 내부에서 수소가 생성되는 과정이 훨씬 빠르게 진행될 수 있음을 보여준 결과다.

성능도 크게 향상돼 새 전극을 적용한 전지는 650도에서 기존보다 약 2.6배 높은 전력 밀도를 기록했으며 수소 생산 성능도 약 3배나 향상됐다.

특히 500시간 동안 진행한 수증기 조건 테스트에서도 성능 저하가 0.76%에 그쳐 장시간 사용에도 안정적인 성능 유지가 확인됐다.

이번 연구는 국제 학술지인 '어드벤스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)' 표지논문(Front cover)으로 선정됐다.(공동 제1저자/KAIST 기계공학과 오세은 박사과정, 한국지질자원연구원 정인철 박사)

이강택 교수는 "엔트로피라는 열역학 개념을 활용해 전극의 반응성을 제어할 수 있음을 보여준 연구"라며 "그린수소 생산 효율을 크게 높여 수소경제 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.


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