[월간수소경제 성재경 기자] 국내 연구진이 고체산화물 연료전지(SOFC)의 산소이온의 이동 원리를 규명해 친환경 에너지 개발에 대한 기대감이 높아지고 있다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 한정우 교수·박사과정 김경학 연구팀이 UNIST 정후영, 김건태 교수 연구팀과 성균관대 김영민 교수 연구팀과 공동연구를 통해 이중층 페로브스카이트 소재에서 1차원 산소 공공 형성 과정의 메커니즘을 규명했다고 11일 밝혔다. 

SOFC는 산소이온 전도성 전해질과 그 양면에 공기극(cathode)과 연료극(anode)으로 이루어져 있다. 공기극에선 산소 환원반응으로 산소이온이 생성되고, 이 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동, 연료극에 공급된 수소와 반응해 물과 전기를 생성한다. 

고체산화물 연료전지의 작동 원리상 고성능 전극 물질 설계를 위해서는 산소이온의 이동에 대한 이해가 꼭 필요하다.

이중층 페로브스카이트는 이중층으로 이루어진 독특한 구조의 산소 공공 통로 덕에 물질 내 산소이온의 이동 속도가 빠르다. 

이러한 특성으로 SOFC용 전극이나 전해질의 소재로 연구가 활발하지만, 지금까지는 간접 실험을 통해 산소 공공 통로를 관찰하는 데 머물렀다.

이에 공동연구팀은 원자 수준의 분해능력을 지닌 투과전자현미경을 이용해 산소 공공 통로를 직접 관찰했다. 또, 슈퍼컴퓨터를 활용한 계산화학 기법으로 1차원 산소 공공 통로가 생기는 원인을 열역학적으로 분석하고, 원자의 재배열 메커니즘을 규명했다.

공동연구팀은 UNIST 이온집속빔을 활용해 20나노미터 정도 두께의 시편을 만들어, 원자 크기 수준의 고배율 이미지를 관찰했고, 그 결과 이중층 페로브스카이트에서 원소번호가 낮은 산소뿐 아니라 원소번호가 높은 원소를 동시에 관찰할 수 있는 최적의 검출 각도를 찾아냈다. 

하나의 이미지로 여러 원소를 동시에 구분해 산소 공공 통로를 확실히 관찰할 수 있었으며, 관찰된 산소 공공 통로는 제일원리 계산을 통해 예측된 구조와 일치함을 확인했다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “산소이온의 이동 메커니즘을 밝힌 이번 연구는 연료전지용 전극과 전해질 소재 분석에 대한 핵심 연구방법론으로 배터리, 연료전지, 화학촉매 개발에 널리 응용될 수 있다”며, “산소이온 이동에 대한 이해를 통해 SOFC 소재 개발에도 쓰임이 많을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.