지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 시장가치가 높은 화학물질로 전환하면 환경문제 해결은 물론 경제적 가치까지 창출할 수 있다.
세라믹 전해전지(SOEC)는 이산화탄소를 가치 있는 화학물질로 전환할 수 있는 유망한 에너지 변환기술로, 낮은 배출량과 높은 효율성을 갖는다.
그러나 기존 세라믹 전해전지는 작동 온도가 800℃ 이상으로, 유지비용이 크고 안정성은 낮아 상용화에 한계가 있다.
세계 최고 이산화탄소 전해전지
KAIST 기계공학과 이강택 교수팀이 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 고성능 세라믹 전해전지를 개발했다.
연구팀은 신소재 세라믹 나노 복합섬유를 개발해 현존 최고 성능의 이산화탄소 분해 성능을 갖는 세라믹 전해전지 성능을 실현했다.
우선 연구팀은 전기가 잘 통하는 초이온전도체 소재를 기존 전극에 함께 섞어 만든 ‘복합 나노섬유 전극’을 개발해 전기화학 반응이 더 활발하게 일어나도록 설계하고, 이를 통해 세라믹 전해전지가 더 낮은 온도에서도 효율적으로 작동할 수 있는 기반을 마련했다.
이어 이들 소재를 복합해 나노섬유 두께를 약 45% 줄여 전극이 머리카락 두께의 1/1000 수준인 100㎚로 제작, 전기분해 반응이 일어나는 면적을 극대화함으로서 세라믹 전해전지의 작동 온도를 낮추는 동시에 이산화탄소 분해성능을 50% 높이는데 성공했다.
이렇게 개발한 복합 나노섬유를 적용한 세라믹 전해전지는 기존 보고된 소자 중 700℃에서 1.25 A/cm2에 달하는 세계 최고 수준의 이산화탄소 분해 성능을 기록했다.
아울러 이를 300시간 장기 구동해도 전압을 안정적으로 유지, 소재의 탁월한 성능을 입증했다.
이 교수는 “이번 연구에서 제안한 나노섬유 전극의 제작과 설계 기법은 이산화탄소 저감뿐 아니라 그린수소 및 친환경 전력 생산 등 차세대 에너지 변환소자의 개발을 선도할 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 KAIST 기계공학과 김민정 석사, 김형근 박사과정, 아크롬존 석사가 공동 제1저자로 참여했고, 한국지질지원연구원 정인철 박사, KAIST 기계공학과 오세은 박사과정·윤가영 석사과정이 공동저자로 참여했다.
연구결과는 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)(IF:20.3)’ 지난달 3일자 온라인에 게재됐다.
(논문명: Exceptional CO2 Reduction Performance in Symmetric Solid Oxide Electrolysis Cells Enabled via Nanofiber Heterointerface Engineering, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125222)
