학과소식

세라믹 신소재 전극으로 CO2 전환 90% 달성 : “탄소중립 청신호

관리자 2021.06.09


그림1. 논문 Cover 선정
  
그림 2: (왼쪽부터) 신태호 박사 (한국세라믹기술원), 이강택 교수 (KAIST), 이석희 박사 (한국세라믹기술원)
 

그림 3: LSCM-CMF 복합 산화물 전극이있는 LSGM 전해질 기반 All-Ceramic SOEC 셀의 CO2 전해 반응 메커니즘 모식도.
(LSCM-CMF 전극에서 CO2 전기 분해 중 CO2 분자는 산소 공석에 인접한 격자 산소를 통해 표면에 흡착되어 세리아 구조에서 CO3- 중간체를 형성합니다. 일반적으로 도핑 또는 나노 크기의 세리아는 산소 결손 결함의 형성을 촉진합니다.)
 

우리학과 이강택 교수 연구팀과 한국세라믹기술원 신태호·이석희 박사 연구팀은 공동연구를 통해 페로브스카이트 구조의 란타늄 크롬 산화물에 세륨 산화물을 복합화한 새로운 전극을 개발하여 고효율 발전과 CO2 전기분해가 가능한 고내구성 고체산화물전해전지를 개발하였다고 밝혔습니다.
 
고체산화물전해전지 (SOEC: Solid Oxide Electrolysis cells)는 고온에서 CO2 분해하여 CO를 생산하거나, 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 시스템으로 탄소중립과 수소경제를 위한 차세대 핵심 기술이라고 할 수 있습니다.
 
기존 고체산화물 CO2 전해전지는 니켈계 음극지지형 전해시스템에 집중되어 있다. 니켈계 시스템은 전해 활성이 뛰어나지만, 장시간 운전시 연료극에 니켈입자의 조대화 및 CO2의 불완전 환원으로 인한 탄소 침착(coking) 등의 문제로 상용화가 지연되어 왔습니다.
 
본 연구에서는 망간(Mn)과 철(Fe)을 첨가한 세륨 산화물 신소재를 적용하여 전극 표면에 산소공공을 극대화함으로써, 연료전지의 전력생산뿐 아니라, 수소를 고효율로 생산하거나 CO2를 전기분해하여 연료극에서 CO로 환원하고, O2를 발생시킵니다.
 
이강택 교수는 “도핑된 세륨 산화물에 의해 가속화된 연료극 반응은 CO2 흡착 및 후속적인 CO3- 이온 해리 과정을 위한 향상된 활성 부위 및 표면 산소 공공 농도에 기인하고, 그로 인해 기존의 전해전지 보다 내구성이 향상되고, CO2 전기 변환 효율은 90% 이상으로 뛰어난 것”이라며, “이번 연구에서 개발된 차세대 전고체 CO2전해전지 기술은 다양한 에너지 변환 분야에 접목되어, 탄소중립을 실현하기 위한 핵심 선도 기술이 될 것”이라고 말했습니다.
 
본 연구는 산업부의 한국산업기술평가관리원이 추진하는 소재부품 패키지 사업과 한국에너지기술평가원이 지원하는 에너지효율관리기술개발사업, 한국산업기술진흥원이 추진하는 국제공동 유레카 사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 세계적인 학술지인 어드벤스드 에너지 머터리얼스 (Advanced Energy Materials, IF 25.245 )의 2021년 5월 12일 온라인판에 게재되었습니다.
 
논문명: Enhancing Electrochemical CO2 Reduction using Ce(Mn,Fe)O2 with La(Sr)Cr(Mn)O3 Cathode for High‐Temperature Solid Oxide Electrolysis Cells

논문링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202100339