[실현가능성 있는 저비용·고성능 니켈 합금 촉매 제안]

이산화탄소 농도를 낮추는 것이 주요 연구 주제로 대두되는 요즘, 고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolyzer Cell)는 물과 이산화탄소를 친환경적으로 합성 연료로 전환할 수 있어 각광받고 있다. 수전해전지란 전기를 수소로 바꿔 저장해두고 이를 필요할 때 연료로 다시 발전할 수 있어 태양광·풍력발전 같은 신재생 에너지의 활용성을 크게 높일 수 있는 기술이다. 국내 연구팀이 이 전지의 효율을 획기적으로 높일 합금 촉매를 찾아냈다.

화학공학과 한정우 교수, 박사과정 조아라 씨는 청정에너지를 만들고 저장하는 고체산화물 수전해전지의 촉매로 철이 가장 효율 높은 촉매가 될 수 있음을 이론적으로 밝혔다. 이와 함께 연구팀은 기존에 활용되던 니켈을 이용, 저비용·고성능의 니켈-철 합금 촉매를 제안했다. 이 연구는 화학 분야 국제학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)지 2월호 표지논문(supplementary cover)으로 선정됐다.

고체산화물 수전해전지는 물과 이산화탄소를 친환경적으로 합성 연료로 전환할 수 있어 청정에너지를 만들 수 있는 기술이다. 여기에 사용되는 것은 고온 동시 전기분해 기술인데, 기존 에너지 인프라를 그대로 사용해 남은 열과 전기로 수소 기반 청정에너지를 만들 수 있어 미래 에너지로 기대를 모은다.

하지만 이 전지는 고온을 필요로 하기 때문에 전기분해뿐 아니라 열화학반응도 동시에 발생해 실험적으로 정확한 반응 경로를 예측할 수 없는 문제도 있었다. 연구팀은 계산화학 기반 컴퓨터 모델링을 통해 주로 쓰는 니켈 촉매 외에 11개 금속의 반응성을 계산해 활성지도를 도출해냈다. 이 결과에 따르면 철이 가장 유망한 물질로 나왔는데, 기존에 사용되던 고체산화물 수전해전지 시스템을 크게 바꾸지 않도록 기존 상용 촉매인 니켈에 철을 합금하는 방식을 제안했고, 이 합금 촉매도 기존 촉매보다 고활성을 가짐을 예측하였다. 이 연구 결과를 토대로 관련 기술의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “고체산화물 수전해전지는 기존 화학연료 기반의 인프라를 뒤바꾸지 않고 에너지 생산 후 생기는 열에너지와 친환경적으로 생산된 전기 에너지를 활용할 수 있어 더 각광받고 있다“라며 ”니켈 촉매를 개선하는 합금 촉매를 제시해 전기화학전지 연구 및 상용화에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 글로벌프론티어사업, 한국연구재단 나노소재원천사업의 지원으로 수행되었다.