재료공학부 박범경(사진) 교수 연구팀이 KAIST·한국에너지기술연구원과의 학·연 공동연구를 통해 고체산화물 연료전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 선보였다. 

이 기술은 공기극 표면에 산화물 나노촉매를 경제적이고 간편하게 코팅할 수 있는 새로운 전기화학 증착법을 사용한다.

고체산화물 연료전지(SOFC)*는 높은 에너지 효율성과 낮은 배출가스로 인해 우리나라 탄소중립 사회로의 전환에 매우 중요한 역할을 할 기술로 주목받고 있다. 특히 수소와 같은 청정 연료뿐만 아니라 다양한 바이오가스, 재생에너지 기반 합성 탄화수소 연료 등 탄소중립 연료를 직접 주입할 수 있어 에너지 자원의 다변화에도 기여할 수 있다.

* 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC): 산소이온(O^2-) 전도성 산화물을 전해질로 해 700도 이상의 고온에서 작동해 연료가 갖는 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환해 높은 에너지 변환 효율을 갖는 전기화학 소자.

SOFC의 성능은 구성요소 중 공기극의 산소 환원 반응 활성도에 크게 지배받는다. 이에 전 세계적으로 높은 활성을 갖는 공기극 신소재들이 다수 보고되고 있지만, 대개 이들은 상대적으로 화학적 안정성이 부족해 산업계 적용 단계에 도달하지 못하고 있다. 

대신 이번 연구에서는 다소 아쉬운 성능에도 불구하고 뛰어난 안정성을 가져 산업계에 널리 활용되고 있는 전통적인 LSM-YSZ 복합 전극*의 성능을 크게 개선할 수 있는 나노촉매 도입 기술 개발에 집중했다. 특히 이미 산업계에 상용화된 전기도금을 응용해, 경제성이 뛰어난 전기도금과 화학적 침전이 결합된 ‘전기화학 증착법**’ 공정을 개발했다.

* LSM-YSZ 복합 전극: 전기전도성 페로브스카이트 LSM와 산소이온 전도성 전해질인 YSZ로 구성돼 상호 간 열적·화학적 호환성이 뛰어나 전통적으로 관련 업계에 널리 사용되는 공기극 소재이며, 일반적으로 낮은 성능으로 인해 800도 이상의 고온 운전 SOFC에 보다 적합.

** 전기화학 증착법(Cathodic electrochemical deposition, CELD): 인가된 전압에 의해 증착 용액 내 용해된 nitrate ion (NO3^-), 용존 산소 등의 환원을 통해 형성된 hydroxyl ion (OH^-)가 코팅하고자 하는 금속 이온과 반응해 화학적 침전물을 형성하는 원리를 갖는 산화물 증착 기법.

【연구내용 개략도】 

이번 연구로 개발한 전기화학 증착 기술을 통해 제작된 산화물 나노촉매가 코팅된 상용 복합 전극, 

매커니즘 규명을 위한 임피던스 분석 모델, 고체산화물 연료전지 성능 측정 결과.

전기화학 증착법을 통해 복합 전극 표면에 높은 활성의 PrO_x(Praseodymium oxide) 산화물 나노촉매를 4분 이내에 코팅하는 공정을 성공적으로 개발했으며, 이 공정을 통해 제작된 나노촉매가 적용된 복합 전극은 그렇지 않은 전극에 비해 400시간 장기 구동 후에도 10배 높은 활성을 유지했다. 또한 해당 전극을 포함한 SOFC는 3배 높은 전력 생산 성능을 나타냈으며 이는 문헌에 보고된 같은 소재의 복합 전극 기반의 소자 중 가장 높은 수준이다. 뿐만 아니라, 공동 연구팀은 임피던스 분석을 통해 코팅된 나노촉매가 복합 전극의 활성을 향상시키는 메커니즘을 함께 규명했다.

박범경 교수는 “적절한 나노 산화물 촉매는 전극 반응을 극적으로 향상시키지만, 이에 관련한 종래의 기술은 많은 공정 시간을 요구하며 효과적인 미세구조 제어 및 구현이 어렵다. 이번 연구에서 개발한 전기도금 기반의 공정은 4분 이내에 균일한 나노 촉매 증착을 가능케 하며, 이는 후처리 공정으로 SOFC 제조 공정에 즉각적으로 적용될 수 있다”며 “이는 연료전지 외에도 전도성 소재가 활용되는 다양한 에너지 변환장치에 충분히 적용 가능해, 변환 효율을 향상시킬 수 있는 원천기술”이라고 연구의 중요성을 강조했다.

【연구내용을 표현한 일러스트】 

『Advanced Materials』 학술지 커버(frontispiece)로 선정됐음.

이번 연구는 부산대 재료공학부 박범경 교수와 한국에너지기술연구원 수소융복합소재연구실 최윤석 박사, KAIST 신소재공학과 정우철 교수가 교신저자로 참여해, 세계적으로 가장 권위 있는 재료과학 학술지 중 하나인 『어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)』 3월 22일자 온라인으로 게재됐다.

- 논문 제목: Revitalizing Oxygen Reduction Reactivity of Composite Oxide Electrodes via Electrochemically Deposited PrO_x Nanocatalysts(전기화학적으로 증착된 PrO_x 나노 촉매를 통한 복합 전극의 산소 환원 반응 활성도 향상) 

- 논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202307286 

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업 및 과학기술정보통신부 연구재단 개인기초연구사업 등의 정부 지원으로 수행됐다. 

[Abstract]

Solid oxide fuel cells that operate at intermediate temperatures require efficient catalysts to enhance the inherently poor electrochemical activity of the composite electrodes. Here, a simple and practical electrochemical deposition method is presented for fabricating a PrO_x overlayer on lanthanum strontium manganite–yttria-stabilized zirconia (LSM–YSZ) composite electrodes. The method requires less than four minutes for completion and can be carried out under at ambient temperature and pressure. Crucially, the treatment significantly improves the electrode’s performance without requiring heat treatment or other supplementary processes. The PrO_x-coated LSM–YSZ electrode exhibits an 89% decrease in polarization resistance at 650 ℃ (compared to an untreated electrode), maintaining a tenfold reduction after ~400 h. Transmission line model analysis using impedance spectra confirms how PrO_x coating improved the oxygen reduction reaction activity. Further, tests with anode-supported single cells reveal an outstanding peak power density compared to those of other LSM–YSZ-based cathodes (e.g., 418 mW cm^-2 at 650 ℃). Furthermore, it is demonstrated that multicomponent coating, such as (Pr,Ce)O_x, can also be obtained with this method. Overall, the observations offer a promising route for the development of high-performance solid oxide fuel cells.

* Reference

- Author (Pusan National University): Beom-Kyeong Park (School of Materials Science and Engineering)

- Title of original paper: Revitalizing Oxygen Reduction Reactivity of Composite Oxide Electrodes via Electrochemically Deposited PrO_x Nanocatalysts

- Journal: Advanced Materials

- DOI: 10.1002/adma.202307286  

- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202307286