작동 온도 낮추고 성능 50% 향상…지속 가능 에너지 전환에 새로운 이정표 제시
KAIST(한국과학기술원) 연구진이 기존 전극의 한계를 극복하고 세계 최고 수준의 이산화탄소(CO₂) 분해 성능을 갖춘 ‘세라믹 전해전지’를 개발하는 데 성공했다. 이 기술은 기후위기의 주범인 CO₂를 고부가가치 화학물질로 전환할 수 있는 길을 열며, 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.
KAIST 기계공학과 이강택 교수 연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 수 있는 고성능 세라믹 전해전지(SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell)의 핵심 소재로 ‘복합 나노섬유 전극’을 새롭게 개발했다. 이 전극은 산소 이온 전도도가 높은 GDC(Gd₀.₁Ce₀.₉O₃-δ)와, CO₂ 분해 활성이 뛰어난 LSCFP(La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₁₅Fe₀.₈Pd₀.₀₅O₃-δ)를 복합화하여 제작되었으며, 나노섬유 구조화 기법을 통해 머리카락보다 1,000배 얇은 두께인 약 100나노미터 수준으로 완성됐다.
복합 나노섬유 전극은 전극의 반응 면적을 대폭 증가시켜 전기화학 반응의 효율을 끌어올렸으며, 작동 온도를 기존 대비 크게 낮추는 데 성공했다. 특히, 기존 전극보다 약 45% 얇은 구조로 제작되어 세라믹 전해전지의 성능을 50% 이상 향상시키는 결과를 이끌어냈다.
이번 연구에서 개발된 전해전지는 700℃의 비교적 낮은 온도에서 1.25 A/cm²의 전류 밀도를 기록하며, 현재까지 보고된 SOEC 중 가장 뛰어난 이산화탄소 전환 성능을 입증했다. 또한, 동일 조건에서 300시간 이상의 장기 구동 실험에서도 전압 변화 없이 안정적인 작동을 유지하며 소재의 내구성과 신뢰성을 모두 확보했다.
연구를 이끈 이강택 교수는 “이번에 제안된 복합 나노섬유 전극 설계 기법은 CO₂ 저감뿐 아니라 그린수소 생산, 친환경 전력 시스템 등 차세대 에너지 변환 기술 전반에 적용 가능한 범용적 기술로 발전할 수 있다”고 말했다.
고성능 나노소재 설계로 기후위기 해결과 경제적 가치 동시 실현
이번 연구는 KAIST 기계공학과 석사과정 김민정, 박사과정 김형근과 아크롬존 석사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 한국지질자원연구원의 정인철 박사, KAIST 오세은 박사과정, 윤가영 석사과정이 공동저자로 함께 했다. 연구 결과는 환경 촉매 분야의 세계 최고 권위 학술지인 《Applied Catalysis B: Environment and Energy(IF: 20.3)》에 2025년 3월 3일 온라인으로 게재되었다.
이 연구는 과학기술정보통신부의 ‘나노 및 소재 기술개발사업’과 ‘개인기초연구사업’의 지원을 받아 수행됐다. 전극 재료의 구조적 최적화를 통해 기후위기 대응 기술의 한계를 뛰어넘은 이번 연구는 고효율 에너지 전환과 온실가스 감축이라는 두 가지 목표를 동시에 실현할 수 있다는 점에서 학술적, 산업적 파급효과가 클 것으로 평가된다.
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