KAIST, 7종 금속 혼합 고엔트로피 전극 개발…그린수소 생산성 3배 향상

[도시경제채널 = 최강호 기자]  KAIST 이강택 교수 연구팀이 7종 금속을 동시에 도입한 '고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극'을 개발해 그린수소 생산 성능을 기존 대비 최대 3배 높였다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'에 표지논문으로 실렸다.

 KAIST(한국과학기술원)는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)의 그린수소 생산 성능을 기존 대비 최대 3배 향상한 새로운 산소 전극 소재를 개발했다고 5일 밝혔다. 그린수소는 탄소 배출 없이 물 분해로 수소를 얻는 방식으로, 미래 청정에너지의 핵심 기술로 꼽힌다.

PCEC는 전기 에너지를 이용해 물을 분해하고 수소 이온의 내부 이동으로 수소를 생산하는 장치다. 그러나 전지 내부 산소 전극에서 반응 속도가 느린 문제가 성능 향상의 걸림돌로 지목돼 왔다.

연구팀은 무질서도를 높이는 방향으로 여러 금속 원소를 결합하는 '고엔트로피' 전략으로 이 한계에 접근했다. Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr 등 7종의 금속 원소를 전극의 A-site에 일괄 삽입해 '고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극'을 완성했다. 이처럼 이종 금속이 혼재하면 전극 내부 전하 이동과 산소 반응이 활성화돼 수소 생성 속도가 높아진다.

밀도범함수이론(DFT) 계산 결과, 이 전극에서 산소 결함 형성 에너지는 기존보다 60% 이상 낮은 수준으로 확인됐다. 이와 별도로 수소 이온(프로톤) 확산 속도는 약 7배 빨라진 것으로 분석됐다. 두 수치 모두 전극 내 수소 생성 경로가 본질적으로 개선됐음을 보여준다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구는 KAIST 오세은 박사과정과 한국지질자원연구원 정인철 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 주요 연구과제의 지원으로 수행됐다. 결과물은 에너지 소재 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'에 표지논문으로 게재됐다.

이강택 교수는 "엔트로피라는 열역학 개념을 활용해 전극의 반응성을 제어할 수 있음을 보여준 연구"라며 "그린수소 생산 효율을 크게 높여 수소경제 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 밝혔다.

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