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[사이언스] 차세대 연료전지 재료 속 수소이온 이동 특성 규명

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특허뉴스 염현철 기자
기사입력 2021/04/08 [15:32]

 

UNIST 김건태 교수팀, 이중층 페로브스카이트 산화물 내 수소이온 확산 정량화 최초 성공

수소를 중수소로 교환해 수소이온만 골라 추적·연료전지 양극 개발 토대 Adv. Sci. 게재

 

 

UNIST 에너지화학공학부의 김건태 교수팀이 수소이온(양성자)이 얼마나 빠르게 이중층 페로브스카이트 물질을 통과하는지를 알려주는 정량 지표(확산계수 등)를 최초로 계산해 냈다. 여러 입자(이온, 전자)가 섞인 이 물질 내에서 수소이온만 골라 추적할 수 있는 기법을 이용한 덕분이다.

 

이중층 페로브스카이트는 차세대 연료전지인 양성자 세라믹 연료전지’(PCFC)의 양극(cathode) 소재로 주목받는 물질이다. 이번 연구는 새로운 연료전지 양극소재 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다.

 

양극 내에서 수소이온의 확산 특성은 연료전지 성능에 영향을 준다. 하지만 수소 이온은 작고 가벼울 뿐만 아니라 다른 전도 입자와 상호 작용을 잘한다. 이 때문에 수소이온 외에도 산소이온과 전자가 통하는 이중층 페로브스카이트 내에서는 독립적 움직임을 알기 어려웠다.

 

연구진은 수소를 더 무거운 동위 원소인 중수소로 바꾼 뒤 이를 추적하는 기법을 썼다. 고온을 이용해 중수(중수소가 많이 포함된 물, D2O)를 이중층 페로브스카이트에 주입한 뒤 이중층 페로브스카이트 절단면을 훑어가면서 중수소 이온의 농도 변화를 측정(동위원소 교환 확산 프로파일)했다. 단면 위치별로 농도차를 이용하면 수소이온이 얼마나 빠르게 이동하는지를 간접적으로 알 수 있다.

 

중수소 이온 농도 측정에는 2차 이온 질량분석법을 이용했다. 이온광선(1차 이온)을 이중층 페로브스카이트에 충돌시킨 뒤 튕겨 나오는 이온(2차 이온)을 분석해 구성 원소 종류와 농도를 파악하는 기법이다.

 

공동 제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석박사통합과정 연구원은 동위원소를 이용하면 마치 GPS를 붙인 것처럼 물질 표면으로부터 내부까지의 수소이온의 움직임을 추적 할 수 있다이번 연구에서 고안된 시스템으로 수소이온의 확산 계수 (D*H)와 표면 교환 계수 (k*H)를 계산 할 수 있었다고 설명했다.

 

이중층 페로브스카이트의 수소이온 확산 계수를 구한 결과 550 에서 1.04 x 10-6 cm2s-1의 값을 얻었다. 이는 기존에 밝혀진 이 물질의 산소 이온 확산 계수보다 100배가 넘게 빠른 수치이다. 확산계수는 입자의 이동 속도에 비례하는 값으로, 확산계수에 농도차를 곱해 1초 동안 1cm2를 통과하는 수소이온의 양을 계산할 수 있다.

 

이 물질을 쓴 PCFC 단위전지(cell)500 oC에서 0.42 Wcm-2의 최대 전력 밀도를 나타냈다. 수소이온 확산계수가 크기 때문이다. 이는 현재까지 보고된 연구 중 세계 최고 수준의 성능이다. 전력밀도가 높으면 한 번에 많은 힘을 내는 고출력 발전이 가능하다.

 

김 교수는 이번에 개발된 측정법은 이중층 페로브스카이트를 포함하는 삼중 전도 산화물에 적용이 가능하다삼중 전도성 산화물을 이용한 촉매 및 에너지 저장 장치 개발의 토대를 마련한 연구라고 설명했다. 삼중 전도성 산화물은 수소이온 외에도 전자와 다른 이온이 통과(전도) 할 수 있는 물질을 말한다.

 

한편, 연료전지는 수소 등의 연료로 전기를 생산하는 친환경 발전 장치다. 양성자세라믹연료전지는 비교적 저온에서 작동이 가능하며 수소뿐만 아니라 메탄과 같은 원료로도 발전이 가능하다는 장점이 있다.

 

이번 연구는 임페리얼칼리지런던의 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 교수, 메이린 리우(Meilin Liu) 조지아텍 교수, 최시혁 금오공대 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 325일자로 게재됐다.

 

논문명은 Electrokinetic proton transport in triple (H+/O2-/e-) conducting oxides as a key descriptor for highly efficient protonic ceramic fuel cells 이다.

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