차세대 연료전지 재료 속 수소이온 이동 특성 규명!

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학부의 김건태 교수팀이 수소이온(양성자) 이 얼마나 빠르게 이중층 페로브스카이트 물질을 통과하는지를 알려 주는 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.

그림1. 수소를 중수소로 교환해 추적하는 기법 설명

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 석‧박사통합과정 연구원은 “동위원소를 이용하면 마치 GPS를 붙인 것처럼 물질 표면으로부터 내부까지의 수소이온의 움직임을 추적 할 수 있다”며 “이번 연구에서 고안된 시스템으로 수소이온의 확산 계수 (D*H)와 표면 교환 계수 (k*H)를 계산 할 수 있었다”고 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)는 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 가능하다”며 “삼중 전도성 산화물을 이용한 촉매 및 에너지 저장 장치 개발의 토대를 마련한 연구”라고 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 英 임페리얼칼리지런던의 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 교수, 메이린 리우(Meilin Liu) 美 조지아텍 교수, 최시혁 금오공대 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인판에 3월 25일자로 게재됐다.