이산화탄소 활용한 항공유 원료 생산…내구성·성능 향상 기술 개발

국내 연구팀이 이산화탄소를 전기분해하여 항공유와 플라스틱 원료 등 고부가가치 화학 연료로 생산하는 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 내구성과 성능을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 

한국화학연구원은 김민철 선임연구원과 박지훈·이진희 책임연구원팀이 고온 운전 과정에서 발생하는 계면 박리 현상을 줄이고 이온 이동성을 높이는 새로운 SOEC 전해질 구조를 설계했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 지난 3월 게재됐다.

SOEC는 이산화탄소에 전기를 가해 일산화탄소로 전환하는 장치이며, 생산된 일산화탄소는 수소와 결합해 지속가능 항공유, 메탄올, 플라스틱 등 다양한 산업 화학 소재 생산에 활용될 수 있다. 

기존 고성능 SOEC에는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리늄 도핑 세리아(GDC)를 함께 사용하는데, YSZ는 내구성이 좋지만 산소 이온 이동성이 낮고, GDC는 이온 이동성이 높은 대신 내구성이 약하다.

두 소재는 서로의 단점을 보완하지만 열팽창률 차이 때문에 1300~1400도 고온 제조 과정에서 계면 박리 현상이 발생한다. 

계면 박리는 서로 다른 정도로 팽창·수축해 층 사이가 갈라지는 현상으로, 장기 운전 시 성능 저하와 수명 단축을 일으킨다. 연구팀은 두 소재 사이에 복합 중간층을 삽입하는 방식으로 계면 박리를 줄였다.

두 소재의 열변형 차이를 흡수하도록 ‘완충 쿠션층’을 넣은 것이다. 흡수 과정에서 복합층이 새로운 구조를 형성해 계면 접착력과 산소 이온 이동성을 동시에 높이는 것으로 확인됐다. 

그 결과, 단위 면적당 이산화탄소 처리 속도를 의미하는 전류밀도가 기존 대비 약 3.6배 증가했다.

1.6볼트 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 91%를 유지했다. 복합층 개발에는 고가 장비 없이 용액에 담갔다 

빼는 딥 코팅 공정을 적용해 제조 비용과 공정 복잡도를 낮췄다. 현재 연구팀은 개발한 기술을 더 큰 면적의 SOEC에 적용하는 연구를 진행 중이다.

향후 발전소, 제철소, 석유화학 공장 등에서 포집한 이산화탄소를 재활용하는 탄소중립 산업 인프라에 활용될 것으로 기대된다. 

신석민 화학연 원장은 SOEC 상용화를 가로막던 내구성 문제를 해결하고 이산화탄소 전환 효율도 높인 성과라고 평가했다.