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신소재공학과 김정현 교수 연구팀, 산화 분위기 Metal Co 용출 통한 차세대 공기극 설계 성과 발표
작성자기획과 조회수466 등록일2025-05-23
▲ 신소재공학과 김정현 교수 연구팀 (왼쪽부터 대학원 응용소재공학과 박정윤, 홍유택, 임유리 대학원생,
브루나이 다루살람 국립대학교 Abul K, Azad 교수, ㈜에프씨아이 류보현 최고기술책임자, 신소재공학과 김정현 교수)
□ 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 차세대 고체산화물 연료전지(SOFC) 공기극 설계에 핵심이 되는 산화 분위기에서의 금속(Metal) Co 용출(Exsolution) 메커니즘을 규명하고, 이를 통해 연료전지 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 가능성을 입증했다.
○ 이번 연구는 박정윤 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 에너지 소재 및 전기화학 분야의 권위 있는 국제 SCI 학술지 ‘Journal of Power Sources’에 ‘Metal Co exsolution for catalyst design and electrochemical enhancement of non-stoichiometric solid oxide fuel cell cathodes’라는 제목으로 지난 21일 온라인 게재됐다.
○ 연구팀은 비화학량론 조성의 고체산화물 연료전지 공기극 표면에서 산화 분위기 하에 나타나는 Metal Co 용출의 메커니즘을 분석했으며 조성 변화에 따른 차이를 규명했다.
○ 그림 1에서 보듯이 (a) 고온 산화 조건에서 Fe-O 결합 강도에 비해 약한 Co-O 결합이 우선적으로 파괴되며, Co는 산소를 방출하고 산소 공공을 형성하게 된다.
○ 이후 (b) 생성된 산소 공공과 Co 이온은 함께 표면 방향으로 확산되고, 이 과정에서 내부의 산소 손실이 발생하게 되며, 마지막으로 (c) Co 금속이 산화물의 표면에 용출되고, 시간이 지남에 따라 입자는 조대화(coarsening)되는 특성을 발견했다.
○ 이와 함께 Metal Co 용출에 따른 촉매 효과로 인해 공기극에서의 산소 환원 반응이 활성화되며 면적비저항이 감소하는 현상을 확인했다.
□ 신소재공학과 김정현 교수는 “이번 연구를 통해 기존에 알려진 환원 분위기에서의 용출과는 달리 산화 분위기에서의 용출이 우수한 구조적 안정성과 산화/환원 조건에 대한 내구성을 기반으로 공기극 성능 향상을 위한 전극 설계의 핵심 요소가 될 수 있음을 제시했다”라며,
○ “특히 비화학량론 조성에서의 산화 분위기 metal Co 용출이 실제 작동 환경에서도 안정적인 공기극 특성을 발현함으로써 차세대 에너지 소재 설계에 새로운 패러다임을 제시하고 있다”라고 강조했다.
○ 또, 박정윤 석사과정 연구원은 “이번 연구를 통해 산화 조건에서도 금속 용출이 발생할 수 있고, 이러한 현상이 실제 전기화학적 성능 향상에 결정적인 역할을 할 수 있음을 입증했다”라고 전했다.
○ 본 연구에 참여한 ㈜ FCI 류보현 CTO는 “이번 연구 기술은 향후 SOFC 뿐만 아니라 수소 생산, 분산 전력 시스템, 고온 촉매 반응기 등 다양한 에너지 시스템으로의 확장이 가능할 것으로 기대된다”라고 상용화 및 실용화에 대한 매우 긍정적인 입장을 나타냈다.
□ 본 연구는 국립한밭대학교와 고체산화물 연료전지/고체수전해 연료전지 전문 기업인 ㈜에프씨아이, 브루나이 다루살람 국립대학교(Universiti Brunei Darussalam)의 국제 공동 연구 결과이며, ‘충청권 분산 에너지 대응 에너지기술공유대학(No. RS-2024-00394769)’과 ‘Fe가 치환된 비화학량론적 조성의 layered perovskite 공기극의 전기적 특성 연구(No. RS-2024-00464203)’의 지원을 받아 수행됐다.