나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 "촉매 기초 국가 중점 실험실" 연구팀과 중국과학원 연구팀은 공동 연구를 통해 CO2 고온 전기촉매 환원 연구 분야에서 혁신성과를 이루었으며, 연구팀은 이번 연구를 통해 고체 산화물 전기 분해 페로브스카이트 전극 가역(可逆) 용출(溶出)/용해(溶解) 메커니즘을 해석하는데 성공하였음.

고체 산화물 전기 분해 셀(Solid oxide electrolytic cell, SOEC)은 음극에서 CO2와 H2O 합성가스, 탄화수소 유형 연료를 합성하도록 하고, 양극에서 고순도의 O2를 생성하기 때문에 전체 고체 상태와 모듈화 구조, 신속한 반응 속도, 높은 에너지 효율성, 저렴한 원가 등 강점을 보유하고 있으며, CO2 전환과 재생 가능한 청정 전기 에너지 저장 분야에서 거대한 잠재력을 가지고 있음.

페로브스카이트는 SOEC 음극 재료로 폭넓게 연구되고 있지만 촉매 활성이 낮은 단점을 해결하지 못하고 있었고, 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 음극에서 용해되는 금속 나노 파우더를 이용하여 높은 활성 금속-산화물 인터페이스를 구축하여 CO2 전해질 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있었음.

페로브스카이트 중에서의 금속 나노 파우더의 용출/용해 가역반응은 SOEC의 장기 운행 과정에서 파우더 집중과 탄(炭) 축적으로 인해 발생되는 전해질 성능을 떨어뜨리는 문제를 해결할 수 있는 효과적인 방법이 되고 있지만 페로브스카이트 재료의 용출/용해 가역반응 메커니즘에 대해서는 장기간 명확한 해석을 하지 못한 상황에 처해 있었음.

연구팀은 이번 연구를 통해 in-situ X-레이 회절, 환경 스캐너 전자 현미경, 스캐닝 투과 전자 현미경 분석과 밀도 범함수 이론 계산을 통해 CoFe 합금 나노 파우더가 Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFMC) 이중 페로브스카이트 속에서의 in-situ 용출/용해 과정에 대한 연구를 수행하였음.

연구팀은 CoFe 합금 나노 파우더의 용출은 SFMC 음극으로 하여금 뚜렷이 증강된 CO2 전해질 성능과 안정성을 나타낼 수 있도록 하는 동시에 CoFe 합금 나노 파우더의 우수한 재생 능력 때문에 12개의 산화 환원 순환 과정을 거치더라도 SFMC 음극은 여전히 안정적인 CO2 전기 분해 성능을 보유하고 있다는 점을 입증하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’지에 게재됨.