POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 한정우 교수·박사과정 김경학씨 연구팀은 UNIST 정후영, 김건태 교수 연구팀과 성균관대 김영민 교수 연구팀과 공동연구를 통해 이중층 페로브스카이트 소재에서의 1차원 산소 공공 형성 과정을 관측하고 그 메커니즘을 밝혔다. 

이 연구성과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

고체산화물 연료전지는 유해가스를 배출하지 않으면서도 화학적 에너지를 전기적 에너지로 효율적으로 변환시키는 친환경 에너지원이다. 

주 장치는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 공기극(cathode)과 연료극(anode)으로 이뤄져 있다. 

공기극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온이 생성되고 그 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동해 연료극에 공급된 수소와 반응해 물과 전기를 생성한다. 

따라서 고체산화물 연료전지 작동 원리상 산소 이온의 이동에 대한 이해는 고성능의 전극 물질 설계에 중요하다.

이중층 페로브스카이트는 이중 층으로 이뤄진 독특한 구조적 특성의 산소 공공 통로를 가지고 있어 물질 내에서 산소 이온의 이동 속도가 빠르다. 

이러한 특성때문에 고체산화물 연료전지용 전극이나 전해질 소재로 연구가 이뤄지고 있는데 지금까지는 간접적인 실험을 통해 산소 공공 통로를 관찰하는데 머물렀다.

이에 공동연구팀은 원자 수준의 분해능을 가지는 투과전자현미경을 이용해 산소 공공 통로를 직접 관찰했다.

슈퍼컴퓨터를 활용해 계산화학적 기법으로 1차원 산소 공공 통로가 생기는 원인을 열역학적으로 분석하고 원자의 재배열 메커니즘을 규명했다.

공동연구팀은 투과전자현미경에서 전자빔이 시편을 투과하기 때문에 UNIST 이온집속빔을 활용해 20나노미터(nm) 정도 두께의 시편을 만들어 원자크기 수준의 고배율 이미지를 관찰했다. 

그 결과, 이중층 페로브스카이트에서 원소 번호가 낮은 산소뿐만 아니라 원소 번호가 높은 원소를 동시에 관찰할 수 있는 최적의 검출기 각도를 찾았다. 

이로 인해 하나의 이미지에서 여러 원소를 동시에 구별할 수 있어 산소 공공 통로를 확실하게 관찰할 수 있었으며 관찰된 산소 공공 통로는 제일원리 계산을 통해 예측된 구조와도 일치하는 것을 확인했다.

제1저자인 김경학씨는 “지금까지 실험적 관측의 한계로 실시간으로 산소 이온의 이동을 직접 관찰하지 못했지만 이번 연구는 투과전자현미경과 제일원리 계산을 통해 산소 공공 통로의 직접적인 관측과 형성 메커니즘을 원자단위에서 규명했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

한정우 교수는 “산소 이온의 이동 메커니즘을 밝힌 이번 연구는 연료전지용 전극 및 전해질 소재 분석에 대한 핵심 연구방법론으로 배터리, 연료전지, 화학 촉매 개발에 널리 응용될 수 있다”고 말했다.

이어 “탄소 중립의 패러다임 전환을 위해서는 고체산화물 연료전지용 소재 개발이 필수적인데 연료전지의 핵심 구동 조건인 산소 이온 이동에 대한 이해를 통해 연료전지의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

한편, 이 연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다.