이산화탄소→전기분해장치→일산화탄소로 고효율 전환

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 이산화탄소(CO₂)를 고부가가치 화학원료로 바꾸는 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 내구성 문제를 해결했다.

한국화학연구원(원장 신석민) 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀은 니켈 기반 SOEC 내부 전해질 계면 구조를 새롭게 설계해 고온 운전 중 전해질 층이 갈라지는 문제를 해결했다. CO₂를 일산화탄소(CO)로 고효율 전환할 수 있는 제조 기술을 개발했다.

SOEC는 CO₂에 전기를 가해 CO로 전환할 수 있는 장치다. 만들어진 CO는 합성가스(일산화탄소+수소)의 핵심 원료로 지속가능 항공유, 메탄올, 플라스틱, 산업용 화학소재 생산에 활용될 수 있다.

SOEC는 전극 사이에 있는 산소 이온 전도성 전해질 소재가 중요하다. 최근 고성능 SOEC에는 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)와 GDC(가돌리늄 도핑 세리아)라는 2가지 소재를 함께 쓰는 편이다.

YSZ는 산소 이온 이동성은 낮은데 내구성이 좋다. GDC는 내구성이 떨어지는데 이온 이동성이 높아 CO₂ 전환 성능을 보완해준다. 두 가지 전해질 소재가 열팽창률 차이로 인해 고온에서 서로 다르게 수축·팽창하면서 층 사이가 갈라지는 ‘계면 박리’ 현상이 발생해 장기 운전을 할 땐 성능 저하와 수명 단축의 원인이 된다.

고가 장비 기반 증착기술(PVD, PLD 등)로 해결하는 방법이 있는데 제조 비용이 많이 들고 대면적 상용화가 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 비싼 공정 대신 용액에 담갔다가 빼는 간단한 딥 코팅 방식으로 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층을 형성해 계면 박리 현상을 줄였다.

서로 다른 두 소재 사이에 ‘완충 쿠션층’을 넣은 것이다.

복합 중간층이 열변형 차이를 흡수해 고온에서도 구조를 안정적으로 유지한다. 이 과정에서 복합층은 새로운 고체용액 구조를 형성해 산소 이온 이동성과 계면 접착력을 동시에 높였다.

SOEC의 성능 평가 지표 중, 투입한 전기가 실제로 CO₂를 CO로 전환하는 데 얼마나 사용됐는지를 의미하는 ‘패러데이 효율’의 경우 기존 SOEC는 80~90% 수준이었다.

이번 기술로 만든 SOEC는 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후 초기 성능의 91%를 유지해 높은 내구성과 세계 최고 수준의 패러데이 효율을 함께 보여줬다.

단위 면적에서 얼마나 빠르게 CO₂를 처리할 수 있는지를 나타내는 ‘전류밀도’ 역시 기존 0.59에서 2.14암페어 퍼 제곱센티미터(A/cm²)로 약 3.6배 높아졌다.

화학연 신석민 원장은 “고체산화물 전기분해장치의 CO₂ 전환 효율과 상용화를 가로막던 내구성 문제를 동시에 해결한 성과”라고 말했다.

이번 성과(논문명: High-Efficiency CO2 Electrolysis Enabled by Interface-Engineered Composite Electrolytes in Ni-Based SOEC)는 국제학술지 Advanced Science 2026년 3월호 후면 표지논문으로 실렸다. 화학연-UST 학생연구원 루스탐 율다셰프(Rustam Yuldashev)가 1저자로 화학연 김민철, 박지훈, 이진희 박사가 교신저자로 참여했다.