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수소를 중수소로 교환해 수소이온만 골라 추적...연료전지 양극 개발 토대

▲수소를 중수소로 교환해 추적하는 기법 설명. (출처 : UNIST)

UNIST 김건태 교수팀이 수소이온이 이중층 페로브스카이트 물질을 통과하는 속도를 알려 주는 정량 지표를 최초로 계산해 냈다. 계산에는 이온, 전자 등 여러 입자가 섞인 물질 내에서 수소이온만 골라 추적할 수 있는 기법을 사용했다. 이번 연구는 새로운 연료전지 양극소재 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다.

이중층 페로브스카이트는 차세대 연료전지인 ‘양성자 세라믹 연료전지’(PCFC)의 양극(cathode) 소재로 주목받는 물질이다. 연료전지는 수소 등의 연료로 전기를 생산하는 친환경 발전 장치다. 그 중에서도 양성자세라믹연료전지는 비교적 저온에서 작동이 가능하며 수소뿐만 아니라 메탄과 같은 원료로도 발전이 가능하다는 장점으로 주목받고 있다. 

양극 내에서 수소이온의 확산 특성은 연료전지 성능에 영향을 준다. 하지만 수소 이온은 작고 가벼울 뿐만 아니라 다른 전도 입자와 상호 작용을 잘한다. 이 때문에 수소이온 외에도 산소이온과 전자가 통하는 이중층 페로브스카이트 내에서는 독립적 움직임을 알기 어려웠다.

연구진은 수소를 더 무거운 동위 원소인 중수소로 바꾼 뒤 이를 추적하는 기법을 썼다. 고온을 이용해 중수(중수소가 많이 포함된 물, D2O)를 이중층 페로브스카이트에 주입한 뒤 이중층 페로브스카이트 절단면을 훑어가면서 중수소 이온의 농도 변화를 측정(동위원소 교환 확산 프로파일)했다. 단면 위치별로 농도차를 이용하면 수소이온이 얼마나 빠르게 이동하는지를 간접적으로 알 수 있다. 

공동 제1저자인 성아림 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “동위원소를 이용하면 마치 GPS를 붙인 것처럼 물질 표면으로부터 내부까지의 수소이온의 움직임을 추적할 수 있다”며 “이번 연구에서 고안된 시스템으로 수소이온의 확산 계수 (D*H)와 표면 교환 계수(k*H)를 계산할 수 있었다”고 설명했다.

김건태 교수는 “이번에 개발된 측정법은 이중층 페로브스카이트를 포함하는 삼중 전도 산화물에 적용이 가능하다”며 “수소이온 외에도 전자와 다른 이온이 통과 할 수 있는 물질인 삼중 전도성 산화물을 이용한 촉매 및 에너지 저장 장치 개발의 토대를 마련한 연구”라고 설명했다.