[쿠키과학] “CO₂로 고부가 항공유·플라스틱 만든다”… 화학연, 탄소전환 성능 3.6배 향상

한국화학연구(이하 화학연)이 온실가스인 이산화탄소를 전기로 분해하여 석유를 대체할 친환경 항공유, 플라스틱, 메탄올 등의 고부가가치 자원을 제조하는 기술 효율성을 크게 높였다.

화학연 김민철·박지훈·이진희 박사팀은 이산화탄소를 전기분해 해 일산화탄소로 바꾸는 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 성능과 내구성을 동시에 끌어올리는 데 성공했다.

이 결과 고온에서 전해질 층이 갈라지는 핵심 난제를 해결해 기존 니켈 기반 SOEC보다 이산화탄소 처리 성능을 3.6배 높였다.

SOEC는 이산화탄소에 전기를 가해 일산화탄소를 생산하는 장치로, 여기서 만든 일산화탄소는 수소와 결합해 합성가스가 되고, 다시 지속가능항공유(SAF), 메탄올, 플라스틱, 합성섬유 같은 화학제품 원료로 활용된다.

이는 탄소를 산업 원료로 다시 순환시기 때문에 차세대 탄소중립 핵심 기술로 꼽힌다.

하지만 SOEC 상용화는 장치 내부 전해질이 초고온 환경에서 쉽게 갈라지는 계면 박리 현상로 인해 어려움이 있다.

최근 고성능 SOEC는 전해질 소재 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)와 GDC(가돌리늄 도핑 세리아)를 함께 사용한다.

YSZ는 내구성이 좋지만 산소 이온 이동성이 낮고, GDC는 이온 이동성은 뛰어나지만 내구성이 약하다.

두 소재를 결합하면 성능은 좋아지지만, 열팽창률 차이 때문에 1300~1400℃ 제조 과정에서 균열이 발생한다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 두 소재 사이에 복합 완충층을 삽입했다.
이는 서로 다른 재질 사이에 충격 흡수층을 넣는 것처럼 YSZ와 GDC를 혼합한 중간층이 열변형 차이를 흡수하도록 설계한 것이 특징이다.

특히 고가 증착장비 대신 용액에 담갔다 빼는 간단한 딥 코팅 공정을 적용해 제조비용과 공정 복잡도도 함께 낮췄다.

복합 완충층은 새로운 고체용액 구조를 형성하면서 산소이온 이동성과 계면 접착력을 동시에 높여 잘 안 깨지면서도 전류는 더 잘 흐르는 구조를 갖는다.
실제 연구팀이 개발한 SOEC는 800℃ 환경에서 전류밀도 2.14A/㎠를 기록했다.

이는 기존 니켈 기반 SOEC의 0.59A/㎠보다 3.6배 높은 수준이다. 전류밀도는 단위 면적당 얼마나 빠르게 이산화탄소를 처리하는지를 나타내는 지표다.

이번 성과는 값이 높을수록 더 작은 설비로 더 많은 탄소를 처리할 수 있어 큰 의미를 갖는다.

전기를 실제 이산화탄소 전환에 얼마나 효율적으로 사용했는지를 뜻하는 패러데이 효율도 세계 최고 수준을 기록했다.

연구팀은 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 91%를 유지해 높은 전환 효율과 장기 내구성을 동시에 확보했다.

이 같은 결과는 상용화 장벽을 함께 낮춘 것으로, 구조 안정성 문제와 대면적 전해질 코팅 문제를 동시에 해결한 것이 핵심이다.

연구팀은 동전 크기의 소형 셀 실험을 통해 대면적 코팅과 대량 생산이 가능한 최적 공정 조건을 정립, 현재 스마트폰 크기의 평관형 셀로 면적을 확대하는 스케일업 연구를 진행 중이다.

이는 고비용 장비 없이 대면적화가 가능한 단순 공정 특성으로 대규모 산업용 탄소 자원화 설비 구축 시 뛰어난 경제적 경쟁력을 제공할 것으로 기대된다.
연구팀은 2030년 전후 파일럿 실증을 거쳐 산업 적용 가능성을 기대하고 있다.

김 선임연구원은 “탄소를 단순 저장하는 단계를 넘어 화학 원료로 재활용하는 탄소순환 산업 기반 구축 가능성을 보여준 연구”라며 “니켈 기반 저비용 구조를 유지하면서 세계 최고 수준 성능을 확보한 점이 의미 있다”설명했다.

한편, 이번 연구는 화학연-UST 학생연구원 루스탐 율다셰프가 제1저자로 수행했고, 연구결과는 지난 3월 국제학술지 ‘Advanced Science’ 후면 표지논문으로 게재됐다.
(논문명: High-Efficiency CO2 Electrolysis Enabled by Interface-Engineered Composite Electrolytes in Ni-Based SOEC)

이재형 기자 jh@kukinews.com