국내 연구진이 수소 생산성을 획기적으로 늘린 전극 소재를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 물질을 섞을수록 더 안정화되는 엔트로피 현상을 극대화하는 설계를 통해 전지의 반응 속도와 출력 성능을 크게 향상한 새로운 '산소 전극 소재'를 개발했다고 5일 밝혔다.

산소 전극 소재는 전지에서 수소를 생산할 때 산소가 생성되는 반응을 일어나게 하는 핵심 요소다.

전기 에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하는 기존 '프로톤 전도성 전기화학 전지'는 수소 이온이 내부를 이동하면서 수소를 만들어내는 내부 산소 전극 반응 속도가 느려 성능 향상에 한계가 있었다.

연구팀은 여러 금속 원소를 동시에 섞어 안정된 단일 구조를 만드는 '고엔트로피' 전략을 도입, 전극 구조 안에서 금속 원소가 들어가는 자리(A-site)에 7종의 금속 원소(Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr 등)를 동시에 도입한 '고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극'을 설계했다.

다양한 금속이 뒤섞이면서 전극 내부의 전하 이동과 산소 관련 반응이 더욱 원활해지고, 전기 생산과 수소 생성 반응이 빨라졌다.

전극 내부에서 산소 결함 형성 에너지는 기존보다 60% 이상 낮췄고 수소 이온 이동 속도는 기존보다 7배 향상됐다.

이는 전극 내부에서 수소가 생성되는 과정이 훨씬 빠르게 진행될 수 있는 것을 의미한다.

실제 새 전극을 적용한 전지를 활용했을 때 수소 생산 성능도 약 3배 향상됐다고 연구진은 설명했다.

이강택 교수는 "엔트로피라는 열역학 개념을 활용해 전극의 반응성을 제어할 수 있음을 보여준 연구 결과"라며 "그린수소 생산 효율을 크게 높여 수소경제 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 기대했다.