서울대학교 공과대학 재료공학부 정우철 교수 연구팀의 논문이 게재된 Energy & Environmental Science의 Outside Back Cover 이미지. 금속 나노촉매에 의한 고체산화물 전지 전극의 산소교환반응 촉진 원리를 형상화했다

같은 은(Ag) 나노촉매라도 전기를 만들 때와 수소를 생산할 때 서로 다른 위치에서 작동한다는 사실이 처음 밝혀졌다. 차세대 고체산화물 전지의 성능을 높일 새로운 설계 원리가 제시된 것이다.

서울대학교 공과대학 재료공학부 정우철·한정우 교수 연구팀은 KAIST 김상욱 교수 연구팀, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 정범균 박사 연구팀과 공동연구를 수행해 고체산화물 전지의 성능을 높이는 은(Ag) 나노촉매의 작동 원리를 규명했으며, 전지가 작동하는 방향에 따라 산소반응이 일어나는 위치와 메커니즘이 달라진다는 사실을 확인했다.

고체산화물 전지는 산소 이온의 이동을 이용해 전기를 생산하거나 물을 분해해 수소를 만드는 차세대 에너지 장치다. 전기와 열을 동시에 생산하는 건물과 공장의 분산형 발전 시스템부터 재생에너지 기반 수소 생산까지 폭넓게 활용될 수 있어 친환경 전력 생산과 수소에너지 활용 확대의 핵심 기술로 주목받고 있다.

이번 연구 결과는 재료·화학 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’(IF:30.5)에 게재됐으며, 우수성을 인정받아 Outside Back Cover 논문으로 선정됐다.

고체산화물 전지의 성능과 수명은 공기극에서 산소가 반응하는 속도에 크게 좌우된다. 지금까지는 실제 전극 내부가 복잡해 나노촉매가 정확히 어느 위치에서 어떤 방식으로 반응을 돕는지 확인하기 어려웠다. 기존 연구를 통해 금속 나노촉매가 전지 성능을 높인다는 사실은 알려져 있었지만, 촉매의 표면과 촉매가 전극과 맞닿는 경계 중 어느 부분이 실제 반응을 주도하는지는 명확하지 않았던 것이다. 또한 전기를 생산하는 과정과 수소를 생산하는 과정에서 촉매가 같은 방식으로 작동하는지도 명확히 밝혀지지 않았다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 구조가 복잡한 실제 전극 대신 구조와 조성이 일정한 모델 전극을 제작하고 크기와 간격이 균일한 금속 나노입자를 규칙적으로 배열해 촉매의 역할을 정밀 분석했다.

먼저 페로브스카이트 산화물로 만든 얇은 전극 위에 은, 코발트, 팔라듐, 백금 등 다양한 금속 나노촉매를 올려 산소반응을 얼마나 효과적으로 촉진하는지 비교했다. 그 결과, 은 나노촉매가 가장 우수한 산소반응 촉진 효과를 보였다.

이어 은 나노입자의 크기와 배열을 체계적으로 바꾼 모델 플랫폼을 제작해 반응 위치를 분석한 결과, 전기를 생산하는 산소환원반응에서는 은 나노입자와 전극이 맞닿는 경계가 길수록 반응이 빨라졌다. 이는 은과 전극이 만나는 경계 부분이 주요 반응 장소라는 것을 의미한다. 반대로 수소를 생산하는 방향의 산소발생반응에서는 은 나노입자의 표면이 넓을수록 반응이 활발해졌다. 이를 통해 은 입자의 표면 자체가 중요한 반응 장소로 작용한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 전압과 산소 농도를 조절하면서 두 반응이 진행되는 과정을 자세히 비교했다. 그 결과, 은 나노촉매는 산소환원반응에서는 산소가 전자를 받아들이는 과정을 돕고, 산소발생반응에서는 산소 원자들이 서로 결합해 산소 분자로 빠져나가는 과정을 촉진하는 것으로 나타났다.

또한 연구팀은 전지가 작동하는 동안 전극 표면의 변화를 관찰할 수 있는 방사광 분석과 원자 수준의 이론 계산을 함께 수행했다. 이를 통해 은 나노촉매가 전극 표면의 전자 상태를 변화시켜 산소환원반응을 촉진하고, 산소발생반응에서는 산소 원자들이 결합하기 좋은 반응 환경을 제공한다는 사실을 확인했다.

이번 연구는 나노촉매가 단순히 반응 속도를 높이는 첨가제가 아니라 작동 조건에 따라 반응 위치와 메커니즘까지 달라질 수 있음을 규명했다는 점에서 의미가 있다. 특히 고체산화물 연료전지와 수전해전지의 공기극을 설계할 때 촉매 표면과 촉매-전극 계면을 각각 최적화해야 한다는 새로운 설계 방향을 제시했다.

이러한 설계 원리가 실제 전지에 적용되면 건물·공장용 분산발전 시스템의 발전 효율을 높이고, 재생에너지로 수소를 생산하는 수전해 장치의 전력 소비를 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다. 나아가 동일한 장치에서 전력 생산과 수소 생산을 모두 수행하는 가역형 고체산화물 전지의 상용화를 앞당겨 가정과 산업 현장에서 에너지를 보다 효율적으로 생산·저장하는 기반 기술로 활용될 전망이다.

또한 연구팀이 개발한 정밀 나노입자 배열 모델 전극은 촉매가 실제로 어느 위치에서 어떤 방식으로 작동하는지를 구분해 분석할 수 있는 연구 플랫폼이다. 이 플랫폼은 고체산화물 전지뿐 아니라 수소 생산 장치, 다양한 전기화학 에너지 변환 장치, 산소 분리 기술 등 산소반응을 활용하는 여러 분야의 작동 원리를 밝히는 데 활용될 수 있다.

연구를 지도한 정우철 교수는 “이번 연구는 나노촉매의 성능뿐 아니라 실제 반응이 일어나는 위치와 작동 원리를 정량적으로 규명했다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 다양한 에너지 변환 소재와 촉매 시스템에 적용할 수 있는 새로운 설계 원리로 확정해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

본 연구를 주도한 김진욱 박사는 현재 미국 노스웨스턴대학교에서 박사후연구원으로 연구를 수행하고 있으며, 서울시립대학교 신소재공학과 조교수로 부임할 예정이다. 향후에도 나노촉매와 고체산화물 전지의 반응 원리를 규명하고 이를 고효율 에너지 변환 소재 및 소자 개발로 확장하는 후속 연구에 매진할 계획이다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다(RS-2024-00452853, RS-2025-00521316). 또한 포항가속기연구소 및 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 KBSI-PAL 8A2 AP-XPS 빔라인에서 방사광 기반 상압 광전자분광 분석을 수행했다.