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충남대-서울대 중심, 국내외 8개 팀 공동연구 성과

고체산화물 연료전지(SOFC) 작동 메커니즘 규명 

공과대학 신소재공학과 김현유 교수팀, 서울대 정우철 교수팀, 미국 University of Texas at Austin의 Graeme Henkelman 교수팀과 미국 Lawrence Berkeley National Laboratory, 한국기초과학연구원, 한국에너지기술연구원, KAIST, 단국대 등 국내외 8개 연구팀이 참여한 공동연구 성과가 ‘Advanced Materials’ 후면표지 논문으로 게재됐다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘Advanced Materials’(IF: 27.4, 상위 2.16 %)에 11월 게재됐으며, 김현유 교수와 서울대 정우철 교수가 공동 교신저자로, 김현유 교수 연구실 졸업생 하현우 박사(포스코 홀딩스)와 한국에너지기술연구원 최윤석 박사가 공동 제1저자로, 최혁 박사 (Nanyang Technological University, Singapore)가 참여저자로 참여했다. 

※ 논문 제목: Unveiling Direct Electrochemical Oxidation of Methane at the Ceria/Gas Interface

고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)는 수소, 메탄과 같은 다양한 기체를 연료로 사용하여 전기를 얻을 수 있다는 장점이 있어 중대형 발전소, 선박 엔진 등에 다각적 활용이 기대되는 에너지 전환 시스템이다. 그러나 현재 SOFC 전극 표면에서 일어나는 산화 반응의 메커니즘과 반응 경로가 명확하게 밝혀지지 않아 SOFC의 성능을 극대화하기 위해 다양한 기초 연구들이 진행되고 있다. 

이에 충남대와 서울대 등 8개 국내외 공동 연구팀은 이번 연구를 통해 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)에서 일어나는 메탄의 직접 산화반응 메커니즘을 규명하는 데 성공했다.

김현유 교수와 정우철 교수 연구팀은 실험과 전자밀도함수이론(Density functional theory, DFT) 계산, 실시간 X-ray 분석기법을 활용해 Sm이 도핑된 세륨산화물 표면에서 일어나는 메탄의 전기화학 산화반응의 메커니즘과 반응에너지, 속도결정 단계를 분석 및 보고했다.

특히, 연구팀은 메탄의 흡착과 분해과정이 세륨산화물 기반 SOFC 연료극에서 일어나는 전기화학 산화반응의 속도를 결정한다는 일반적 견해와 달리, 산화물 표면의 산소가 메탄의 수소와 함께 물을 형성하는 과정이 속도 결정 단계라는 것을 새롭게 밝혀냈다.

김현유 교수는 "이번 연구는 SOFC를 활용해 메탄과 같은 탄화수소를 직접 산화하여 전기에너지를 얻기 위한 기초 이해를 제공하고 있다"며, "이번 연구 결과는 관련 촉매, 전극 소재 디자인과 최적화를 위한 방법론으로 활용될 수 있다"고 말했다.