[더팩트ㅣ대전=이병수 기자] 국립한밭대학교는 김정현 신소재공학과 교수 연구팀이 대칭형 고체산화물 연료전지(Symmetrical Solid Oxide Fuel Cell, SSOFC)에 적용 가능한 코발트 프리(Co-free) 층상 페로브스카이트 전극 소재를 대상으로 망간(Mn) 치환 비율에 따른 전기화학적 성능, 전기전도도 및 구조 안정성 변화를 체계적으로 분석해 상관관계를 규명한 연구 결과를 발표했다고 5일 밝혔다.
고체산화물 연료전지는 공기극과 연료극에 서로 다른 소재를 적용해야 하는 한계가 있으며 이를 개선하기 위해 하나의 전극 소재로 산화·환원 분위기에서 모두 작동하는 대칭형 SSOFC를 제안했다.
이번 연구는 임유리 석사과정생이 제1저자로 참여했으며 재료과학 분야 국제 저명 학술지인 'Ceramics International' 온라인에 'Electrochemical properties of layered perovskite for the electrode of symmetrical solid oxide fuel cells'라는 제목으로 지난달 30일 게재됐다.
연구팀은 SmBa(Fe1-xMnx)2O5+d(X=0, 0.1, 0.3, 0.5) 조성의 층상 페로브스카이트 산화물을 합성하고, LSGM(LaGaO3 신소재) 전해질 기반 반전지를 이용해 공기 및 수소 분위기에서 전기화학 임피던스 특성을 분석했다.
그 결과 SmBa(Fe0.9Mn0.1)2O5+d 조성이 전 온도 영역에서 비교 조성 대비 낮은 면적비저항(ASR)을 나타내며 공기와 수소 분위기 모두에서 상대적으로 균형 잡힌 전극 반응 특성을 보였다.
또한 전기전도도 측정 결과 공기 및 질소 분위기에서는 Mn 함량 증가에 따라 전도도가 감소하는 경향이 관찰됐으며 이는 Fe–O–Fe 결합 대비 Mn 치환에 따른 궤도 중첩 감소 및 정공 농도 변화와 연관됨을 확인했다.
반면 수소 분위기에서는 소량의 Mn 치환(X=0.1)이 전기전도도 향상에 기여함을 확인했으며 초기 가열 과정 중 약 450℃ 부근에서 전도도 급감 현상이 관찰됐다.
X선 회절 분석을 통해 해당 온도 영역에서 환원 분위기에서만 발생하는 입방정계(cubic)에서 사방정계(orthorhombic)로의 구조 전이가 확인됐으며 이는 전도도 변화와 직접적으로 연계된 구조적 요인임을 밝혔다.
이후 고온 영역에서는 전도도가 다시 증가하며 반복 열사이클 실험에서도 구조 및 전기적 특성이 안정적으로 유지됨을 확인했다.
김정현 교수는 "이번 연구를 통해 층상 페로브스카이트 전극에서 Fe/Mn 치환 비율 조절이 전기화학 성능과 전기전도도, 구조 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명할 수 있었다"며 "특히 산화 및 환원 분위기 모두에서 작동 가능한 대칭형 고체산화물 연료전지 전극으로서 소량의 Mn 치환이 산소 환원 반응과 수소 산화 반응에 대해 균형 잡힌 성능을 발현함을 확인한 점이 이번 연구의 핵심 성과"라고 강조했다.
임유리 석사과정생은 "Fe/Mn 치환 비율에 따라 전기전도도와 전극 반응 특성이 뚜렷하게 변화한다"며 "특히 환원 분위기에서 발생하는 구조 전이와 전기전도도 변화의 연관성을 실험적으로 규명한 것이 중요한 결과로 이를 통해 대칭형 고체산화물 연료전지 전극 조성 설계에 활용 가능한 분석 결과를 제시했다"고 밝혔다.
한편 이번 연구는 국립한밭대와 랭커스터대, HnPower, 브루나이다루살람대가 공동으로 참여했으며 과학기술정보통신부 '충청권 분산 에너지 대응 에너지기술공유대학' 및 교육부와 한국연구재단의 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.
tfcc2024@tf.co.kr
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