초록 ▼

□ 연구개요
고온 CO₂ 전해전지는 전기분해를 통해 재생 에너지와 산업 폐열을 사용하여 저탄소 연료를 고효율 로 생산할 수 있기 때문에 최근 관심이 높아지고 있습니다. 그 중에서도 CO₂ 환원 반응이 발생하는 연료극 소재는 촉매 활성도가 높아야하며, 안정성을 지니면 서도 전해질과 양립가능 해야 합니다. Perovskite 표면의 실시간 표면금속용출현상은 전기화학적 성능을 증가시킬 수 있는 효율적인 방법 입니다. 환원 분위기 혹은 음극 분극 프로세스에서 촉매능을 지닌 활성 나노 입자는 균일

□ 연구개요
고온 CO₂ 전해전지는 전기분해를 통해 재생 에너지와 산업 폐열을 사용하여 저탄소 연료를 고효율 로 생산할 수 있기 때문에 최근 관심이 높아지고 있습니다. 그 중에서도 CO₂ 환원 반응이 발생하는 연료극 소재는 촉매 활성도가 높아야하며, 안정성을 지니면 서도 전해질과 양립가능 해야 합니다. Perovskite 표면의 실시간 표면금속용출현상은 전기화학적 성능을 증가시킬 수 있는 효율적인 방법 입니다. 환원 분위기 혹은 음극 분극 프로세스에서 촉매능을 지닌 활성 나노 입자는 균일한 크기로 규칙적으로 분포되고 산화물 표면에 닻을 내린 형태로 존재하여 응집에 대한 저항성도 높으며, 산화 환원 사이클을 통해 나노 입자를 재생성 할 수 있습니다. 이러한 연구는 새로운 소재에서 발생하는 현상학적인 관찰과 용출 전후 성능 향상에 초점을 두어, 근본적인 용출 메커니즘이나 조절을 위한 통제변인, 열화 현상 등에 관한 연구와 접목이 될 수 있다면 독창적이고 혁신적인 연구가 가능할 것입니다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도 : 단일 나노금속 용출 조절 연구를 통한 고성능 연료극 개발
표면용출(exsolution)을 통해 형성되는 다양한 단일 금속 (Ni) 나노촉매의 크기와 분포를 조절할 수 있는 인자를 연구하고, 이를 이용하여 높은 촉매 특성을 발현할 수 있는 CO₂ 전해전지용 연료극 신소재 개발에 성공했습니다.
2차년도 : 다종 금속 동시 용출 조절 연구를 통한 고성능 연료극 개발
불균일계(heterogeneous) 도핑을 통해서 이종 원소(Co, Fe) 동시 용출로 합금형 금속 나노촉매가 전극표면에 자기 조립된 고성능 산화물 연료극(Pr_2/3Ba_1/3Co_2/3Fe_2/3Mn_2/3O_5+δ, PBCFM21)을 개발하고 이를 실제 고온 CO₂ 전해전지에 연료극으로써 적용하므로서 높은 전류 성능을 달성했습니다.
3차년도 : 고성능 고온 활성 CO₂ 전해용 신개념 저차원 나노구조 연료극 개발
촉매반응 최적화 및 반응면적 극대화를 위한 새로운 저차원 이중 나노구조 (1-D나노섬유 ＋ 0-D용출나노촉매) 소재(La_0.6Sr_0.4Co_0.15Fe_0.8Pd_0.05O_3-δ, LSCFP)를 개발하고, 이를 연료극 적용하여 고성능의 CO₂ 전해전지를 구현했습니다.
4차년도 : CO₂ 전해전지 제조 기술 다변화 및 멀티스케일 구조분석에 따른 고성능/고안정성 확보
1, 2, 3년차 연구를 기반으로 저차원 이중 나노구조의 전극/전해질 계면 접촉 면적을 극대화 할 수 있는 하이브리드 나노섬유 전극구조체 (H-LSCFP) 기반 고성능/고안정의 CO₂ 전해전지 제작에 성공하였습니다. 뿐만 아니라, 3차원 재구성 기법을 통한 전기화학/미세구조 연계분석으로 해당 구조체가 일반 나노섬유 구조대비 높은 성능을 가지는 원인에 대한 규명을 하였습니다.
위와 같이, 각 차년도 연구를 성공적으로 수행하여 당초에 제시한 정량 목표 (전해성능, CO 생산 속도, 표면금속 용출제어, 전해 효율, 장기 성능 내구성) 모두 초과 달성하였습니다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
1. (사회적/경제적 기대효과) 지구온난화현상을 일으키는 온실가스 중에서 온실효과 기여도가 66% 로 가장 높다고 알려진 CO₂ 배출의 억제를 위한 대비책이 강구되어 이를 분해할 뿐만 아니라 에너지 원으로 환원하여 재활용하는 연구 개발을 필수적입니다. 고온에서 반응성이 높은 CO₂의 물성을 이용해 열적 손실을 최소화하여 우수한 효율로 경제적으로 변환할 수 있는 전해 전지의 활용이 촉망됩니다.
2. (기술적 기대효과) 현실적으로 한계를 보여 왔던 CO₂ 고온전기분해의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 나노입자가 표면용출된 전극(소재)를 개발할 수 있습니다. 이를 바탕으로, 카본 배출량이 작은 합성가스 제조를 통해 CO₂ 연료화 기술을 실용화하는데 크게 앞당길 것입니다.
3. (기술적 기대효과) 본 연구에서 도출된, 나노 촉매 개발 기술은 다양한 촉매 분야에서 크게 활용될수 있습니다. 다양한 센서 촉매, 개질기 등의 탄화수소기반 연료전기 분해 및 합성가스제조 공정, 금속-공기이차전지와 같은 다양한 분야에 적용 연구 및 활용이 가능하여 큰 파급력을 가질 것입니다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1) 1차년도 : 단일 나노금속 용출 조절 연구를 통한 고성능 연료극 개발 ... 4
• 2) 2차년도 : 다종 금속 동시 용출 조절 연구를 통한 고성능 연료극 개발 ... 7
• 3) 3차년도 : 고성능 고온 활성 CO2 전해용 신개념 저차원 나노구조 연료극 개발 ... 9
• 4) 4차년도 : CO2 전해전지 제조 기술 다변화 및 멀티스케일 구조분석에 따른 고성능/고안정성 확보 ... 12
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 15
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 15
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 16
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 40