초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
❖ 최종 목표
전체CO₂분해 및 CH4 생산률을 높이기 위한 복합 나노-다층 전극구조체 기반 저온형 프로톤전도성전해전지 개발
- 최종성능: CO₂분해율: 20%, CH4 전환율: 70％ 달성 @500 ℃.(현재 세계최고 수준-CO₂분해율:10%, CH4 전환율: 50% @500 ℃)
- 최종내구성: CO₂ 분해 및 CH4 생산 전기분해 성능 200 h 유지 @500 ℃.

❖ 전체 내용
[1차년

□ 연구 목표 및 내용
❖ 최종 목표
전체CO₂분해 및 CH4 생산률을 높이기 위한 복합 나노-다층 전극구조체 기반 저온형 프로톤전도성전해전지 개발
- 최종성능: CO₂분해율: 20%, CH4 전환율: 70％ 달성 @500 ℃.(현재 세계최고 수준-CO₂분해율:10%, CH4 전환율: 50% @500 ℃)
- 최종내구성: CO₂ 분해 및 CH4 생산 전기분해 성능 200 h 유지 @500 ℃.

❖ 전체 내용
[1차년도] 초고해상도표면분석장비를 이용한 에피텍셜박막 전극에서의 CO₂ 및 H2O 동시 전기분해를 통한 CO2 분해 및 CH4 생산 메커니즘 규명
■ 에피텍셜박막전극 기반 전극 탐색 및 초고해상도표면분석장비를 활용한 CO₂conversion reaction (CCR) 및 Water oxidation reaction (WOR)의 전기화학 반응메커니즘 분석 및 상관관계 분석
[2차년도] WOR/CCR 반응면적 향상을 위한 나노-다층 전극구조체 합성법 개발
■ WOR/CCR의 반응면적 확장을 위한 다층구조체 합성법 및 구조체의 다공성, 화학상태 등 물리-화학상태 조절법 개발
[3차년도] 반전지 기반 나노-다층구조체 적용 및 CO₂ 분해 및 CH4 생산 성능 평가 및 반응경로 분석
■ 나노-다층구조체가 적용된 반전지 기반, CO₂ 분해 및 CH4 생산 전극의 전기화학적 성능 평가 및 반응 경로 분석
[4차년도] WOR/CCR 반응면적 및 반응성 향상을 위한 복합 나노-다층 전극구조체 합성법 개발
■ WOR/CCR의 반응면적 및 반응성 향상을 위한 촉매 탐색 및 촉매 도포방법 개발, 복합 나노-다층구조체 합성법 개발
[5차년도] 복합 나노-다층 전극구조체가 적용된 단전지 기반 CO₂ 분해 및 CH4 생산 성능 평가
■ 개발된 공기극/연료극에서의 나노-다층구조체가 복합적으로 적용된 CO₂ 및 H2O 동시 전기분해 프로톤전도성전기화학전지 단전지 제작법 개발, 성능/안정성 평가 및 최적화

❖ 1단계
❏ 연구 목표
■ 초고해상도표면분석장비를 이용한 에피텍셜박막 전극에서의 CO₂ 및 H2O 동시 전기분해를 통한 CO₂ 분해 및 CH4 생산 메커니즘 규명
■ WOR/CCR 반응면적 향상을 위한 나노-다층 전극구조체 합성법 개발
■ 반전지 기반 나노-다층구조체 적용 및 CO₂ 분해 및 CH4 생산 성능 평가 및 반응경로 분석
❏ 연구 내용
■ 초고진공증착장비인 PLD 장비를 활용하여 CO₂ 전환 및 H2O 전기분해 에피텍 셜박막의 전극 재료 탐색 및 증착법 개발
■ 초고해상도표면분석장비 (XPS, AP-XPS, AES, STEM, EELS 등)를 활용한 에피텍셜박막전극 표면의 전위금속 환원상태, 성능에 영향을 주는 표면 결함상태, Electronic structure 등의 검출 및 이와 CCR과 WOR를 포함하는 전기화학반응과 CO₂ 분해 및 CH4 생산과의 상관관계 분석
■ 전극내부 반응면적인 삼상경계면 및 전극면적확장을 위하여, 프로톤전도성 전해질 재료와 삼상전도성 더블페로브스카이트 재료 동시 증착법 및 전극 구조 다변화를 통해 나노-다층 전극구조체 개발함
1) 진공증착법 활용 반응면적 확장 전극구조체 개발
■ BZCYYb 기반 프로톤전도성 전해질 재료와 삼상전도성-더블페로브스카이트 전극 재료의 복합재료 PLD 타겟 제작 및 레이져 조사 강도, 증착시 산소 분압(pO2), 냉각 조건 등의 제어를 통한 나노-다층 전극구조체의 다공성, 화학상태 등 물리-화학상태 조절법 개발
2) 용액공정 기반 반응면적 확장 전극구조 및 계면기능층 개발
■ 타겟 재료의 Sol-gel 용액 합성, 전기방사 및 전기분무공정을 활용한 반응면적 확장 전극 및 계면기능층 설계법 개발. 동축 이중-노즐 활용, 유량 및 습도 조절을 통한 전극구조 및 계면기능층의 다변화를 통하여 표면적, 거칠기, 삼상경계면 너비 등의 조절법 개발
■ 공기극/연료극에서의 나노-다층구조체 적용 반전지 제작법 개발, 전기화학적임 피던스 분석법 기반 CO₂ 분해 및 CH4 생산 전극성능 평가 (목표: 기존 전극 성능 대비 분극화 저항 50% 감소 @ 500 ℃)
■ H2O/CO2등 연료분압조절을 통한 Distributed-relaxation time (DRT) 분석을 활용하여 WOR/CCR 반응성 및 CO₂ 분해 및 CH4 생산 반응 경로 분석

❖ 2단계
❏ 연구 목표
■ WOR/CCR 반응면적 및 반응성 향상을 위한 복합 나노-다층 전극구조체 합성법 개발
■ 복합 나노-다층 전극구조체가 적용된 단전지 기반 CO₂ 분해 및 CH4 생산 성능 평가
❏ 연구 내용
■ 개발된 나노-다층 전극구조체 기반의 전극표면에 고활성 촉매 도포 및 표면화학상태 제어 기술공정 적용을 통하여 반응성이 향상된 복합 나노-다층 전극구조체를 개발함
1) 금속촉매 용출법 (Ex-solution)기반 반응성 향상 전극 촉매 도포법 개발
■ WOR/CCR 반응성 향상 및 CO₂ 분해율과 CH4 생산율을 올려 줄 전위금속(Co, Fe, Ni 등) 및 귀금속 촉매 (Rh, Pd, Pt 등)의 도포 촉매 선정 및 금속촉매 용출법을 통한 In-situ 복합 나노-다층 전극구조체 합성법 개발
2) 용액공정 기반 반응성 향상 전극 촉매 도포법 개발
■ Nitrate-전구체기반 환원성 촉매 (Ce, Hf 등) sol-gel 용액 제조 및 침투공정(infiltration)최적화를 통한 전극 구조체 다변화 및 CO₂ 분해율과 CH4 생산율을 향상시킬 복합 나노-다층 전극구조체 합성법 개발
■ 개발된 복합 나노-다층구조체가 적용된 프로톤전도성전해전지 단전지 제작법 개발, CO₂ 분해 및 CH4 생산의 전기화학적성능 및 안정성평가
- 최종성능: CO₂ 분해율: 20%, CH4 전환율: 70％ 달성 @500 ℃.(현재 세계최고 수준-CO₂ 분해율:10%, CH4 전환율: 50% @500 ℃)
- 최종내구성: CO₂ 분해 및 CH4 생산 전기분해 성능 200 h 유지 @500 ℃.

□ 연구성과
■ 프로톤전도체 전해질 화학적 안정화 기반 초고성능 프로톤전기화학전지 단전지 플랫폼 개발

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대 효과
- 프로톤전도성세라믹전지는 최근 전해질 및 전극 재료에 관한 활발한 연구로 인하여 중저온에서도 높은 성능을 보이는 연료전지 타입으로, 고온의 작동환경을 요구하는 고체산화물세라믹전지의 한계를 보완할 수 있는 전지타입으로 학계와 산업계에서 모두 각광 받고 있음.
- 특히 CO₂/H2O 동시분해 프로톤전도성전해전지는 전 세계적으로 초미의 관심을 두고 있는 CO₂ 분해 기술이며, 500 ℃ 이하에서 합성가스인 CO의 생산, 고에너지 연료인 CH4 그리고 H2를 생산해 낼 수 있는 친환경 세라믹디바이스로 미래환경문제를 해결할 수 있는 원천기술임.
- 또한, 프로톤전도성전해전지의 가역반응인 프로톤전도성연료전지 또한 500 ℃ 이하에서 고성능 및 고효율의 전력생산이 가능한 디바이스로 해당 기술 개발 시 연료의 생산이 가능한 전해전지 및 전력의 생산이 가능한 연료전지의 기술까지 국가 에너지 경쟁력을 높일 수 있는 미래에너지 원천 기술을 선점할 수 있음.
- 최근 학계 및 산계에서 급격히 각광 받고 있는 프로톤 전도성전해전지의 연구개발에 있어, 본 연구를 기반으로 한 프로톤 전도성 전극에 대한 심도 있는 연구는 전해전지뿐만 아니라 가스센서, 2차전지, 커패시터 등 다양한 에너지 생산 및 저장 시스템 관련 산업 전반에 기여하는 정도가 매우 클 것으로 예상됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 13
• 1) 연구수행 결과 ... 13
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 14
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 14
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 14
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 15
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 15
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 15
• 끝페이지 ... 25