"전기로 CO₂ 자원화"…화학연, SOEC 내구성 한계 깼다[과학을읽다]

고온서 갈라지던 전해질 계면 해결…CO₂ 처리 성능 3.6배 향상
항공유·플라스틱 원료 생산 기대…산업용 탄소자원화 상용화 성큼

이산화탄소(CO₂)를 전기로 분해해 항공유와 플라스틱 원료로 바꾸는 차세대 탄소자원화 기술이 상용화 문턱에 한 걸음 더 다가섰다.

한국화학연구원(KRICT)은 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀이 니켈 기반 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 최대 난제로 꼽히던 고온 내구성 문제를 해결하고, CO₂를 일산화탄소(CO)로 고효율 전환하는 제조 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

고체 산화물 전해셀을 이용한 이산화탄소의 전기화학적 환원공정 모식도. 연구팀 제공

SOEC는 CO₂에 전기를 가해 CO로 전환하는 장치다. 생산된 CO는 수소와 결합해 합성가스를 만들 수 있으며, 이는 지속가능항공유(SAF), 메탄올, 플라스틱, 산업용 화학소재 생산의 핵심 원료로 활용된다. 배출된 탄소를 다시 산업 원료로 활용하는 대표적인 탄소 순환 기술로 주목받고 있다.

기존 SOEC의 가장 큰 문제는 고온 운전 과정에서 발생하는 전해질 계면 박리 현상이었다. 최근 고성능 SOEC는 산소 이온 전도체인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 가돌리늄 도핑 세리아(GDC)를 함께 사용하는데, 두 소재의 열팽창률 차이로 인해 반복적인 수축·팽창이 발생하면서 층 사이가 갈라졌다. 이는 장기 운전 시 성능 저하와 수명 단축의 원인으로 꼽혀왔다.

일반구조 대비 계면제어형 복합 전해질 층에 의해 향상된 계면 안정성 및 전환 효율 차이 비교 모식도. 연구팀 제공

연구팀은 두 전해질 사이에 복합 중간층을 삽입해 이 문제를 해결했다. 서로 다른 소재 사이에 '완충 쿠션층'을 넣어 열변형 차이를 흡수하도록 한 것이다. 특히 고가 증착장비 대신 용액에 담갔다 빼는 딥 코팅(Dip-coating) 공정을 적용해 대면적 제조 가능성까지 확보했다.

성능 개선 효과도 컸다. 단위 면적당 CO₂ 처리 속도를 의미하는 전류밀도는 기존 0.59 A/cm²에서 2.14 A/cm²로 약 3.6배 향상됐다. 연구팀은 "니켈 기반 SOEC 가운데 세계 최고 수준의 CO₂ 처리 성능"이라고 설명했다.

또 전기가 실제 CO₂ 전환 반응에 사용된 비율을 의미하는 패러데이 효율도 높은 수준을 유지했다. 개발된 SOEC는 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 뒤에도 초기 성능의 91%를 유지하며 높은 내구성을 입증했다.

화학연 연구팀. 왼쪽부터 박지훈, 이진희 책임연구원, 루스탐 율다셰프 화학연-UST 학생연구원, 김민철 선임연구원, 곽종민, 남원빈 석사후연구원. 화학연 제공

연구팀은 현재 동전 크기의 소형 셀에서 성능을 검증했으며, 향후 핸드폰 크기의 평관형 셀로 확대 적용 연구를 진행 중이다. 대형 스택 제작과 재생에너지 연계 기술까지 확보되면 산업용 CO₂ 자원화 설비로 확장될 가능성이 크다는 설명이다.

한국화학연구원 신석민 원장은 "고체산화물 전기분해장치의 CO₂ 전환 효율과 상용화를 가로막던 내구성 문제를 동시에 해결한 성과"라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 Advanced Science 2026년 3월호 후면 표지논문으로 게재됐다. 화학연-과학기술연합대학원대학교(UST) 학생연구원 루스탐 율다셰프(Rustam Yuldashev)가 제1저자로 참여했으며, 이번 연구는 화학연 기본사업과 환경부 한국환경산업기술원 지원 사업을 통해 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr