이번 성과는 수소를 대체할 차세대 무탄소 에너지원으로서 암모니아의 가능성을 크게 확대한 연구로, 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 현지 시각으로 15일 게재됐다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 연료의 화학 에너지를 전기로 전환하는 친환경 발전 장치다.

일반적으로 수소가 주로 사용되지만, 극저온(-253℃)에서 액화하거나 고압으로 저장해야 하는 등 비용과 인프라 부담이 크다.

반면 암모니아는 상온에서도 액화가 쉽고 에너지 밀도가 높으며, 탄소를 포함하지 않아 연소 시 이산화탄소가 발생하지 않는다.

그러나 암모니아를 직접 연료로 사용할 경우, 전극 표면에서의 빠른 분해와 고온 부식 환경에 대한 내구성 확보가 과제로 남아 있었다.

특히 기존 니켈(Ni) 전극은 암모니아와 반응하면서 금속 입자가 뭉치고 전극이 갈라지는 문제로 성능 저하가 발생했다.

화학공학과·배터리공학과 김원배 교수와 화학공학과 통합과정 하중섭 씨 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘바륨(Ba)’과 ‘철(Fe)’을 결합한 새로운 전극 소재를 개발했다.

바륨은 강한 염기성을 바탕으로 철 나노입자에 전자를 공급해 암모니아 속 질소 원자를 쉽게 분리하며, 철 나노입자는 전극 표면에서 촉매로 작용해 암모니아를 전기로 전환하는 반응을 촉진한다.

또한 바륨이 전극의 격자 구조를 강화해 철 나노입자가 고르게 분포할 수 있는 안정적 환경을 제공했다.

실험 결과, 바륨이 도입된 전극은 기존 전극 대비 약 25% 높은 최대 전력밀도(1.02W/㎠)를 기록했으며, 200시간 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정적인 내구성을 보였다.

투입된 암모니아가 모두 반응해 남지 않는 100% 분해 효율을 달성하며, 완전한 연료 활용이 가능함을 입증했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부 중견연구사업, ‘그린 암모니아 사이클링 선도연구센터’의 지원을 받아 수행됐다.