국내 대학 연구진이 ‘고엔트로피 설계’를 적용해 수소 생산 효율을 크게 높이는 기술을 개발했다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 다양한 금속 원소를 혼합한 고엔트로피 설계를 통해 전지의 반응 속도와 출력 성능을 향상시킨 산소 전극 소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)의 성능 한계를 개선하는 데 초점을 맞췄다. 기존에는 산소 전극에서 반응 속도가 느려 전체 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 금속 원소를 다수 혼합해 무질서도를 높이는 ‘고엔트로피’ 전략을 적용했다. 일반적으로 물질을 섞으면 불안정해지지만, 특정 조건에서는 오히려 구조가 안정화되고 반응성이 높아지는 점에 착안한 것이다.

이에 따라 Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr 등 7종 금속을 도입한 ‘고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극’을 설계했다. 이 구조는 전극 내부 전하 이동과 산소 반응을 활성화해 전기 생산과 수소 생성 반응을 동시에 촉진한다.

성능 개선도 확인됐다. 새 전극을 적용한 전지는 650℃에서 기존 대비 약 2.6배 높은 전력 밀도를 기록했고, 수소 생산 성능도 약 3배 향상됐다. 수소 이온 확산 속도는 7배 이상 증가했으며, 500시간 이상 구동에서도 성능 저하가 거의 없었다.

연구팀은 계산 분석을 통해 반응에 필요한 산소 결함 형성 에너지가 기존보다 60% 이상 낮아졌다는 점도 확인했다. 이는 전극 내부에서 반응이 일어나는 환경이 크게 개선됐음을 의미한다.

이강택 교수는 “엔트로피 개념을 활용해 전극 반응성을 제어할 수 있음을 입증했다”며 “그린수소 생산 효율을 높여 수소경제 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 게재됐으며 표지논문으로 선정됐다.