▲ (a) 산소공공(Vӧ) 형성 반응과 수화 반응 모식도. 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 분석한 (b) PBSCF와 PLNNCBSCF 두 소재에서의 Vӧ 형성 에너지와 수화 반응 에너지 비교. (c) 기존 소재와 고엔트로피 신소재의 A-O 방사 분포 함수, (d) 전자밀도분포. (e) 산소 환원 반응, 산소 발생 반응 경로 에너지 변화.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

기존 상식을 뒤집는 ‘많이 섞을수록 더 강해지는’ 설계가 수소 생산 효율을 획기적으로 끌어올렸다. 국내 연구진이 고엔트로피 개념을 적용한 차세대 전극 소재를 개발하며, 그린수소 상용화의 핵심 병목으로 지적돼 온 반응 속도 문제를 정면 돌파했다.

KAIST 기계공학과 이강택 교수 연구팀은 7종의 금속을 동시에 도입한 ‘고엔트로피 이중 페로브스카이트 산소 전극’을 개발해 수소 생산 성능을 기존 대비 약 3배 향상시켰다고 밝혔다.

그린수소는 물을 전기분해해 탄소 배출 없이 생산하는 친환경 에너지로, 탄소중립 시대의 핵심 기술로 주목받고 있다. 특히 프로톤 전도성 전기화학 전지(PCEC)는 높은 효율로 기대를 모으고 있지만, 산소 전극에서의 느린 반응 속도가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘고엔트로피 설계’ 전략을 도입했다. 일반적으로 여러 금속을 혼합하면 구조가 불안정해지지만, 특정 조건에서는 오히려 엔트로피 증가로 안정한 단일 구조가 형성되는 현상이 발생한다. 연구팀은 이 원리를 활용해 Pr, La, Na, Nd, Ca, Ba, Sr 등 7종 금속을 전극 구조에 동시에 도입했다.

그 결과 전극 내부에서 전하 이동과 산소 반응이 크게 활성화됐다. 특히 밀도범함수이론(DFT) 분석 결과, 반응이 일어나는 ‘산소 결함’ 형성 에너지가 기존 대비 60% 이상 감소해 반응 환경이 획기적으로 개선된 것으로 나타났다. 또한 TOF-SIMS 분석에서는 수소 이온 확산 속도가 7배 이상 증가해, 수소 생성 반응이 훨씬 빠르게 진행됨이 확인됐다.

성능 개선 효과도 뚜렷했다. 해당 전극을 적용한 전지는 650℃ 조건에서 전력 밀도 1.77 W/cm²를 기록하며 기존 대비 약 2.6배 향상된 성능을 보였고, 수소 생산량 역시 약 3배 증가했다. 동시에 500시간 이상 장시간 구동에서도 성능 저하가 1% 미만에 그쳐, 높은 안정성까지 확보했다.

이강택 교수는 “엔트로피라는 열역학 개념을 소재 설계에 적용해 전극 반응성을 근본적으로 개선한 연구”라며 “그린수소 생산 효율을 크게 높여 수소경제 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다.

KAIST 기계공학과 오세은 박사과정, 한국지질자원연구원 정인철 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 게재됐으며, 연구의 혁신성과 파급력을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

수소 생산 효율과 안정성을 동시에 확보한 이번 성과는 단순한 소재 개발을 넘어, 에너지 전환 시대의 핵심 인프라 기술로 평가된다. 향후 대규모 수소 생산 시스템에 적용될 경우, 친환경 에너지 시장의 판도를 바꿀 가능성도 제기된다.

논문명은 Unveiling Entropy-Driven Performance Enhancement in Double Perovskite Oxygen Electrodes for Protonic Ceramic Electrochemical Cells이다.