고체산화물 연료전지(SOFC) 및 전해전지(SOEC)는 화학 에너지를 전기에너지로, 또는 그 반대로 고효율로 변환할 수 있는 차세대 에너지 변환 시스템입니다. 본 연구실은 이러한 고체산화물 셀의 핵심 소재와 구조적 혁신을 통해 에너지 변환 효율을 극대화하고, 내구성과 경제성을 동시에 확보하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 고온에서 작동하는 SOC의 한계를 극복하기 위해 박막 전해질, 금속 지지체 기반 셀, 그리고 유연한 전해질 소재 개발에 집중하고 있습니다. 박막 SOFC(TF-SOFC)는 RF 스퍼터링 등 첨단 증착 기술을 활용하여 전해질과 전극의 구조를 미세하게 제어함으로써, 낮은 온도에서도 높은 이온 전도도와 전기화학적 성능을 구현합니다. 또한, 금속 지지형 SOC(MS-SOC)는 기존 세라믹 지지체의 취성을 극복하고, 기계적 강도와 내구성을 크게 향상시킵니다. 이러한 구조적 혁신은 소재 비용 절감과 대면적화, 그리고 상용화 가능성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다. 본 연구실은 다양한 전해질 및 전극 소재의 합성, 미세구조 최적화, 그리고 전지 단위의 성능 평가까지 전주기적 연구를 수행하고 있습니다. 이를 통해 수소 생산, 이산화탄소 전환, 암모니아 연료 활용 등 미래 에너지 사회의 핵심 기술을 선도하고 있으며, 국내외 산학연 협력 및 대형 국책과제를 통해 실용화 기반도 함께 구축하고 있습니다.

나노촉매는 연료전지, 전해전지, 금속-공기전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장 장치의 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. 본 연구실은 페로브스카이트 산화물 등 복합 산화물 내에 금속 이온을 도핑하고, 고온 환원 조건에서 자발적으로 나노입자가 표면에 용출(Exsolution)되도록 제어하는 혁신적 촉매 합성 기술을 개발하고 있습니다. 이 과정에서 생성된 나노입자는 지지체 표면에 강하게 고정되어, 기존 상향식(Top-down) 방식 대비 뛰어난 내구성과 촉매 활성, 그리고 코킹 및 황 중독에 대한 저항성을 보입니다. 용출 현상의 핵심 메커니즘인 핵생성, 성장, 소켓팅, 형상 변화 등을 정밀하게 분석하고, 나노입자의 조성, 크기, 분산도, 형상을 제어하는 전략을 연구합니다. 이를 통해 건식 개질, 암모니아 분해, 가스 센싱 등 다양한 열화학 및 전기화학 반응에서 고효율, 고선택성 촉매를 구현하고 있습니다. 특히, 이중 페로브스카이트 구조, 다중 금속 도핑, 표면 개질 등 다양한 소재 설계 기법을 도입하여 촉매의 기능을 극대화하고 있습니다. 이러한 연구는 고체산화물 셀의 전극, 금속-공기전지의 산소 발생/환원 반응(OER/ORR) 촉매, 고온 수전해 전지(MCEC) 등 다양한 에너지 시스템의 성능 향상에 직접적으로 기여하고 있습니다. 또한, 나노촉매의 성장 및 작동 메커니즘에 대한 이론적 모델링과 실험적 검증을 병행하여, 촉매 설계의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

본 연구실은 나노복합체(Nanocomposite) 소재를 기반으로 한 고성능 전극 개발에도 주력하고 있습니다. Ni/YSZ-YSZ, NiFe/YSZ-YSZ, Ni/BZCY-GDC 등 다양한 조성의 나노복합체 전극은 연료 산화 반응의 활성화, 이온 전도성 향상, 그리고 내구성 증진에 중요한 역할을 합니다. Pechini-type 중합 등 첨단 합성법을 활용하여 나노입자의 균일한 분산과 강한 결합을 구현하고, 고온 소결 시 응집을 방지하여 장기 안정성을 확보합니다. 금속-공기전지(Metal-air battery) 분야에서는 산소 발생/환원 반응(OER/ORR)용 촉매 소재 개발에 집중하고 있습니다. 기존의 귀금속 기반 촉매의 한계를 극복하기 위해, 용출 기반 전이금속 나노촉매를 설계하여 높은 전기화학적 활성과 열화학적 안정성을 동시에 달성하고 있습니다. 이를 통해 수전해, 에너지 저장 등 다양한 응용 분야에서 실질적인 성능 개선을 이루고 있습니다. 또한, 용융탄산염형 고온수전해 전지(MCEC) 연구를 통해 고효율 수소 및 이산화탄소 동시 생산 기술을 개발하고 있습니다. 고온에서의 반응 속도 향상, 전극 및 전해질의 내구성 증진, 니켈 산화물 용해 저항성 강화 등 상용화의 장애 요인을 극복하기 위한 소재 및 공정 최적화 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구는 지속가능한 에너지 생산과 탄소중립 사회 실현에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.