울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학부 김건태 교수 연구팀이 수소이온(양성자)이 얼마나 빠르게 이중층 페로브스카이트(Perovskite) 물질을 통과하는지를 알려 주는 정량 지표를 최초로 계산했다고 밝혔다.

이중층 페로브스카이트는 차세대 연료전지인 '양성자 세라믹 연료전지'(PCFC)의 양극 소재로 주목받는 물질이다.

양극 내에서 수소이온의 확산 특성은 연료전지 성능에 영향을 준다.

▲ 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학부 김건태 교수(왼쪽)와 성아림 연구원.

그런데 수소이온은 작고 가벼울 뿐만 아니라 다른 전도 입자와 상호 작용을 잘하기 때문에 수소이온 외에도 산소이온과 전자가 통하는 이중층 페로브스카이트 내에서는 독립적인 움직임을 알기 어려웠다.

이에 연구팀은 수소이온만 골라 추적할 수 있는 기법을 이용했다.

연구팀은 수소를 더 무거운 동위 원소인 중수소로 바꾼 뒤 고온을 이용해 중수(중수소가 많이 포함된 물)를 이중층 페로브스카이트에 주입했다.

이어 이중층 페로브스카이트 절단면을 훑어가면서 중수소 이온의 농도 변화를 측정했다.

단면 위치별로 농도 차이를 이용하면 수소이온이 얼마나 빠르게 이동하는지를 간접적으로 알 수 있다고 연구팀은 설명했다.

중수소 이온 농도 측정에는 2차 이온 질량분석법을 이용했다.

이온 광선을 이중층 페로브스카이트에 충돌시킨 뒤 튕겨 나오는 이온을 분석해 구성 원소 종류와 농도를 파악하는 기법이다.

김건태 교수는 "개발한 측정법은 이중층 페로브스카이트를 포함하는 삼중 전도성 산화물(수소이온 외 전자와 다른 이온이 통과할 수 있는 물질)에 적용이 가능하다"며 "삼중 전도성 산화물을 이용한 촉매와 에너지저장장치 개발의 토대를 마련한 연구"라고 말했다.

이번 연구에는 영국 임페리얼칼리지런던의 시바프라카시 생고단 교수, 미국 조지아텍의 메이린 리우 교수, 금오공대 최시혁 교수 등도 참여했다.

연구 결과는 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science) 온라인판에 3월 25일 자로 게재됐다.

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