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미래에너지융합학과 최민기 교수 연구실 이현호 석사과정(제1저자, 지도교수 최민기)이 지난 8월 16일 Chemical Engineering Journal / IF=13.3, JCR: 96.9%, 상위 3.1%(Engineering, Environmental)에 논문을 게재했다. 본 연구는 같은 학과 권형욱 교수 연구팀과의 공동 연구로 진행되었으며, 최민기 교수 연구실의 김진우, 백재완 석사과정이 제2저자로 참여하였다.

해당 논문의 제목은 『Effects of water on the degradations in the Ni-YSZ anode of the direct ammonia solid oxide fuel cells』로, 물에 의한 암모니아 직접주입 고체산화물 연료전지(Direct ammonia solid oxide fuel cells)의 열화 원인 규명을 다루고 있다.

■ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154764

▲연료환경에 따른 구동 후 연료극 표면의 SEM/EDS 분석

또한 기존 SOFC의 연료극은 촉매로 Ni를 주로 사용하는데, 이때 니켈은 암모니아 분해촉매로써도 매우 좋은 성능을 보이고 있기에 암모니아를 연료로 직접 주입하는 암모니아 직접주입 고체산화물 연료전지 (DA-SOFC)에 대한 관심이 높아지고 연구가 진행되고 있다. 

그러나 이러한 DA-SOFC는 고온에서 내구성이 잘 유지가 되는 반면, 저온으로 갈수록 내구성이 급격히 감소하는 단점이 있기에, 이러한 현상을 줄여야 하지만 아직 이러한 열화 현상에 대한 원인 규명도 이루어지지 않아 원인 분석의 필요성 커지고 있다.

▲암모니아 환경에서 물에 의한 니켈의 산화 메커니즘

최민기 교수 연구팀은 물에 의한 암모니아 직접주입 고체산화물연료전지의 열화 현상을 규명하였다. 

연료전지를 구동하면서 부산물로 연료극에 물이 발생하는데 이때 암모니아와 시너지를 일으켜 연료극의 니켈 촉매가 산화되기 때문이다.  산화니켈은 암모니아 분해 촉매 성능이 매우 떨어지기에 성능 열화의 주요한 원인으로 작용하였다. 
기존 수소를 연료로 활용하였을 때도 니켈 촉매가 산화되는 경향도 관찰이 되었지만, 그 정도가 매우 낮으며 암모니아 연료 환경에서 니켈의 산화가 더 급격히 가속화 되는 것을 발견하였다. 

Density Functional Theory (DFT) 계산을 이용하여 암모니아가 니켈촉매에 의해 완벽히 분해되지 못하고 질소 원자가 니켈이 붙어있을 때, 물이 니켈에 더 잘 흡착되고, 니켈의 산화도 가속화시키는 것도 확인했다. 

▲(왼쪽부터) 이현호 석사과정, 최민기 교수, 권형욱 교수

이 연구를 통해 암모니아 환경에서의 DA-SOFC의 열화 메커니즘 규명에 대한 내용을 확보할 수 있었으며, 이는 이후 DA-SOFC의 연료극 개발에 중요한 기반이 되는 역할로 작용할 수 있을 것으로 기대된다.