수소 에너지는 수소의 높은 에너지 함량과 에너지를 사용한 이후 생기는 부산물이 물만 존재한다는 점에 있어 미래의 청정 고효율 에너지원으로서 각광 받고 있다. 그러나 수소를 에너지원으로서 사용함에 있어 초고압, 극저온의 액체 상태로의 저장환경을 요구한다. 이러한 수소 저장원 문제를 해결하기 위해 상온에서 액체 상태이며 수소함량이 높은 유기계 액체 수소화물을 이용하여 이로부터 수소를 얻고자하는 ...
수소 에너지는 수소의 높은 에너지 함량과 에너지를 사용한 이후 생기는 부산물이 물만 존재한다는 점에 있어 미래의 청정 고효율 에너지원으로서 각광 받고 있다. 그러나 수소를 에너지원으로서 사용함에 있어 초고압, 극저온의 액체 상태로의 저장환경을 요구한다. 이러한 수소 저장원 문제를 해결하기 위해 상온에서 액체 상태이며 수소함량이 높은 유기계 액체 수소화물을 이용하여 이로부터 수소를 얻고자하는 탈수소화 반응 및 촉매 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일반적으로 탈수소화 반응은 주로 백금 같은 귀금속계 촉매가 많이 사용되고 있다. 특히 백금 기반의 촉매는 최근까지 석유화학산업이나 전기화학산업 같은 다양한 산업분야에서 많이 사용되어 왔다. 그러나 촉매의 원재료인 백금의 높은 단가로 인하여 산업용 촉매로의 사용에 있어 경제성 확보가 어렵다는 것이 문제점으로 작용하고 있다. 따라서 백금 기반 촉매의 경제성 확보를 위하여 백금의 사용량을 줄이는 동시에 백금 촉매의 표면적을 늘려 촉매활성을 증진시키는 연구가 진행되고 있다. 나노 기술로 만들어진 입자는 같은 질량의 벌크 상태 보다 상대적으로 증가된 넓은 비표면적을 가질 수 있어 촉매 분야에서도 많이 사용되어 왔다. 특히, 귀금속계 촉매에 대하여 나노촉매의 촉매 활성 표면의 증가는 상대적으로 적은 양을 사용하고도 벌크 상태와 동일 혹은 그 이상의 촉매 활성을 보일 수 있다는 점에서 매우 경제적인 촉매로 각광 받아 왔다. 그러나 일반적으로 나노크기의 촉매제조는 계면활성제를 사용하거나 복잡한 공정에 의해 가능하여 산업적 응용에서 다소 부적합 하다는 한계를 갖고 있었다. 따라서 본 연구에서는 간단하면서도 경제적인 제조 공정인 갈바닉 치환 반응을 이용해 크기가 작고 비표면적이 큰 나노 촉매를 제조하였다. 갈바닉 치환 반응은 환원 전위가 상대적으로 높은 목표 금속 이온과 상대적으로 낮은 환원 전위를 갖는 지지 금속이 수용액 상에서 만났을 때 양론적으로 반응하여 환원 전위가 높은 목표 금속 이온이 금속화 되고, 환원 전위가 낮은 금속이 이온화 되어 지지체 구조나 형태로 목표 원소가 금속의 형태로 정착하게 되는 반응을 말한다. 본 연구는 백금 촉매의 산업적인 경제성 확보를 위하여 백금을 적게 사용하면서 촉매의 표면적을 극대화 할 수 있는 간단한 촉매의 합성법과 제조된 촉매가 데칼린의 탈수소화 반응에 영향을 주는 물성에 대한 연구이다. 구리 금속 나노 입자와 백금 이온 간의 갈바닉 치환법을 이용하여 크기가 작으면서 표면적이 극대화 된 백금 담지 촉매를 제조하였고, 유기계 액체 수소화물인 데칼린을 이용한 탈수소화 반응에 적용하여 촉매 효율 증가를 연구하였다. 이를 위해 다양한 질량 분율의 구리 나노입자가 담지 된 활성탄을 먼저 합성하여 백금과의 갈바닉 치환을 진행시키기 위한 최적의 구리 질량 분율 조건을 선정하였다. 이 후 선정된 질량 분율을 가지는 구리 나노입자와의 치환 반응을 위해 백금 전구체의 양을 조절하여 다양한 담지율을 가지는 백금 담지 촉매를 제조 하였다. 특히, 본 연구에서는 기존의 담지 촉매에서는 제한적으로 이루어졌던 원소분석법을 사용하여 정확한 촉매의 담지량과 이에 근거한 촉매 효율 및 경제성에 대한 연구를 진행하였다. 최종적으로, 간단한 제조공정의 갈바닉 치환 반응을 통해 제조된 탄소 담지 백금 촉매는 적은 양의 백금으로도 데칼린의 탈수소화 반응에서 높은 효율을 가지는 경제적인 촉매임을 확인하였다.
수소 에너지는 수소의 높은 에너지 함량과 에너지를 사용한 이후 생기는 부산물이 물만 존재한다는 점에 있어 미래의 청정 고효율 에너지원으로서 각광 받고 있다. 그러나 수소를 에너지원으로서 사용함에 있어 초고압, 극저온의 액체 상태로의 저장환경을 요구한다. 이러한 수소 저장원 문제를 해결하기 위해 상온에서 액체 상태이며 수소함량이 높은 유기계 액체 수소화물을 이용하여 이로부터 수소를 얻고자하는 탈수소화 반응 및 촉매 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일반적으로 탈수소화 반응은 주로 백금 같은 귀금속계 촉매가 많이 사용되고 있다. 특히 백금 기반의 촉매는 최근까지 석유화학산업이나 전기화학산업 같은 다양한 산업분야에서 많이 사용되어 왔다. 그러나 촉매의 원재료인 백금의 높은 단가로 인하여 산업용 촉매로의 사용에 있어 경제성 확보가 어렵다는 것이 문제점으로 작용하고 있다. 따라서 백금 기반 촉매의 경제성 확보를 위하여 백금의 사용량을 줄이는 동시에 백금 촉매의 표면적을 늘려 촉매활성을 증진시키는 연구가 진행되고 있다. 나노 기술로 만들어진 입자는 같은 질량의 벌크 상태 보다 상대적으로 증가된 넓은 비표면적을 가질 수 있어 촉매 분야에서도 많이 사용되어 왔다. 특히, 귀금속계 촉매에 대하여 나노촉매의 촉매 활성 표면의 증가는 상대적으로 적은 양을 사용하고도 벌크 상태와 동일 혹은 그 이상의 촉매 활성을 보일 수 있다는 점에서 매우 경제적인 촉매로 각광 받아 왔다. 그러나 일반적으로 나노크기의 촉매제조는 계면활성제를 사용하거나 복잡한 공정에 의해 가능하여 산업적 응용에서 다소 부적합 하다는 한계를 갖고 있었다. 따라서 본 연구에서는 간단하면서도 경제적인 제조 공정인 갈바닉 치환 반응을 이용해 크기가 작고 비표면적이 큰 나노 촉매를 제조하였다. 갈바닉 치환 반응은 환원 전위가 상대적으로 높은 목표 금속 이온과 상대적으로 낮은 환원 전위를 갖는 지지 금속이 수용액 상에서 만났을 때 양론적으로 반응하여 환원 전위가 높은 목표 금속 이온이 금속화 되고, 환원 전위가 낮은 금속이 이온화 되어 지지체 구조나 형태로 목표 원소가 금속의 형태로 정착하게 되는 반응을 말한다. 본 연구는 백금 촉매의 산업적인 경제성 확보를 위하여 백금을 적게 사용하면서 촉매의 표면적을 극대화 할 수 있는 간단한 촉매의 합성법과 제조된 촉매가 데칼린의 탈수소화 반응에 영향을 주는 물성에 대한 연구이다. 구리 금속 나노 입자와 백금 이온 간의 갈바닉 치환법을 이용하여 크기가 작으면서 표면적이 극대화 된 백금 담지 촉매를 제조하였고, 유기계 액체 수소화물인 데칼린을 이용한 탈수소화 반응에 적용하여 촉매 효율 증가를 연구하였다. 이를 위해 다양한 질량 분율의 구리 나노입자가 담지 된 활성탄을 먼저 합성하여 백금과의 갈바닉 치환을 진행시키기 위한 최적의 구리 질량 분율 조건을 선정하였다. 이 후 선정된 질량 분율을 가지는 구리 나노입자와의 치환 반응을 위해 백금 전구체의 양을 조절하여 다양한 담지율을 가지는 백금 담지 촉매를 제조 하였다. 특히, 본 연구에서는 기존의 담지 촉매에서는 제한적으로 이루어졌던 원소분석법을 사용하여 정확한 촉매의 담지량과 이에 근거한 촉매 효율 및 경제성에 대한 연구를 진행하였다. 최종적으로, 간단한 제조공정의 갈바닉 치환 반응을 통해 제조된 탄소 담지 백금 촉매는 적은 양의 백금으로도 데칼린의 탈수소화 반응에서 높은 효율을 가지는 경제적인 촉매임을 확인하였다.
Hydrogen energy is attracting attention as a clean and highly-efficient energy source in the future because of the high energy content of hydrogen and the only byproduct of water after using the energy. However, when hydrogen is used as an energy source, it requires a storage environment in ultra-hi...
Hydrogen energy is attracting attention as a clean and highly-efficient energy source in the future because of the high energy content of hydrogen and the only byproduct of water after using the energy. However, when hydrogen is used as an energy source, it requires a storage environment in ultra-high pressure and cryogenic liquid state. To solve the problem in the hydrogen storage, studies on the dehydrogenation reaction and related catalysts have been actively conducted to obtain hydrogen at a room temperature at a high temperature from organic liquid hydrides having a high hydrogen content. For catalyzed dehydrogenation reaction, noble metal catalysts such as platinum are mainly used. In particular, platinum-based catalysts have been widely used in various industrial fields such as petrochemical and electrochemical industry. However, due to the high cost of platinum as a raw material, it is difficult to secure economic efficiency in the use as an industrial catalyst. Therefore, in order to secure the economic efficiency of the platinum-based catalyst, studies have been made to reduce the amount of platinum used and increase the surface area of the platinum catalyst to improve its catalytic activity. Small particles as a result on applying nanotechnology in the synthesis have been used extensively in the catalyst field since they can have a relatively large specific surface area than the bulk counter part of the same mass. Particularly, the increase in catalytically active surface of the noble metal-based catalysts has been regarded as a very economical approach in that it can exhibit the same or higher catalytic activity as that in the bulk state even though a relatively small amount is used. However, in general, the production of nanocatalyst is limited by the use of a surfactant or a complicated process, which is somewhat inadequate for industrial applications. Therefore, in this study, a galvanic replacement reaction was used to produce economical catalysts, which are simple and economic process to prepare nanocatalysts of small size and specific surface area. The galvanic replacement reaction is carried out in such a manner that the target metal ion having a relatively high reduction potential and the supporting metal having a relatively low reduction potential are reacted with each other when they meet in an aqueous solution so that the target metal ion having a high reduction potential is metalized and a supporting metal having a low reduction potential refers to a reaction in which the target element is fixed in the form of supporting metal structures. This study is a study on the simple synthesis of catalysts which can maximize the surface area of catalysts while using less platinum for securing industrial economic efficiency of platinum catalysts and the properties of catalysts which affect the dehydrogenation reaction of decalin. Carbon-supported platinum nanocatalysts with a large surface area were fabricated by using a galvanic replacement method between copper metal nanoparticles and platinum ions. The efficiency of dehydrogenation reaction using decalin was also studied. For this purpose, at first the optimum copper mass fraction was studied by synthesizing various mass fraction of copper nanoparticles onto activated carbon before proceeding with galvanic replacement with platinum ion. Then, platinum nanocatalysts were prepared by controlling the amount of platinum precursor for substitution reaction with copper nanoparticles having a selected mass fraction. Especially, a study on the amount of supported catalyst and the economic efficiency was carried out using the elemental analysis which was nearly done in the conventional studies on supported catalysts. Finally, carbon-supported platinum nanocatalysts by a simple process of galvanic replacement reaction showed highly catalytic performance as well as economic feasibility in the dehydrogenation reaction of decalin by using small amount of platinum.
Hydrogen energy is attracting attention as a clean and highly-efficient energy source in the future because of the high energy content of hydrogen and the only byproduct of water after using the energy. However, when hydrogen is used as an energy source, it requires a storage environment in ultra-high pressure and cryogenic liquid state. To solve the problem in the hydrogen storage, studies on the dehydrogenation reaction and related catalysts have been actively conducted to obtain hydrogen at a room temperature at a high temperature from organic liquid hydrides having a high hydrogen content. For catalyzed dehydrogenation reaction, noble metal catalysts such as platinum are mainly used. In particular, platinum-based catalysts have been widely used in various industrial fields such as petrochemical and electrochemical industry. However, due to the high cost of platinum as a raw material, it is difficult to secure economic efficiency in the use as an industrial catalyst. Therefore, in order to secure the economic efficiency of the platinum-based catalyst, studies have been made to reduce the amount of platinum used and increase the surface area of the platinum catalyst to improve its catalytic activity. Small particles as a result on applying nanotechnology in the synthesis have been used extensively in the catalyst field since they can have a relatively large specific surface area than the bulk counter part of the same mass. Particularly, the increase in catalytically active surface of the noble metal-based catalysts has been regarded as a very economical approach in that it can exhibit the same or higher catalytic activity as that in the bulk state even though a relatively small amount is used. However, in general, the production of nanocatalyst is limited by the use of a surfactant or a complicated process, which is somewhat inadequate for industrial applications. Therefore, in this study, a galvanic replacement reaction was used to produce economical catalysts, which are simple and economic process to prepare nanocatalysts of small size and specific surface area. The galvanic replacement reaction is carried out in such a manner that the target metal ion having a relatively high reduction potential and the supporting metal having a relatively low reduction potential are reacted with each other when they meet in an aqueous solution so that the target metal ion having a high reduction potential is metalized and a supporting metal having a low reduction potential refers to a reaction in which the target element is fixed in the form of supporting metal structures. This study is a study on the simple synthesis of catalysts which can maximize the surface area of catalysts while using less platinum for securing industrial economic efficiency of platinum catalysts and the properties of catalysts which affect the dehydrogenation reaction of decalin. Carbon-supported platinum nanocatalysts with a large surface area were fabricated by using a galvanic replacement method between copper metal nanoparticles and platinum ions. The efficiency of dehydrogenation reaction using decalin was also studied. For this purpose, at first the optimum copper mass fraction was studied by synthesizing various mass fraction of copper nanoparticles onto activated carbon before proceeding with galvanic replacement with platinum ion. Then, platinum nanocatalysts were prepared by controlling the amount of platinum precursor for substitution reaction with copper nanoparticles having a selected mass fraction. Especially, a study on the amount of supported catalyst and the economic efficiency was carried out using the elemental analysis which was nearly done in the conventional studies on supported catalysts. Finally, carbon-supported platinum nanocatalysts by a simple process of galvanic replacement reaction showed highly catalytic performance as well as economic feasibility in the dehydrogenation reaction of decalin by using small amount of platinum.
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