[논문]수소 발생을 위한 암모니아 보레인의 열분해

이지홍; 이현주; 안병성; 김창수

수소 발생을 위한 암모니아 보레인의 열분해
Thermal Decomposition of Ammonia Borane for $H_2$ Release 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.19 no.4, 2008년, pp.299 - 304

이지홍 (성균관대학교 화학공학) , 이현주 (한국과학기술연구원 청정에너지 연구센터) , 안병성 (한국과학기술연구원 청정에너지 연구센터) , 김창수 (한국과학기술연구원 청정에너지 연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal decomposition of Ammonia Borane have been investigated with various analytical methods including TGA, TP-MS, DSC. By-products such as aminoborane and borazine were identified during hydrogen release by TGA, TP-MS analysis. $H_2$ release amount was measured at each temperature isothermally, which resulted in 7 wt% $H_2$ release at 130$^{\circ}C$. Moreover, higher temperature enhanced hydrogen release kinetics leading to shortened induction period from 20 min at 95$^{\circ}C$ to 0 min at 130$^{\circ}C$. Melting and decomposition at close temperature (4$^{\circ}C$ difference) caused the formation of thin foam during hydrogen release. Suppression of by-products and thin foam formation during hydrogen release is suggested as critical issues to realize chemical hydrogen storage system with ammonia borane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 암모니아 보레인의 열분해 과정의 특성과 수소발생량에 대한 연구결과를 제시하며, 이를 바탕으로 향후 실질적인 수소저장 시스템 구현을 위한 해결과제에 대하여 논하고자 한다.

제안 방법

Furnace 내부에 암모니아 보레인을 위치한 후 50 °C에서 500 °C 사이에서의 기체생성물을 분석하기 위하여 연결된 MS의 scanning mode 상태에서 발생되는 모든 기체를 모니터링하였다.
flow rate 65.0 ml/min의 헬륨분위기에서 1°C/min의 조건으로 승온과정에서 발생하는 기체생성물의 성분을 분석하기 위하여 TP-MS (temperature programmed mass spectroscopy, PFEIFFER vacuum prisma)를 이용하였다.
열분해과정에서 발견되는 상변화를 측정하기 위하여 DSC (differential scanning calorimeter, DSC 2010, TA instruments)를 이용하여 0.7880 mg 암모니아 보레인의 1°C/min의 승온조건으로 온도에 따른 열의 출입량을 50 ml/min의 질소분위기에서 측정하였다.
온도에 따른 물질의 무게 변화를 분석하기 위하여 TGA (thermogravimetric analysis, TGA 2050, TA instruments)를 이용하여 50 ml/min의 질소분위기에서 4.549 mg의 암모니아 보레인 시료를 이용하여 1°C/min 의 승온조건으로 25°C에서 500°C 까지의 무게 변화를 측정하였다.
2 와 같은 장치를 이용하였다. 이 장치는 온도 조절을 위하여 squalan 을 열전달매체로 사용한 oil-bath 내부에 암모니아 보레인 (0.05g, 1.62mmol)이 들어있는 10mm 튜브를 설치하고, 생성되는 가스 중에서 수소 이외의 물질을 분리하기 위하여 water trap을 설치한 후 trap을 통과한 기체의 시간대별 부피변화를 bubble meter (burette)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 암모니아 보레인은 Aviabor (Russia, 100 %)사에서 구입하였으며, 구매한 시료는 별도의 처리없이 사용하였다.

성능/효과

끓는점이 낮은 기체의 발생은 위 두 분석을 통하여 그 성분을 확인하였으며, 고체상으로 존재하는 물질의 경우는 XRD분석 결과 반응 전 결정구조를 가졌던 암모니아 보레인이 비정질의 polymeric 형태의 구조를 가지는 물질로 변화되었음이 확인되었다.
온도에 따른 암모니아 보레인의 무게변화를 측정한 결과 Fig. 3 에서 보는 바와 같이 125°C에서 19 %의 무게 감소를 보였으며, 그 후 온도가 상승함에 따라 서서히 무게가 감소하여 170°C에서 30%의 무게 감소를 보이며 그 후로는 온도 상승에도 불구하고 무게변화는 보이지 않았다.
위에서 보인 TGA와 TP / MS의 결과를 바탕으로 온도에 따른 열분해 생성물을 살펴본다면, 100 -120°C의 TGA 무게감소 구간에서는 대부분의 생성물이 수소이며, borazine 또한 생성됨을 알 수 있다.

후속연구

TGA 및 TP-MS의 결과를 바탕으로 본다면 더 높은 온도에서 더 많은 양의 수소 발생이 가능함을 추론해낼 수 있다.
이러한 고체상의 nucleation 기간의 최소화를 위한 다양한 시도를 통해 열분해 온도의 강하 및 수소발생량 증가를 가져올 수 있을 것이다. 현재 이온성 액체⁵⁾, 촉매⁶⁾ 등을 이용하여 nucleation에 소요되는 induction period 구간을 줄이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 저장시스템 개발의 가시적인 목표는?	미래 청정 에너지 저장 수단으로 제시되고 있는 수소 이용의 현실화를 위하여 해결해야할 난제들 중에서 안전하고 효과적인 수소의 저장이 주요 선결과제로 제시되고 있다. 수소 저장시스템 개발의 가시적인 목표로는 수송용 연료 대체를 위하여 기존 가솔린 연료탱크와 동일한 중량, 부피, 운행거리를 가지는 수소저장시스템을 구현하는 것으로 현재 전 세계적으로 다양한 연구가 진행되고 있다. 대표적인 방법으로는 압축탱크, 액화수소, 금속수 소화물, 흡착법, 수소저장 화합물 등이 있다.
	수소저장시스템을 구현하는 방법에는 무엇이 있는가?	수소 저장시스템 개발의 가시적인 목표로는 수송용 연료 대체를 위하여 기존 가솔린 연료탱크와 동일한 중량, 부피, 운행거리를 가지는 수소저장시스템을 구현하는 것으로 현재 전 세계적으로 다양한 연구가 진행되고 있다. 대표적인 방법으로는 압축탱크, 액화수소, 금속수 소화물, 흡착법, 수소저장 화합물 등이 있다. 이 가운데 미국에너지부 (DOE) 2015년 최종 저장 목표인 9 wt% 수소저장 시스템 용량을 충족시킬 수 있는 방법으로는 현재 화학적인 수소저장법이 가장 근접해 있다.
	화학적 수소저장 물질의 특징은?	화학적 수소저장 물질은 화학적 결합을 통하여 수소가 저장되어 있으므로 물리적 결합인 압축 및 액화의 방식보다 높은 밀도의 수소저장 능력을 보이며, 낮은 압력의 시스템 구현이 가능하므로 요구되는 시스템의 무게 또한 감소될 수 있다. 이러한 화학적 수소 저장 후보 물질 가운데 수소함유량이 19.

참고문헌 (6)

Carole Read, Grace Ordaz, Ned Stetson, George Thomas, Jesse Adams, Jim Alkire, Paul Bakke, and Sunita Satyapal, ' Hydrogen Storage Session Review,' 2007 DOE hydrgoen program merit review and evaluation meeting, 2007
Anna Gutowska, Liyu Li, Yongsoon Shin, Chongmin M. Wang, Xiaohong S. Li, John C. Linehan, R. Scott Smith, Bruce D. Kay, Benjamin Schnid, Wendy Shaw, Maciej Gutowski, and Tome Autrey, 'Nanoscaffold Mediates Hydrogen Release and the Reactivity of Ammonia Borane,' Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 44, 2005, pp. 3578-3582

상세보기
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상세보기
Ashley C. Stowe, Wendy J. Shaw, John C. Linehan, Benjamin Schmid and Tom Autery, 'In-situ Solid State $^{11}B$ MAS-NMR Studies of the Thermal Decomposition of Ammonia Borane: Mechanistic Studies of the Hydrogen Release Pathways from a Solid State Hydrogen Storage Material,', Phys. Chem. Chem. Phys., Vol. 9, 2007, pp. 1831-1836

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Martin E. Bluhm, Mark G. Bradle3y, Robert Butterick III, Upal Kusari, and Larry G. Sneddon, 'Amineborane-Based Chemical Hydrogen Storage: Enhanced Ammonia Borane Dehydrogenation in Ionic Liquids,' J. Am. Chem. Soc., Vol. 128, 2006, pp. 7748-7749

상세보기
Fangy Cheng, Hua Ma, Yueming Li, and Jun Chen, ' $N_{1-x}Pt_x(x0-0.02)$ Hollow Spheres as Catalysts for Hydrogen Generation from Ammonia Borane,' Inorg. Chem., Vol. 46, 2007, pp. 788-794

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