Pt 및 Pd 2금속 나노촉매를 증착한 탄소나노튜브의 수소저장특성 연구 Hydrogen storage of multiwall carbon nanotube decorated with bimetallic Pt-Pd nano catalysts using thermal vapor deposition원문보기
본 연구에서는 열화학증착법을 이용하여Pt 및 Pd전이금속 촉매를 각각 5nm, 3nm로 탄소나노튜브에 증착하여 수소저장특성을 연구하였다. 제작한 시료를 수소분위기에서 $200^{\circ}C$의 조건에서 1시간동안 열처리한 후 $25^{\circ}C$, 33~34atm의 조건에서 수소저장량을 측정하였다. 이 조건에서 수소저장량은 3.2wt%로 나타났고 동일 조건에서 반복 수행결과 수소저장과 탈착을 반복하여도 3.1wt%의 저장량을 보여 수소저장량의 변화가 거의 없음을 관찰하였다. 그러나 4번째 저장cycle이후에는 수소저장량이 1.5wt%로 급격히 감소하였다. 이는 증착된 전이금속촉매의 조대화로 인해 저장량이 감소함을 확인하였다. 실험결과를 근거로 Pt 및 Pd 2금속을 증착한 탄소나노튜브의 수소저장메커니즘을 제시하였다.
본 연구에서는 열화학증착법을 이용하여Pt 및 Pd 전이금속 촉매를 각각 5nm, 3nm로 탄소나노튜브에 증착하여 수소저장특성을 연구하였다. 제작한 시료를 수소분위기에서 $200^{\circ}C$의 조건에서 1시간동안 열처리한 후 $25^{\circ}C$, 33~34atm의 조건에서 수소저장량을 측정하였다. 이 조건에서 수소저장량은 3.2wt%로 나타났고 동일 조건에서 반복 수행결과 수소저장과 탈착을 반복하여도 3.1wt%의 저장량을 보여 수소저장량의 변화가 거의 없음을 관찰하였다. 그러나 4번째 저장cycle이후에는 수소저장량이 1.5wt%로 급격히 감소하였다. 이는 증착된 전이금속촉매의 조대화로 인해 저장량이 감소함을 확인하였다. 실험결과를 근거로 Pt 및 Pd 2금속을 증착한 탄소나노튜브의 수소저장메커니즘을 제시하였다.
In present work, we study the hydrogen storage of MWNT decorated with bimetallic Pt and Pd nanosize catalysts by Thermal Vapor Deposition [TVD]. The size of Pt and Pd particles is controlled as 5nm, 3nm, respectively by TVD. Before hydrogen storage measurement, the sample was heated for 1hr at ...
In present work, we study the hydrogen storage of MWNT decorated with bimetallic Pt and Pd nanosize catalysts by Thermal Vapor Deposition [TVD]. The size of Pt and Pd particles is controlled as 5nm, 3nm, respectively by TVD. Before hydrogen storage measurement, the sample was heated for 1hr at $200^{\circ}C$ in H2 atmosphere. The Hydrogen sto rage of the sample was performed at room temperature and 33~34atm. The hydrogen storage of this composite showed 3.2wt% at 298K and 34atm, for three times. At 4th cycle, hydrogen storage is decreased to 1.5wt%, owing to the aggregation of bimetallic Pt and Pd nano particles.
In present work, we study the hydrogen storage of MWNT decorated with bimetallic Pt and Pd nanosize catalysts by Thermal Vapor Deposition [TVD]. The size of Pt and Pd particles is controlled as 5nm, 3nm, respectively by TVD. Before hydrogen storage measurement, the sample was heated for 1hr at $200^{\circ}C$ in H2 atmosphere. The Hydrogen sto rage of the sample was performed at room temperature and 33~34atm. The hydrogen storage of this composite showed 3.2wt% at 298K and 34atm, for three times. At 4th cycle, hydrogen storage is decreased to 1.5wt%, owing to the aggregation of bimetallic Pt and Pd nano particles.
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문제 정의
본 연구에서는 열화학증착법을 이용하여 합금이 아닌 Pt 및 Pd 두 가지 전이금속 촉매를 이용하여 2금속촉매로 탄소나노튜브의 표면에 증착하고 이들의 구조 및 수소저장특성을 연구하였다.
본 연구팀에서는 새로운 방법으로 Pt-Pd 합금소스를 이용하여 열화학증착방법으로 탄소나노튜브의 표면에 Pt-Pd 합금 촉매를 증착하여 제작한 시료의 수소저장 특성에 관한 연구결과를 발표하였다.(14) 그 결과 수소저장량은 2.
이 연구에서는 Pt와 Pd 금속촉매 소스를 이용하여 열 화학증착법으로 탄소나노튜브 표면에 각각 5㎚, 3㎚로 증착하여 제작한 시료의 구조특성 및 수소저장특성에 대한 연구를 수행하였다. 증착된 금속은 증착두께를 측정할 수 있는 센서를 이용하여 입자크기를 제어하였다.
제안 방법
chamber내 진공도를 1x10-6torr까지 유지시킨 후 1~2 Å/s의 증착속도로 먼저 Pd를 3nm의 크기로 제어하여 증착하였고, 다시 chamber내 진공도를 1x10-6torr로 맞춘 후 Pt를 5nm의 크기로 증착하였다.
4번째 cycle에서는 수소저장량이 급격히 감소됨을 관찰할 수 있었다. 그 이유를 확인하기 위하여 실험 후 시료를 수거하여 TEM 분석을 수행하였다. 그 결과 입자의 조대화(화학적 반응이나 열적반응에 의해 금속 결정들이 재결정화 되어 결정크기가 커지는 현상)로 인하여 반응성의 감소 및 저장량의 감소가 이루어짐을 확인하였었다.
실험 중 일정 온도를 유지하기 위해 시스템을 항온조에 모두 담근 상태로 실험을 수행하였다. 수소저장 실험 전 시료의 활성화를 위해 수소분위기로 1시간 200℃로 열처리한 후 장치내의 잔존가스를 충분히 배출하 여준 후 실험을 수행하였다.
05%의 오차범위를 갖는 압력변환기가 부착된 멀티미터(FLUKE 45)를 사용 RS-232 인터페이스를 PC에 연결 자동으로 압력을 측정하여 이를 환산) 측정하였다. 수소저장 실험은 상온의 조건에서 33~34atm의 압력으로 실험을 수행하였다. 실험 중 일정 온도를 유지하기 위해 시스템을 항온조에 모두 담근 상태로 실험을 수행하였다.
수소저장량의 측정은 PCT 장치를 이용하여, (체적법 (volumetric method)으로 최대35atm, full scale ±0.05%의 오차범위를 갖는 압력변환기가 부착된 멀티미터(FLUKE 45)를 사용 RS-232 인터페이스를 PC에 연결 자동으로 압력을 측정하여 이를 환산) 측정하였다.
5는 Pt와 Pd 전이금속 촉매를 증착한 탄소나노튜브를 이용하여 상온, 33~34atm의 압력조건에서 수소저장량을 측정한 결과이다. 수소저장실험에 앞서 200℃의 온도에서 1시간 정도 열처리 후 장치 내 가스를 배출하는 전처리 과정을 수행한 후 저장량을 측정하였다. 그림에서 보는 것처럼 동일한 흡착반응성과 저장량에 있어서도 3wt%정도의 우수한 결과를 보이고 있음을 알 수 있다.
수소저장 실험은 상온의 조건에서 33~34atm의 압력으로 실험을 수행하였다. 실험 중 일정 온도를 유지하기 위해 시스템을 항온조에 모두 담근 상태로 실험을 수행하였다. 수소저장 실험 전 시료의 활성화를 위해 수소분위기로 1시간 200℃로 열처리한 후 장치내의 잔존가스를 충분히 배출하 여준 후 실험을 수행하였다.
이는 활성화 정도 및 입자의 크기에 의한 차이라기보다는 합금화에 따른 영향으로 여겨진다. 입자의 크기를 고려하면 이전의 연구에서는 Pt-Pd 합금을 5㎚로 제어하여 증착하였고, 이 연구에서는 더 큰 입자크기인 5~8㎚로 제어하여 저장특성을 관찰하였다. 이전 연구의 결과대로라면 이 연구에서의 금속촉매 입자 또한 수소저장 cycle에 따라 입자가 작아지고 그에 따라 저장량 및 반응성의 향상이 나타나야 하는데 이러한 경향은 나타나지 않았으며, 또한 Pt와 Pd라는 동일 종류의 금속촉매를 사용하였으나 사용한 금속 촉매가 합금 이냐 2금속이냐에 따라 다른 결과를 나타냄을 관찰할 수 있었다.
이 연구에서는 Pt와 Pd 금속촉매 소스를 이용하여 열 화학증착법으로 탄소나노튜브 표면에 각각 5㎚, 3㎚로 증착하여 제작한 시료의 구조특성 및 수소저장특성에 대한 연구를 수행하였다. 증착된 금속은 증착두께를 측정할 수 있는 센서를 이용하여 입자크기를 제어하였다. 초기 수소분위기, 200℃에서 1시간동안 열처리 후 33~34 atm, 25℃의 수소저장 조건에서 3.
증착된 촉매금속의 형상 및 크기의 분석을 위해 FESEM (Hitachi, S-4700)과 TEM (JEOL JEM-2010)을 이용하여 분석하였고 수소저장실험 후 다시 시료를 수집하여 TEM분석을 통해 변화된 촉매의 형상 및 크기를 분석하였다.
증착 후 시료의 급격한 산화를 방지하기 위해 chamber 내 온도가 상온으로 내려갈 때까지 1시간 정도 냉각을 시킨 후 시료를 수집하였다. 충분한 시료를 얻기 위해 이러한 합성공정을 수회 반복하여 시료를 얻었다.
(10-11) 탄소나노튜브를 이용한 수소저장량 향상방안은 크게 세가지 형태로 연구되고 있다. 탄소나노튜브의 표면에 결함을 형성하거나 탄소나노튜브를 절단하여 비표면적을 증가시키기 위한 산처리 및 플라즈마 에칭 등을 사용하는 방법, 전이금속을 이용한 spillover 효과를 통해 저장량을 향상시키는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 향상시키는 방안이다. Huang et.
대상 데이터
실험에 사용한 탄소나노튜브는 JEO사에서 생산한탄소나노튜브를 구입하여 사용하였다. Pt와 Pd 금속나노입자를 증착하기 전에 탄소나노튜브에 잔존하는 성장촉매 및 불순물의 제거를 위해 60%의 HNO3를 사용하여 정제하였다. 1000ml의 비커에 200mL의 탄소나노튜브를 넣은 뒤 HNO3를 채워 1000mL로 맞춘 후 초음파처리를 통해 1h 정도 분산시키고 이후 80℃의 온도를 유지시킨 상태로 24h동안 교반하였다.
Pt와 Pd 금속을 탄소나노튜브의 표면에 증착하기 위해 열화학증착장치를 이용하였다. Pt와 Pd 금속소스는 iTASCO 사의 evaporation source를 구매하여 사용하였다.
Pt와 Pd 금속을 탄소나노튜브의 표면에 증착하기 위해 열화학증착장치를 이용하였다. Pt와 Pd 금속소스는 iTASCO 사의 evaporation source를 구매하여 사용하였다.
실험에 사용한 탄소나노튜브는 JEO사에서 생산한탄소나노튜브를 구입하여 사용하였다. Pt와 Pd 금속나노입자를 증착하기 전에 탄소나노튜브에 잔존하는 성장촉매 및 불순물의 제거를 위해 60%의 HNO3를 사용하여 정제하였다.
성능/효과
이는 탄소나노튜브표면에 증착된 Pt, Pd 금속촉매입자의 조대화로 인해 나타나는 결과로 확인되었다. Pt-Pd 합금촉매를 증착한 시료의 결과와 비교 하였을 때 합금촉매의 경우 수소저장 cycle이 진행되면서 촉매입자가 감소되어 시료의 활성화가 이루어지는 반면 Pt, Pd 2금속촉매의 경우에는 열처리에 의해 활성화 되고 이후 촉매입자의 조대화로 인해 저장량이 감소함을 알 수 있었다.
그 이유를 확인하기 위하여 실험 후 시료를 수거하여 TEM 분석을 수행하였다. 그 결과 입자의 조대화(화학적 반응이나 열적반응에 의해 금속 결정들이 재결정화 되어 결정크기가 커지는 현상)로 인하여 반응성의 감소 및 저장량의 감소가 이루어짐을 확인하였었다.
Pt-Pd합금으로 도핑된 탄소나노튜브의 경우는 수소저장 전 -입자의 미세화 -입자의 조대화의 3단계를 거치면서 수소저장이 진행되었으나,(14) 이 실험에서 채택한 Pt, Pd 2금속촉매로 도핑된 탄소나노튜브는 입자가 미세화 되는 중간단계가 관찰되지 않고 바로 조대화 됨을 볼 수 있었다. 다시 말해서 합금소스를 사용한 경우 입자의 미세화가 이루어지면서 시료가 완전하게 최적의 조건으로 활성되는 것에 반해 각각의 다른 금속소스를 사용하여 합성한 시료의 경우에는 이와 달리 열처리를 통해 시료가 최적화 되어 최대수소저장량을 나타내고 이 후 저장량이 감소하는 2단계의 수소저장특성을 보였다.
그림에서 보는 것처럼 동일한 흡착반응성과 저장량에 있어서도 3wt%정도의 우수한 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 동일조건에서 3번의 반복 실험에서도 저장량의 증가 및 감소가 나타나지 않았고 반응성 또한 거의 동일함을 관찰할 수 있었다. Pt-Pd 합금소스를 이용하여 합금촉매를 증착한 시료의 경우는 수소저장 cycle이 증가함에 따라 입자의 크기가 작아져 수소저장량 및 반응성이 향상되는 모습이 나타났었으나(14), 이 연구에서는 이러한 경향이 관찰되지 않았다.
입자의 크기를 고려하면 이전의 연구에서는 Pt-Pd 합금을 5㎚로 제어하여 증착하였고, 이 연구에서는 더 큰 입자크기인 5~8㎚로 제어하여 저장특성을 관찰하였다. 이전 연구의 결과대로라면 이 연구에서의 금속촉매 입자 또한 수소저장 cycle에 따라 입자가 작아지고 그에 따라 저장량 및 반응성의 향상이 나타나야 하는데 이러한 경향은 나타나지 않았으며, 또한 Pt와 Pd라는 동일 종류의 금속촉매를 사용하였으나 사용한 금속 촉매가 합금 이냐 2금속이냐에 따라 다른 결과를 나타냄을 관찰할 수 있었다.
증착된 금속은 증착두께를 측정할 수 있는 센서를 이용하여 입자크기를 제어하였다. 초기 수소분위기, 200℃에서 1시간동안 열처리 후 33~34 atm, 25℃의 수소저장 조건에서 3.2wt%의 수소저장결과를 얻었고, 반복 실험을 통해 거의 동일한 저장량 및 반응성이 나타남을 확인하였다. 그러나 4번째 수소저장 cycle 이후 저장량은 급격히 감소하여 1.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소나노튜브를 이용한 수소저장량 향상방안은 크게 세가지 형태로 연구되고 있는게 어떤것들이 있는가?
(10-11) 탄소나노튜브를 이용한 수소저장량 향상방안은 크게 세가지 형태로 연구되고 있다. 탄소나노튜브의 표면에 결함을 형성하거나 탄소나노튜브를 절단하여 비표면적을 증가시키기 위한 산처리 및 플라즈마 에칭 등을 사용하는 방법, 전이금속을 이용한 spillover 효과를 통해 저장량을 향상시키는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 향상시키는 방안이다. Huang et.
Pt와 Pd 금속촉매 소스를 이용하여 열 화학증착법으로 탄소나노튜브 표면에 각각 5㎚, 3㎚로 증착하여 제작한 시료의 구조특성 및 수소저장특성에 대한 연구를 수행하여 어떤 결과를 얻을 수 있었는가?
증착된 금속은 증착두께를 측정할 수 있는 센서를 이용하여 입자크기를 제어하였다. 초기 수소분위기, 200℃에서 1시간동안 열처리 후 33~34 atm, 25℃의 수소저장 조건에서 3.2wt%의 수소저장결과를 얻었고, 반복 실험을 통해 거의 동일한 저장량 및 반응성이 나타남을 확인하였다. 그러나 4번째 수소저장 cycle 이후 저장량은 급격히 감소하여 1.5wt%정도의 저장량을 나타내었다. 이는 탄소나노튜브표면에 증착된 Pt, Pd 금속촉매입자의 조대화로 인해 나타나는 결과로 확인되었다. Pt-Pd 합금촉매를 증착한 시료의 결과와 비교 하였을 때 합금촉매의 경우 수소저장 cycle이 진행되면서 촉매입자가 감소되어 시료의 활성화가 이루어지는 반면 Pt, Pd 2금속촉매의 경우에는 열처리에 의해 활성화 되고 이후 촉매입자의 조대화로 인해 저장량이 감소함을 알 수 있었다.
고체수소저장 방법으로 어떤것이 연구되고 있는가?
고체수소저장 방법에서는 탄소재료, MOF와 같은 다공성 물질을 이용한 물리흡착, 금속 수소화물, 금속 착수 소화물 등 금속재료를 이용한 화학흡착에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이중 탄소나노튜브는 경량이면서도 자원이풍부하고 안전하며 낮은 저장비용, 재활용이 가능하여 친환경물질로 연구되어왔다.
참고문헌 (14)
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