[논문]자전연소합성법으로 제조한 80wt% AB2-15wt% Mg-5wt% Mm 금속수소화물의 cycling특성

허태홍; 한정섭

doi:10.7316/khnes.2011.22.5.634

자전연소합성법으로 제조한 80wt% AB2-15wt% Mg-5wt% Mm 금속수소화물의 cycling특성
Cycling Properties of 80wt% AB2-15wt% Mg-5wt% Mm Metal Hydride made by Hydriding Combustion Synthesis 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.5, 2011년, pp.634 - 640

허태홍 (동아대학교 대학원 신소재공학과) , 한정섭 (동아대학교 대학원 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of cycling on the absorption and desorption characteristics of the 80 wt% $AB_2$-15 wt% Mg-5 wt% Mm system was investigated. The material was made by Hydrogen Combustion Synthesis. The cycling experiment was performed at 298 K, 30 atm for 15 min. During the reaction time, the amount of absorption was fully desorbed. After the full activation, the hydrogen storage capacity was 1.57 wt% and the capacity was maintained until 50 cycles. And the reaction rate does not change with an increase in the number of cycles. This material has good durability and reversible feature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그 결과 반응속도와 수소저장량이 개선되었으며, 이 재료인 자전연소합성법(hydriding combustion synthesis)에 의해 제조된 80wt% AB2-15wt% Mg-5wt% Mm의 내구성을 수소 흡 · 방출 cycling을 통해 조사하고자 하였다.

제안 방법

80wt% AB2-15wt% Mg-5wt% Mm재료를 자전연소합성법(HCS)을 통해 제조하여 50회의 수소 흡 · 방출 실험을 행한 결과는 다음과 같다.
각각 한번의 수소 흡 · 방출을 1회로 하여 이를 50회 반복하여 수소 흡 · 방출 cycling 실험을 수행하였다.
. 실험 결과, Mg를 합금하지 않은 AB₂ 보다 반응속도 및 저장량이 개선되지 않아 수소저장량을 개선하고, 반응속도 및 내구성을 증진 시키기 위해 5wt% Mm을 첨가하였다^6-9). 그 결과 반응속도와 수소저장량이 개선되었으며, 이 재료인 자전연소합성법(hydriding combustion synthesis)에 의해 제조된 80wt% AB₂-15wt% Mg-5wt% Mm의 내구성을 수소 흡 · 방출 cycling을 통해 조사하고자 하였다.
제조된 재료를 298K에서 20atm의 수소(순도 99.999%) 를 가하여 활성화처리를 하였다. 활성화 이후 온도는 298K, 압력은 수소 30atm을 가하고, 수소 흡수를 15분 동안 한 후 15분 동안 방출하였다.

대상 데이터

본 연구에 앞서 자전연소합성법(hydriding combustion synthesis)을 통해 합금된 80wt% AB2-Mg 20wt%재료를 실험하였다¹³⁾. 실험 결과, Mg를 합금하지 않은 AB₂ 보다 반응속도 및 저장량이 개선되지 않아 수소저장량을 개선하고, 반응속도 및 내구성을 증진 시키기 위해 5wt% Mm을 첨가하였다^6-9).
재료합성에 사용된 재료는 상업적으로 시판되고 있는 Mg 분말(입자크기:75μm, 순도:99.98%, Hananics.co.), 진공유도용해법에 의해 제조된 Zr0.55 Ti0.45 V0.54 Mn0.24 Ni0.88 Co0.16 Cr0.16 조성의 Zr계 AB2 합금 분말(입자크기:35μm)과 La-rich misch metal 5wt%와 Mg 15wt%을 용해하여 제조된 합금을 분쇄한 분말(입자크기:35μm 이하)이 본 연구에서 사용되었다.

이론/모형

16 조성의 Zr계 AB₂ 합금 분말(입자크기:35μm)과 La-rich misch metal 5wt%와 Mg 15wt%을 용해하여 제조된 합금을 분쇄한 분말(입자크기:35μm 이하)이 본 연구에서 사용되었다. 시편 제조 방법은 자전연소합성법(Hydriding Combustion Synthesis)을 이용하였다. 자전연소합성법(HCS)의 공정은 다음과 같다.
Mg이 함께 합금되는 경우 기존의 방법으로 합금할 경우 Mg의 증발현상 때문에 정확한 화학조성을 조절하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 자전연소합성법(hydriding combustion synthesis)을 도입 하였다^10-12). 자전연소합성법은 Mg의 녹는점 보다 낮은 온도인 550℃에서 합성되고 이때 Mg에 의해 발생한 높은 발열 반응으로 인해 합금화 된다.

성능/효과

5 째의 방출에서 0.02wt% 정도 방출량이 흡수량과 다소 차이가 있으나, 50회의 cycling 실험까지 흡수된 수소량 만큼 모두 방출되는 것을 알 수 있으며, 대부분 1.57wt%를 유지하고 있음을 알 수 있다. Fig.
50회의 수소 흡 · 방출 cycling 실험 전의 경우는 피크의 모습이 좁고 날카로운 반면 실험 후는 피크의 넓이가 다소 넓은 것을 확인 할 수 있다.
또한 히스테리시스 인자의 값이 cycling 전 · 후 차이가 없었다. 50회의 수소 흡 · 방출 실험 에도 퇴화되지 않고 저장량을 계속 유지 하는 것을 볼 때 본 재료는 cycling면에서 양호하다는 것을 알 수 있었다.
50회의 흡 · 방출동안 수소 흡 · 방출 속도는 각각 40초와 200초 내에 완료 되었으며, 저장량은 약 1.57wt%로 유지 되었다.
5회, 25회 그리고 50회 모두 같은 속도로 수소가 방출 되고 있으며, 약 200초 내에 흡수된 모든 양이 방출 되는 것을 볼 수 있다. 5회, 25회 그리고 50회에서 방출 양은 1.55wt%, 1.57wt%로써 흡수된 양과 거의 동일함을 알 수 있다.
SEM관찰 결과, 재료 합성 후와 50회의 수소 흡 · 방출후의 재료의 미세구조는 대체적으로 불균일한 입자 크기를 보이고 있었으며, 일부 입자크기는 cycling후 좀 더 작아졌음을 확인할 수 있었다.
결정구조변화를 관찰하기 위해 XRD를 분석한 결과 50회의 수소 흡 · 방출 실험 후는 실험 전과 비교해서 결정성이 약간 약화되는 것이 관찰 되었다.
압력 · 조성 등온선(PCT)의 결과, 이 재료의 저장량은 cycling 전 · 후 모두 1.57wt%로써 변화가 없었으며 흡 · 방출 평형압력은 각각 8atm과 3atm 이었다.
이 재료의 수소저장량은 약 1.57wt%이고, 50회의 수소 흡 · 방출 cycling 실험 전과 후의 PCT 곡선의 모습에 큰 차이는 없음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZrM2계 합금의 수소저장량 순서는?	A는 Zr, Ti, B는 Ni, V, Mn, Cr 등으로 구성된다. ZrM2계 합금(M:V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo)의수소저장량은 ZrV2 > ZrCr2 > ZrMn2 > ZrMo2 > ZrFe2 > ZrCo2의 순서이다. 활성화한 ZrV2, ZrCr2, ZrMn2는 실온에서 빠르게 수소와 반응하여 ZrV2H4.
	Zr을 기반으로 한 합금은 일반식 AB2 또는 A2B로 분류되는데 이 때 A와 B는 무엇을 뜻하는 것인가?	Zr을 기반으로 한 많은 합금은 일반식 AB2 또는 A2B형 합금으로 분류된다. A는 Zr, Ti, B는 Ni, V, Mn, Cr 등으로 구성된다. ZrM2계 합금(M:V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo)의수소저장량은 ZrV2 > ZrCr2 > ZrMn2 > ZrMo2 > ZrFe2 > ZrCo2의 순서이다.
	수서저장합금에서 퇴화현상은 무엇을 말하는 것인가?	수소 흡 · 방출 횟수의 반복에 따라 내구성 변화는 수소저장재료들의 종류마다 그 특성들이 매우 다르다. 일반적으로 수소저장합금들은 수소흡수, 방출 거동을 반복하게 되면 반복이 계속됨에 따라 재료자체의 수소화 반응 특성이 약화된다. 이 현상을 퇴화현상이라 한다.

참고문헌 (19)

D. G. Ivey, R. I. Chittim, K. J. Chittim, D.O. Northwood, "Metal hydrides for energy storage", J. Material for Energy System, Vol. 3, 1981, p. 3.
M. Pozzo, D. Alfe, "Hydrogen dissociationand diffusion on transition metal (1/4Ti, Zr, V, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Cu, Ag)-doped Mg(0001) surfaces", Int. J. Hydrogen Energ., Vol. 34, 2009, p. 1922.
A. Zaluska, L. Zaluski, Strom-Olsen JO, "Nanocrystalline magnesium for hydrogen storage", J. Alloys Compds., Vol. 228, 1999, p. 217.
M. Dornheim, S. Doppiu, G. Barkhordarian, U. Boesenberg, T. Klassen, O. Gutfleisch, "Hydrogen storage in magnesium based hydrides and hydride composite", Script Materialia, Vol. 56, 2007, p. 841.
S. J. Choi, J. S. Shim, S. U. Oh, H. Noh, J. Choi, C. Y. Seo, C. N. Park, "Electrochemical properties of the AB2-type metal hydride electrode prepared by ball milling", J. of the Korean Hydrogen Energy Society, Vol. 8, 1997, p. 181.
B. K. Singh, A. K. Singh and O. N. Srivastava, "Improved hydrogen sorption characteristics in Fe $Ti_{1+x}$ Mm material", Int. J. Hydrogen Energ., Vol. 21, 1996, p. 111.
B. K. Singh, A. K. Singh, M. A. Imam, and O. N. Srivastava, "Studies on the synthesis, characterization and hydrogenation behaviour of new $Zr_{1-x}Mn_{x}(Cr_{0.8}Mo_{0.2})_{2}$ $AB_{2}$ -type hydrogen storage materials", J. Alloy. Compd., Vol. 354, 2003, p. 315.
A. Singh, B. K. Singh, D. J. Davidson, O. N. Srivastava, "Studies on Improvement of hydrogen storage capacity of AB5 type : MmNi4.6Fe0.4 alloy", Int. J. Hydrogen Energ., Vol. 29, 2004, p. 1151.
T. Sakai, T. Hazama, H. Miyamura, N. Kuriyama, A. Kato, H. J. Ishikawa, "Rare earth based alloy electrodes for a nickel metal hydride battery", J. Less-Common Met., Vol. 172, 1991, p. 1175.

상세보기
L. Li, T. Akiyama, J. Yagi, "Activation behaviors of Mg2NiH4 at different hydrogen pressures in hydriding combustion synthesis", Int. J. Hydrogen Energ., Vol. 26, 2001, p. 1035.
D. Liu, Y. Zhu, L. Li, "Crystal defect analysis and surface characteristics of $Mg_{s}NiH_{4}$ produced by hydriding combustion synthesis", Int. J. Hydrogen Energ., Vol. 32, 2007, p. 2417.
R. Wakabayashi, S. Sasaki, I. Saita, M. Sato, H. Uesugi, T. Akiyama, "Self-iginition combustion synthesis of TiFe in hydrogen atmosphere", J. Alloys Compds., Vol. 480, 2009, p. 592.
T. H. Hur, J. S. Han, J. H. Kim, "Hydrogen storage properties of Zr-based $AB_{2-x}M_{x}$ metal hydrides made by HCS", Kor. J. Met. Mater., Submission is scheduled.
ZG. Huang, ZP. Guo , A. Calka, D. Wexler, C.Lukey, HK. Liu, "Effects of iron oxide ( $Fe_{2}O_{3}$ , $Fe_{3}O_{4}$ ) on hydrogen storage properties of Mgbased composites", J. Alloys Compds., Vol. 422, 2006, p. 299.
M. Dornheim, N. Eigen, G. Barkhordarian, "Tailoring HydrogenStorage Materials Towards Application", Mater., Vol. 8, 2006, p. 377.
TR. Jensen, A. Andreasen, T. Vegge, JW. Andreasen, K. Stahl, "Dehydrogenation kinetics of pure and nickel-doped magnesium hydride investigated by in situ time-resolved powder X-ray diffraction", Int. J. Hydrogen Energ., Vol. 31, 2006, p. 2052.
A. Suzuki, N. Nishimiya, S. Ono, "Thermodynamic properties of Zr $(Fe_{x}Mn_{1-x})_{2}-H_{2}$ systems", J. Less common Met., Vol. 89, 1983, p. 263.

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M. T. Hagstrom, S. N. Klyamkinb, P. D. Lunda, "Effect of substitution on hyste-resis in some high-pressure $AB_{2}$ and $AB_{5}$ metal hydrides", J. Alloys Compds., Vol. 293, 1999, p. 67.
H. K. Birnbaum, M. L. Grossbecr, M. Amano, "Hydride precipitation in Nb and some properties of NbH", J. Less-Common Met., Vol. 49, 1976, p. 357.

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