휴대용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 $NaBH_4$가수분해 반응의 수소 수율에 대해 연구하였다. $NaBH_4$ 가수분해 반응의 수소 수율에 미치는 촉매 형태, 온도, $NaBH_4$ 농도, NaOH 농도 등의 영향에 대해 실험하였다. 촉매는 Co-P/Cu, Co-B/Cu와 Co-P-B/Cu를 사용하였는데 이들 촉매 종류에 따라 $NaBH_4$ 가수분해 반응의 수소 수율에 미치는 영향은 거의 없었다. $60^{\circ}C$ 이하의 온도에서 $NaBH_4$ 농도가 증가하면 부산물과 $NaBH_4$에 의해 겔이 형성되면서 가수분해 반응의 수소 수율이 감소였다. 겔 형성에 의해서 $NaBH_4$ 가수분해 반응 속도와 수소 총 발생량이 감소하였다. 안정화제인 NaOH를 첨가하면 겔 형성을 촉진해 수소 수율을 감소시켰다.
휴대용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 $NaBH_4$ 가수분해 반응의 수소 수율에 대해 연구하였다. $NaBH_4$ 가수분해 반응의 수소 수율에 미치는 촉매 형태, 온도, $NaBH_4$ 농도, NaOH 농도 등의 영향에 대해 실험하였다. 촉매는 Co-P/Cu, Co-B/Cu와 Co-P-B/Cu를 사용하였는데 이들 촉매 종류에 따라 $NaBH_4$ 가수분해 반응의 수소 수율에 미치는 영향은 거의 없었다. $60^{\circ}C$ 이하의 온도에서 $NaBH_4$ 농도가 증가하면 부산물과 $NaBH_4$에 의해 겔이 형성되면서 가수분해 반응의 수소 수율이 감소였다. 겔 형성에 의해서 $NaBH_4$ 가수분해 반응 속도와 수소 총 발생량이 감소하였다. 안정화제인 NaOH를 첨가하면 겔 형성을 촉진해 수소 수율을 감소시켰다.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The hydrogen yield of sodium borohydride hydrolysis reaction was studied. The effect of temperature, $NaBH_4$ concentration, NaOH concentrati...
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The hydrogen yield of sodium borohydride hydrolysis reaction was studied. The effect of temperature, $NaBH_4$ concentration, NaOH concentration and catalyst type on the hydrogen yield from $NaBH_4$ hydrolysis reaction were measured. The catalysts of Co-P/Cu, Co-B/Cu and Co-P-B/Cu were used in this study and there was no different effect of these catalysts on the hydrogen yield from $NaBH_4$. Under the temperature of $60^{\circ}C$, the hydrogen yield decreased as $NaBH_4$ concentration increased due to formation of gel with by-products and reactants. The gel formed during $NaBH_4$ hydrolysis reaction diminished the hydrogen evolution rate and total volume of hydrogen. Addition of NaOH stabilizer enhanced the formation of gel and then decreased the hydrogen yield.
Sodium borohydride, $NaBH_4$, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The hydrogen yield of sodium borohydride hydrolysis reaction was studied. The effect of temperature, $NaBH_4$ concentration, NaOH concentration and catalyst type on the hydrogen yield from $NaBH_4$ hydrolysis reaction were measured. The catalysts of Co-P/Cu, Co-B/Cu and Co-P-B/Cu were used in this study and there was no different effect of these catalysts on the hydrogen yield from $NaBH_4$. Under the temperature of $60^{\circ}C$, the hydrogen yield decreased as $NaBH_4$ concentration increased due to formation of gel with by-products and reactants. The gel formed during $NaBH_4$ hydrolysis reaction diminished the hydrogen evolution rate and total volume of hydrogen. Addition of NaOH stabilizer enhanced the formation of gel and then decreased the hydrogen yield.
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문제 정의
그래서 고농도의 붕소 수소화물 용액 상태로 저장 후 반응기에 투입함으로써 물의 무게를 감소시킬 수 있는 방법이 연구되었다 [4]. 그런데 고농도 NaBH4 의 가수분해 반응에서 수소 수율이 낮아질 가능성이 제기되었고 이에 본 연구에서는 온도, 촉매종류, NaBH4 농도, 안정화제 농도 등이 수소 수율에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
가설 설정
수소 량을 측정하는 방법을 사용하였다. 수소 발생량은 메스실린더를 이용한 수상치환 방법으로 포집하였고, 물의 온도에서 포화되었다고 가정해 수증기압을 제외한 양으로 수소 발생량을 산출하였다. NaBH4 수용액의 농도는 15〜25 wt%에서 실험하였고, 안정화제로 NaOH를 사용하였는데 농도 1〜9wt% 범위에서 실험하였다.
제안 방법
Co-P-B 촉매 지지체인 Cu foil 활성화는 아세톤에 15 분간 탈지, 증류수 세척, SnCl2(1 g/L) 에 15분간 활성화, PdCl2(0.1 g/L) 에 5분간 활성화, 증류수 세척, N2 분위기 하에 100 oC 에서 1시간 건조하는 과정으로 진행되었다.
NaBH4 수용액의 농도는 15〜25 wt%에서 실험하였고, 안정화제로 NaOH를 사용하였는데 농도 1〜9wt% 범위에서 실험하였다. NaBH4 가수분해반응의 수소 수율에 미치는 온도의 영향 실험은 NaBH4 15〜25 wt%, NaOH 5 wt% 수용액을 각각 30, 40, 60, 80 oC 항온조에 넣고 수소 발생량을 측정해서 수소 수율을 산출하였다.
NaBH4의 가수분해 반응의 수소 수율 측정은 반응 종료까지 발생하는 수소 량을 측정하는 방법을 사용하였다. 수소 발생량은 메스실린더를 이용한 수상치환 방법으로 포집하였고, 물의 온도에서 포화되었다고 가정해 수증기압을 제외한 양으로 수소 발생량을 산출하였다.
수소발생속도는 온도상승에 따라 증가하여 60 oC와 80 oC에서는 1 시간 내에 대부분의 반응이 진행되었다. 각 온도에서 반응이 종결된 시점 (1, 400분) 까지생성된 수소 발생량을 측정해 수소 수율을 계산하였다. 이와 같은 실험을 15 wt%와 25 wt%에서도 수행하여 수소 수율을 계산해 Fig.
각기 다른 세 종류의 촉매 (Co-P, Co-B, Co-P-B)에서 NaBH4 가수분해 후 발생한 침전물을 XRD(PANalytical B. V, X'Pert Pro MPD) 로 분석하였다.
2에 나타냈다. 수율 계산은 반응식 (1)처럼 NaBH4 1 mol 가수분해반응에 의해 4 mol 수소가 발생하는 것을 100%로 하고, 반응기에 투입된 NaBH4 무게를 기준으로 발생 수소부피를 측정해 산출하였다.
이 세 촉매를 이용한 NaBH4 가수분해반응에서 수소 수율에 미치는 NaBH4 농도의 영향을 실험하였다. NaOH 농도 5 wt% 온도 30 oC에서 실험한 결과를 Fig.
대상 데이터
dipping했다. Co-P 용액은 1 M CoCl2-6H2O, 1 M NaH2PO2・H2O가 사용되었고 두 용액의 온도는 10 oC 이하가 되게 하였다. 제조된 촉매의 표면구조를 SEM(JEOL-JSM-T330A)으로 확인하였다.
본 실험에서 사용한 Co-P-B/Cu, Co-P/Cu, Co-B/Cu 촉매의 SEM 사진을 나타냈다(Fig. 1). Co-P는 약 10 pm 크기의 구형 입자를 Co B 는 1 pm 내외의 작은 입자들이 불규칙하게 모여 있는 형태를 보이는데 이들은 다른 논문들에세5-7] 보고한 것과 비슷하다.
본 연구는 교육과학기술부의 21C 프론티어 연구개발 사업인 고효율 수소 제조.저장.
촉매가 있는 NaBH4 가수분해 반응기 내에서 NaOH 안 정화제 가수 소발 생에 미치는 영향을 파악하기 위해 Co-P-B/Cu 촉매를 제조하였다. 촉매 제조 및 금속표면 활성화에 사용된 시약은 다음과 같다.
이론/모형
Co-P-B/Cu 촉매는 dipping 방법을 사용해 제조하였는데, 활성화된 Cu foil를 Co-P 용액과 NaBH4 용액에 번갈아 가며 dipping했다. Co-P 용액은 1 M CoCl2-6H2O, 1 M NaH2PO2・H2O가 사용되었고 두 용액의 온도는 10 oC 이하가 되게 하였다.
성능/효과
수율이 감소하는 경향을 세 촉매 모두에서 보였다. 10 wt%에서 25 wt%로 NaBH4 농도가 증가할 때 약 99%에서 대략 96.5%로 2.5% 감소함을 보였다.
겔 형성 물질을 분석한 결과 NaBO2・2H2O, NaB(OH)4・2H2O, NaB(OH)4 등이였는데 이들은 NaBO2보다 물을 많이 소모하여 에너지 밀도를 감소시킴으로 겔 형성이 안되는 조건에서 NaBH4 가수분해반응이 진행되어야 함을 나타냈다.
본 연구에서는 Co-P-B/Cu, Co-P/Cu, Co-B/Cu 촉매를 사용하였는데 촉매 종류에 따른 수소 수율 차이는 없었고 세 촉매 모두 60 oC 이하의 온도에서 NaBH4 농도가 증가할수록 수소 수율이 감소하는 경향을 보였다. 수소 수율이 감소하는 것은 NaBH4 농도가 높으면 반응이 진행되면서 겔이 형성돼 가수분해반응을 방해하기 때문이었다.
촉매 종류에 따른 수소 수율 차이는 없고 NaBH4 농도가 증가할수록 수율이 감소하는 경향을 세 촉매 모두에서 보였다. 10 wt%에서 25 wt%로 NaBH4 농도가 증가할 때 약 99%에서 대략 96.
참고문헌 (11)
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