[논문]수소화기상증착공정을 이용한 마그네슘하이드라이드 미세분말 합성

강태희; 김진호; 한규성; 김병관

doi:10.7316/khnes.2012.23.5.455

수소화기상증착공정을 이용한 마그네슘하이드라이드 미세분말 합성
Synthesis of Sub-Micron MgH2 using Hydriding Thermal Chemical Vapor Synthesis 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.5, 2012년, pp.455 - 460

강태희 (한국세라믹기술원 이천분원) , 김진호 (한국세라믹기술원 이천분원) , 한규성 (한국세라믹기술원 이천분원) , 김병관 ((주)한국에너지재료)

Abstract ▼ AI-Helper

This work describes the hydriding chemical vapor synthesis (HCVS) of the $MgH_2$ in a hydrogen atmosphere and the product's hydriding-dehydridng properties. Mg powder was used as a starting material to synthesize $MgH_2$ and uniformly heated to a temperature of $600^{\circ}C$ for Mg vaporization. The effects of hydrogen pressure on the morphology and the composition of HCVS-$MgH_2$ were examined by using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). It is clearly seen that after the HCVS process, the particle size of synthesized $MgH_2$ was drastically reduced to the submicron or micrometer-scale and these showed different shapes (needle-like nanofibers and angulated plate) depending on the hydrogen pressure. It was found that after the HCVS process, the $H_2$ desorption temperature of HCVS-$MgH_2$ decreased from 380 to $410^{\circ}C$, and the minimum hydrogen desorption tempreature of HCVS-$MgH_2$ powder with needle-like shape can be obtained. In addition, the enhanced hydrogen storage performance for needle-like $MgH_2$ was achieved during subsequent hydriding-dehydriding cycles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고순도의 MgH₂를 합성하기 위한 수직형태의 수소화기상증착(HCVS) 반응관을 설계하였다. Fig.

제안 방법

수소화기상증착 공정은 Mg 분말 수 gram을 알루미나 반응관에 넣고, 알곤 가스(Ar, 5N)를 이용한 5회 이상 purging 과정으로 반응관 내 분위기 제어 후 진행된다. 1.0~4.0MPa 고압의 수소를 반응관 내 장입 후 Furnace를 100℃/h로 승온하여 600℃에서 24시간 유지하면서 수소화기상증착 공정을 진행하였다.
HCVS-MgH2 분말은 5℃/min, up to 450℃ 조건에서 DSC(N-650) 측정으로 열적거동을 분석하였으며, 수소흡방출 특성은 자동화 Sievert's 장치를 이용하여 측정하였다.
HCVS-MgH₂ 분말의 조성분석 및 미세구조분석을 위하여 XRD(Rigaku D/Max 2500)와 SEM(JEOL JSM 6701F) 분석을 진행하였다. HCVS-MgH₂ 분말은 5℃/min, up to 450℃ 조건에서 DSC(N-650) 측정으로 열적거동을 분석하였으며, 수소흡방출 특성은 자동화 Sievert's 장치를 이용하여 측정하였다.
HCVS-MgH₂의 수소방출 특성을 평가하기 위하여 DSC 분석을 수행하였다. Fig.
따라서 본 연구에서도 HCVS-MgH2에 대하여 자동화 Sievert's 장치를 이용하여 수소흡방출 특성 평가를 진행하였다.
미세분말을 합성하였다. 또한, 반응관 내 수소압력(H₂ pressure) 및 증착위치가 MgH₂ 입도(particle size), 형태(shape) 및 순도(purity)에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 수직형태의 수소화기상증착(Hydriding chemical vapor synthesis, HCVS) 반응관을 제작하고, 고압의 수소분위기 하에서 고순도의 MgH₂ 미세분말을 합성하였다. 또한, 반응관 내 수소압력(H₂ pressure) 및 증착위치가 MgH₂ 입도(particle size), 형태(shape) 및 순도(purity)에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
수소화기상증착(HCVS)을 이용하여 합성한 MgH₂의 morphology에 따른 수소화반응 특성을 평가하였다. 수직형상으로 다인된 HCVS 반응관을 이용하여 pure MgH₂를 합성할 수 있었으며, 냉각수가 흐르는 반응관 뚜껑에 하얀 색 MgH₂ 분말이 형성된다.

성능/효과

0MPa 수소압력의 수소화기상증착 후 반응관 뚜껑에 증착된 하얀 색 분말의 XRD 측정 결과이다. 1.0MPa 수소압력에서 미량의 Mg(OH)₂ 상이 관찰되지만, 모든 압력하에서 MgH₂가 main 결정상으로 합성되는 것을 알 수 있다.
HCVS-MgH2에 대한 수소흡방출 특성 평가에서, Needle-like & Angulted plate 형태의 MgH2는 각각 5.7wt%와 5.0wt%의 가역수소저장용량을 보이며, 우수한 활성화 거동을 보인다.
수직형상으로 다인된 HCVS 반응관을 이용하여 pure MgH₂를 합성할 수 있었으며, 냉각수가 흐르는 반응관 뚜껑에 하얀 색 MgH₂ 분말이 형성된다. Mg의 수소화거동은 주변온도와 수소압력에 크게 영향을 받으며, 1.0MPa 이상의 수소압력에서 pure MgH₂가 합성되는 것을 확인하였다. HCVS 공정의 수소압력이 높을수록 angulated plate 형태에서 Needle-like 형태로 변하고, 입도 역시 수 μm에서 sub μm로 감소하는 것을 알 수 있다.
균일하고 구상의 형태를 보이며, 입도측정 결과 약 68μm의 평균 입도를 보이고 있다. XRD 결과에서 pure Mg 분말임을 확인하였으며, ICP 측정결과 99.8%의 Mg 조성을 나타내며, 0.2%의 산소는 Mg 분말 표면의 산화막에 기인한 것으로 판단된다.
6(a)은 350℃에서 사이클 진행에 따른 HCVS-MgH₂의 수소흡장 거동 변화를 보여주고 있다. 결과에서 HCVS 합성압력이 높을수록 수소저장용량이 커지는, 즉 needle-like MgH₂가 수소저장특성이 더 우수한 것을 알 수 있다. 또한 사이클 진행에 따른 퇴화 거동 역시 Needle-like MgH₂는 거의 용량감소가 나타나지 않지만, Angulated plate의 경우에는 10th 사이클에서 초기용량 대비 약 5%의 용량 감소를 보이고 있다.
6(b)는 HCVS-MgH₂의 수소방출 특성을 보여주고 있다. 결과에서 HCVS-MgH₂의 수소방출속도는 흡장속도에 비하여 늦게 최대용량에 도달하는 것을 알 수 있다. 높은 수소압력에서 합성된 Needle-like MgH₂는 1st cycle에서 약 5.
결과에서 수소압력이 증가할수록 HCVS-MgH2 분말의 입도는 수 μm에서 sub μm로 감소하며, 형태는 판상(angulated plate)에서 needle-like 형태로 변하는 것을 알 수 있다.
균일하고 구상의 형태를 보이며, 입도측정 결과 약 68μm의 평균 입도를 보이고 있다.
는 (1) 반응에 의한 것이며, 일정 수소압 이하의 조건에서는 (2)의 반응에 의한 Mg 분말이 관찰될 것으로 예상된다. 그러나 XRD 결과에서 1.0MPa 이상의 모든 수소압력 조건에서 Mg 상은 관찰되지 않았으며, pure MgH₂ 상이 합성되는 것을 알 수 있다. 따라서 1.
0MPa 이상의 모든 수소압력 조건에서 Mg 상은 관찰되지 않았으며, pure MgH₂ 상이 합성되는 것을 알 수 있다. 따라서 1.0MPa 이상의 수소압력에서 수소화기상증착을 통한 pure MgH₂ 합성이 가능하며, (1) 반응이 우세하게 일어남을 의미한다.
. 본 연구에서 Mg의 수소화기상증착은 수십 기압의 수소분위기의 수직형상 반응관에서 진행되며, 반응 완료 후 냉각수가 흐르는 반응관 뚜껑 부분에서 하얀 색의 분말이 관찰되었다(Fig. 1(b)).
반면에 Angulated plate 형태의 MgH₂는 약 5wt%의 가역수소저장용량을 보이고 있다. 이상의 결과에서 주목할만한 점은 HCVS-MgH₂의 경우 특별한 전처리(pre-treatment) 없이 2-3rd 사이클 이내에 활성화가 이루어졌다는 점이며, 거의 1st 사이클에서 95% 이상의 가역수소저장용량을 보이고 있다는 것이다.

후속연구

그러나 높은 수소압력하에서 (1) 반응이 우세해질수록 thin & needle-like 형태의 MgH2가 형성되는 원인에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았으며, 향후에 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속수소화물의 특징은?	금속수소화물은 높은 무게당 수소저장밀도와 안전성을 갖추고 있기 때문에, Ni-MH 2차전지의 음극 및 수소저장탱크의 소재로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 마그네슘(Mg)은 수소와 이온결합을 통한 MgH2를 형성하면서 7.
	마그네슘의 특징은?	금속수소화물은 높은 무게당 수소저장밀도와 안전성을 갖추고 있기 때문에, Ni-MH 2차전지의 음극 및 수소저장탱크의 소재로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 마그네슘(Mg)은 수소와 이온결합을 통한 MgH2를 형성하면서 7.6wt%의 높은 가역수소저장밀도와 우수한 가격경쟁력을 갖추고 있는 매우 유망한 수소저장합금 소재이다1,2). 그러나 MgH2는 275℃에서 1bar의 평탄수소압(equilibrium H2 pressure)을 갖고 있기 때문에 수소의 흡탈장 속도가 300℃ 이하에서 매우 낮고, 그로 인하여 연료전지 자동차와 같은 portable device의 적용에 많은 제약을 받게 된다.
	마그네슘과 수소의 이온결합 산물인 MgH2의 특징 및 그로 인한 단점은?	6wt%의 높은 가역수소저장밀도와 우수한 가격경쟁력을 갖추고 있는 매우 유망한 수소저장합금 소재이다1,2). 그러나 MgH2는 275℃에서 1bar의 평탄수소압(equilibrium H2 pressure)을 갖고 있기 때문에 수소의 흡탈장 속도가 300℃ 이하에서 매우 낮고, 그로 인하여 연료전지 자동차와 같은 portable device의 적용에 많은 제약을 받게 된다. 따라서 수소 흡방출에 관한 작동온도를 낮추는 것이 MgH2 상용화에 가장 중요한 이슈라고 할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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