[논문]Co-P-B/FeCrAlloy 촉매를 이용한 NaBH4 가수분해 반응

황병찬; 조아라; 신석재; 최대기; 남석우; 박권필

doi:10.9713/kcer.2013.51.1.35

Co-P-B/FeCrAlloy 촉매를 이용한 NaBH4 가수분해 반응
NaBH4 Hydrolysis Reaction Using Co-P-B Catalyst Supported on FeCrAlloy 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.1, 2013년, pp.35 - 41

황병찬 (순천대학교 화학공학과) , 조아라 (순천대학교 화학공학과) , 신석재 (한국과학기술연구원 연료전지센터) , 최대기 (한국과학기술연구원 연료전지센터) , 남석우 (한국과학기술연구원 연료전지센터) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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Co-P-B/FeCrAlloy 촉매의 $NaBH_4$ 가수분해 특성과 내구성에 대해 연구하였다. 5 wt% $NaBH_4$ 농도에서 활성화 에너지가 25.2 kJ/mol로 귀금속 촉매와 비슷했고, $NaBH_4$ 농도가 증가할수록 활성화 에너지가 증가하였다. 20 wt% 이상의 $NaBH_4$ 농도에서 겔 형성이 수소발생과 촉매 내구성에 많은 영향을 줬다. $NaBH_4$ 농도가 높을 때 반응온도가 높을수록 겔 형성이 안 되므로 촉매 손실률이 낮았다. 수소발생과 촉매 내구성을 모두 고려했을 때 담지체를 $1,000^{\circ}C$에서 열처리하고, 초음파 진동없이 촉매를 담지하고, 촉매 담지 후 소성한 촉매가 우수하였다. 25 wt% $NaBH_4$에서는 촉매를 3회 이상 재사용하기 위해서는 $60^{\circ}C$ 이상의 온도에서 반응시켜야 함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Properties of $NaBH_4$ hydrolysis reaction using Co-P-B/FeCrAlloy catalyst and the catalyst durability were studied. Co-P-B/FeCrAlloy catalyst showed low activation energy such as 25.2 kJ/mol in 5 wt% $NaBH_4$ solution, which was similar that of noble metal catalyst. The activation energy increased as the $NaBH_4$ concentration increased. Formation of gel at high concentration of $NaBH_4$ seriously affected hydrogen evolution rate and the catalyst durability. The catalyst loss decreased as reaction temperature increased due to lower gel formation when the concentration of $NaBH_4$ was over 20 wt%. Considering hydrogen generation rate and durability of catalyst, the catalyst supported with FeCrAlloy heat-treated at $1,000^{\circ}C$ without ultra vibration during dipping and calcination after catalyst dipping was best catalyst. To use catalyst more than three times in 25 wt% $NaBH_4$ solution, it should be reacted at higher temperature than $60^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그래서 본 연구에서는 Co-P-B 촉매를 FeCrAlloy 지지체에 담지하여 넓은 NaBH₄ 농도 범위(5~25 wt%)에서 가수분해 반응속도, 수소 수율, 촉매 내구성에 대하여 연구하였다.

가설 설정

수용액이 들어있는 반응기에 촉매를 넣고 반응 종료까지 수소 발생량을 측정하였고, 반응 종료 후 증류수에 촉매를 세척하여 촉매 손실률을 측정하였다. 수소 포집은 메스실린더를 이용하여 수상치환하여 포집하였고, 수소 수율은 물의 온도에서 포화되었다고 가정하여 수증기압을 제외한 양으로 계산하였다.

제안 방법

FeCrAlloy fiber의 성분은 Table 1에 나타내었다. FeCrAlloy 열처리 전후표면과 1회 사용 후 촉매의 내부를 SEM 및 EDS (Hitachi S-4800) 분석하였다.
농도를 높여야 한다. NaBH₄ 가수분해 반응에서 NaBH₄ 농도의 영향을 알아보기 위해 5~25 wt% NaBH₄, 5 wt% NaOH, 30 ℃ 항온조에서 실험하였고, 수소발생속도와 촉매 손실률에 대한 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
NaBH₄ 수용액이 들어있는 반응기에 촉매를 넣고 반응 종료까지 수소 발생량을 측정하였고, 반응 종료 후 증류수에 촉매를 세척하여 촉매 손실률을 측정하였다. 수소 포집은 메스실린더를 이용하여 수상치환하여 포집하였고, 수소 수율은 물의 온도에서 포화되었다고 가정하여 수증기압을 제외한 양으로 계산하였다.
촉매 A를 고온(60, 80 °C)에서 재사용 실험하면서 수소발생속도와 촉매 손실률을 측정하였다.
촉매 내구성으로 나타낸 촉매 손실률은 담지체의 무게를 m₁, 촉매 담지 후 담지체와 촉매의 총무게를 m₂, 수소발생실험 후의 촉매와 담지체 총무게를 m₃라고 했을 때 다음과 같은 방법으로 계산하였다.

대상 데이터

이 때 사용된 시약과 지지체인 FeCrAlloy는 다음과 같다. CoCl₂6H₂O (97%, Junsei), NaH₂PO₂H₂O (99%, Yakuri), NaBH₄ (97%, Daejung). FeCrAlloy (SFF1-10, FiberTech).
실험에 사용된 촉매는 Co-P-B이고 FeCrAlloy에 담지하여 수소 발생 실험에 사용 하였다. 이 때 사용된 시약과 지지체인 FeCrAlloy는 다음과 같다.

성능/효과

NaBH₄ 가수분해에 있어 NaOH 농도에 대한 연구들 중 Co, Ni 계열의 촉매와 동일한 결과이다[24,26,32]. 1 wt% NaOH를 제외한 나머지 조건들에서 gel이 형성됨을 확인하였다. 1 wt% NaOH 보다 7 wt% NaOH가 수소발생속도 촉매 손실률 모두 2배가량 차이를 보인다.
25 wt% NaBH₄ 농도에서는 60 °C 반응온도에서도 촉매 지지체 내부에서 겔이 형성되어 3번 재사용 시 지지체 붕괴가 발생하므로 촉매를 반복사용하기 위해서는 더 높은 온도에서 가수분해 반응을 시켜야함을 보였다.
Co-P-B/FeCrAlloy 촉매가 5wt% NaBH₄에서 활성화 에너지 값이 귀금속 촉매와 비슷한 25.2 kJ/mol로 촉매 활성이 우수함을 확인하였다. 활성화 에너지는 NaBH₄ 농도의 영향을 받았는데 NaBH₄ 농도가 높을수록 gel 형성에 따른 반응속도 감소 때문에 활성화 에너지가 증가하였다.
6의 SEM 사진에 나타낸 것처럼 표면에 하얀 입자가 형성되었다. SEM-EDX 성분 분석결과를 보면, Al과 O가 열처리 전보다 많아져서 이 입자들은 알루미늄 산화물이 형성된 것으로 보이고, 이 알루미늄 산화물이 수소 수율을 약간 감소시켰다고 사료된다.
그리고 Fig. 7에 초기 수소발생속도를 나타냈는데 열처리한 촉매들이 전반적으로 수소발생속도가 증가하였고 특히 열처리하고 초음파 처리하지 않은 D, E 촉매는 열처리 하지 않은 A 촉매보다 2.5~3배 수소발생속도가 증가했다. 이것은 촉매 표면에 작은 입자들이 형성되어 표면적 증가에 의한 촉매 활성면적 증가의 영향이라고 본다.
활성화 에너지가 농도의 영향을 많이 받는데, 다른 연구자들이 구한 NaBH₄ 가수분해 반응의 활성화 에너지는 저농도에서 구한 것이 대부분이다(Table 3). 본 연구의 Co-P-B/FeCrAlloy 촉매가 5 wt% NaBH₄에서 활성화 에너지가 귀금속촉매와 비슷한 25.2 kJ/mol로 촉매 활성이 우수함을 확인하였다.
수소 수율, 수소발생속도 그리고 촉매 손실률을 모두 고려했을 때 담지체를 열처리하고 촉매 담지 시 초음파 진동을 이용하지 않고, 담지 후 소성한 촉매 D가 제일 우수하였다.
여러 가지 방법으로 Co-P-B/FeCrAlloy 촉매를 제조하였는데, 수소 수율, 수소 발생 속도, 촉매 손실률을 모두 고려했을 때, 담지체를 1,000 °C에서 열처리하고, 촉매 담지 시 초음파 진동을 이용하지 않고, 촉매 담지 후 소성한 촉매가 가장 우수하였다.
1,000 °C에서 담지체 FeCrAlloy를 열처리함으로써 수소 수율은 약간 감소했다. 촉매 손실률에는 촉매 담지체 열처리가 별 영향을 주지 않은 것으로 나타났다. 촉매 담지체를 공기 분위기에서 열처리함으로써 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지의 종류 중 수소를 연료로 사용하는 전지는 어떤 문제를 가지고 있는가?	미래의 대체에너지원으로서 수소를 사용하는 연료전지는 높은 에너지 효율과 친환경적인 장점 때문에 현재 많은 연구가 진행 중이다. 연료전지의 종류 중 수소를 연료로 사용하는 이동형 연료전지로는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 가장 적합한데, 연료인 수소를 저장, 공급하는 방법이 어렵다는 점이 문제다.
	화학적 수소화물의 종류는 무엇이 있는가?	수소를 저장 및 공급하는 방법에는 많은 방법이 있지만, 여러 측면에서 화학적 수소화물이 가장 유력한 방법이라 할 수 있다. 화학적 수소화물에는 CaH2, MgH2, C10H18, NH3BH3, NaBH4 등이 있다. 이 중, NH3BH3 (Amonia borane, AB)는 19.
	화학적 수소화물 중 NH3BH3이 낮은 수소저장용량을 가지는 이유는 무엇인가?	이 중, NH3BH3 (Amonia borane, AB)는 19.6 wt%의 높은 수소저장용량으로 최근에 많은 관심을 받고 있지만 높은 수소방출온도(100 °C 이상)와 반응 부산물(borazine, ammonia, diborane)이 PEMFC의 성능감소 원인이 되므로[1] 이를 방지하기 위한 부가적인 장치로 인하여 수소발생시스템에서 낮은 수소저장용량을 가질 수밖에 없다. 따라서 화학적 수소화물은 안전성, 비가연성, 비독성, 높은 수소저장용량 뿐만 아니라, 반응 생성물이 PEMFC에 영향을 주지 않아야 하는 등 매우 다양한 조건들이 고려된다.

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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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