수소제조를 위한 다공성 FeCrAl 금속 합금 Foam의 NiO 촉매 담지 및 미세구조 분석 Synthesis and Microstructure Analysis of NiO Catalysts Coated on the FeCrAl Metal Alloy Foam for Hydrogen Production원문보기
NiO catalysts were successfully coated onto FeCrAl metal alloy foam as a catalyst support via a dip-coating method. To demonstrate the optimum amount of NiO catalyst on the FeCrAl metal alloy foam, the molar concentration of the Ni precursor in a coating solution was controlled, with five different ...
NiO catalysts were successfully coated onto FeCrAl metal alloy foam as a catalyst support via a dip-coating method. To demonstrate the optimum amount of NiO catalyst on the FeCrAl metal alloy foam, the molar concentration of the Ni precursor in a coating solution was controlled, with five different amounts of 0.4 M, 0.6 M, 0.8 M, 1.0 M, and 1.2 M for a dip-coating process. The structural, morphological, and chemical bonding properties of the NiO-catalyst-coated FeCrAl metal alloy foam samples were assessed by means of field-emission scanning electron microscopy(FESEM), scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy(SEM-EDS), X-ray diffraction(XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). In particular, when the FeCrAl metal alloy foam samples were coated using a coating solution with a 0.8 M Ni precursor, well-dispersed NiO catalysts on the FeCrAl metal alloy foam compared to the other samples were confirmed. Also, the XPS results exhibited the chemical bonding states of the NiO phases and the FeCrAl metal alloy foam. The results showed that a dip-coating method is one of best ways to coat well-dispersed NiO catalysts onto FeCrAl metal alloy foam.
NiO catalysts were successfully coated onto FeCrAl metal alloy foam as a catalyst support via a dip-coating method. To demonstrate the optimum amount of NiO catalyst on the FeCrAl metal alloy foam, the molar concentration of the Ni precursor in a coating solution was controlled, with five different amounts of 0.4 M, 0.6 M, 0.8 M, 1.0 M, and 1.2 M for a dip-coating process. The structural, morphological, and chemical bonding properties of the NiO-catalyst-coated FeCrAl metal alloy foam samples were assessed by means of field-emission scanning electron microscopy(FESEM), scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy(SEM-EDS), X-ray diffraction(XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). In particular, when the FeCrAl metal alloy foam samples were coated using a coating solution with a 0.8 M Ni precursor, well-dispersed NiO catalysts on the FeCrAl metal alloy foam compared to the other samples were confirmed. Also, the XPS results exhibited the chemical bonding states of the NiO phases and the FeCrAl metal alloy foam. The results showed that a dip-coating method is one of best ways to coat well-dispersed NiO catalysts onto FeCrAl metal alloy foam.
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문제 정의
하지만 dip-coating 방법은 간단한 공정, 저비용 및 대면적화에 의한 산업화 접근성이 우수하기 때문에 이는 학문적 뿐만 아니라 산업적으로도 촉매 담지에 있어 매우 효과적일 것으로 사료된다.10) 따라서 본 연구에서는 dip-coating 방법을 통해 다공성 FeCrAl 금속 합금 foam 표면에 NiO 촉매를 담지 하고자 하였다. 본 연구에서는 촉매 담지에 이용되는 코팅용액의 농도를 조절하여 최적의 코팅 조건을 찾고자 하였으며 이를 위해 주사전자 현미경(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM), EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)가 탑재된 주사전자 현미경, X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD), 및 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 이용하여 NiO 촉매가 담지 된 다공성 FeCrAl 금속 합금 foam 구조, 형태 및 표면의 화학적 상태를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 수소제조를 위한 다공성 FeCrAl foam을 이용하여 NiO 촉매의 최적의 담지량에 대한 연구를 진행 하였으며 그들의 형태적, 구조적, 화학성분 등에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 촉매 코팅의 경우 dipcoating법을 이용하였고, 다공성 FeCrAl foam의 표면에 NiO 촉매 담지를 위하여 코팅용액의 Ni 전구체의 몰 농도를 0.
제안 방법
NiO 촉매가 담지 된 다공성 FeCrAl foam의 구조적 및 형태적 분석은 주사 전자 현미경(FESEM, Hitachi, S4800)을 이용하였고, 다공성 FeCrAl foam을 구성하는 원소 성분은 EDS가 탑재 된 주사전자 현미경(FE-SEM-EDS, Thermo NSS3)을 이용하여 수행하였다. 다공성 FeCrAl foam의 결정구조 분석은 Cu Kα 선(λ = 1.
넓이가 1 cm × 1 cm 인 다공성 FeCrAl foam을 미리 제조한 코팅용액에 5 분 동안 담근 뒤 꺼내어 전기로를 이용하여 분당 5 ℃의 승온 속도로 가열하고, 500 ℃에서 5 시간 동안 공기 중에서 열처리하였다.
다공성 FeCrAl foam의 결정구조 분석은 Cu Kα 선(λ = 1.5406 Å)을 이용한 X-선 회절 분석(XRD, Rigaku Rint 2500)을 통하여 이루어 졌으며 1°/min의 속도로 2θ = 10~90° 회절범위 내에서 측정되었다.
게다가 sample C의 O성분 이미지가 Ni 성분의 이미지와 일치하는 것으로 보아 담지 된 촉매는 산화물 상태로 존재할 것으로 예측된다. 또한 우리는 NiO 촉매의 결정구조 및 NiO가 담지 된 다공성 FeCrAl foam의 구조적, 화학적 상태에 대하여 좀 더 정확하게 알아보기 위하여 XRD 및 XPS를 이용한 분석을 진행하였다.
10) 따라서 본 연구에서는 dip-coating 방법을 통해 다공성 FeCrAl 금속 합금 foam 표면에 NiO 촉매를 담지 하고자 하였다. 본 연구에서는 촉매 담지에 이용되는 코팅용액의 농도를 조절하여 최적의 코팅 조건을 찾고자 하였으며 이를 위해 주사전자 현미경(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM), EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)가 탑재된 주사전자 현미경, X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD), 및 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 이용하여 NiO 촉매가 담지 된 다공성 FeCrAl 금속 합금 foam 구조, 형태 및 표면의 화학적 상태를 비교 분석하였다.
순수한 다공성 FeCrAl foam과 sample C의 표면에서의 화학적 결합상태에 대하여 알아보기 위하여 XPS를 수행하였다. 각 peak들의 binding energy는 모두 C 1s line (284.
본 연구에서는 수소제조를 위한 다공성 FeCrAl foam을 이용하여 NiO 촉매의 최적의 담지량에 대한 연구를 진행 하였으며 그들의 형태적, 구조적, 화학성분 등에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 촉매 코팅의 경우 dipcoating법을 이용하였고, 다공성 FeCrAl foam의 표면에 NiO 촉매 담지를 위하여 코팅용액의 Ni 전구체의 몰 농도를 0.4 M, 0.6 M, 0.8 M, 1.0 M 및 1.2 M의 다섯 단계로 조절하였다. 특히 0.
대상 데이터
수소제조를 위한 다공성 FeCrAl foam 표면에 NiO 촉매를 담지 하기 위하여 dip-coating 방법을 수행하였다. 본 연구에 사용된 다공성 FeCrAl foam은 Alantum사에서 제작된 것으로 Fe-22%Cr-6%Al의 조성으로 이루어져 있다. FeCrAl foam의 제작과정은 Fig.
코팅용액은 용매로 사용된 N-methyl-2-pyrrolidinone(NMP) 안에 polyvinylidene fluoride(PVDF, (CH2CF2)n, Alfa Aesar) 바인더와 Ni 전구체(Ni(OCOCH3)2·4H2O, Aldrich)를 넣고, 80oC에서 10시간 동안 교반하여 준비하였다.
이론/모형
1. Schematic illustration for a formation process of the FeCrAl metal foam followed by dip-coating method.
또한 원소별 화학적 특성은 Al Kα X-ray source를 장착한 X-선 광전자 분광법(XPS, ESCALAB 250)을 통하여 규명하였다.
수소제조를 위한 다공성 FeCrAl foam 표면에 NiO 촉매를 담지 하기 위하여 dip-coating 방법을 수행하였다. 본 연구에 사용된 다공성 FeCrAl foam은 Alantum사에서 제작된 것으로 Fe-22%Cr-6%Al의 조성으로 이루어져 있다.
성능/효과
6) 특히, 현재 전 세계 수소생산량의 50 % 이상을 차지하는 메탄 수증기 개질 공정(SMR: steam methane reforming) 플랜트에 다공성 금속 합금 foam이 사용 될 경우 위에 나열된 장점을 바탕으로 공정 에너지 비용의 절감 및 설비 수명 증가에 따른 높은 경제적 효과를 얻을 수 있다. 특히, 다공성 FeCrAl 금속 합금 foam의 경우, 고온 안정성 및 우수한 내식성을 갖고 있는데 이러한 특성은 FeCrAl 금속 합금 foam의 구성 성분인 Cr과 Al의 산화에 기인한다.
따라서 sample C의 Fe, Cr 및 Al의경우, 각각의 metallic states를 나타내는 peak들이 관찰되지 않았으며, 이것은 foam 위에 oxidation states의 양이 증가하였음을 의미한다. Sample C의 XRD 분석 결과에서는 열처리 후에도 metallic state가 관찰되는 것으로 미루어 보아 열처리 과정을 통하여 표면의 산화 피막의 두께가 XPS 분해능 이상으로 두꺼워져 XPS분석에서는 metallic states가 관찰되지 않는 것으로 예상된다. 또한, sample C의 Al의 경우는 Al(III) states를 나타내는~74.
이러한 현상은 결과적으로 NiO 촉매 역할의 감소를 유발하게 된다. 따라서 우리는 NiO 촉매가 가장 고르게 분포된 0.8 M의 sample C에서 가장 최적의 조건을 확인하였다.
2 M (sample E)로 증가할 경우 NiO 촉매들 간에 점차적으로 응집(agglomeration) 현상이 발생하기 시작하였다. 따라서, 1.2 M (sample E)농도에서는 응집 현상이 더욱더 극대화되어 다공성 FeCrAl foam위에 NiO 판상을 형성한 것을 확인하였다. 또한, 우측 상단에 삽입된 저배율 FESEM 이미지를 통해 관찰한 결과, 다공성 FeCrAl foam의 기공을 응집된 NiO 촉매가 채우는 결과까지 초래하였다.
이를 이용하여 계산한 결과 NiO 촉매의 입자 크기는 평균적으로 약 22 nm임을 알 수 있다. 따라서, FESEM과 FESEM-EDS 및 XRD분석을 통하여 약 22 nm의 NiO 촉매들이 다공성 FeCrAl foam 위에 균일하게 담지 되어 있음을 알 수 있다.
이러한 사실은 XPS를 통하여 다시 한번 확인되었으며 뿐만 아니라 Fe의 경우도 표면 산화피막이 존재하고 있음이 확인되었다. 또한, XRD 및 XPS 분석 결과들을 종합하여 Alantum사의 순수한 다공성 FeCrAl foam을 구성하고 있는 각 원소들의 화학적 상태는 각각의 Fe, Cr, Al이 metallic한 상태로 존재하면서 foam의 표면에는 산화피막이 부분적으로 형성되어 있음을 알 수 있었다. 게다가, Figs.
2 M (sample E)농도에서는 응집 현상이 더욱더 극대화되어 다공성 FeCrAl foam위에 NiO 판상을 형성한 것을 확인하였다. 또한, 우측 상단에 삽입된 저배율 FESEM 이미지를 통해 관찰한 결과, 다공성 FeCrAl foam의 기공을 응집된 NiO 촉매가 채우는 결과까지 초래하였다. 이러한 현상은 결과적으로 NiO 촉매 역할의 감소를 유발하게 된다.
3는 순수한 FeCrAl foam (a)과 sample C (b)의 FESEM-EDS mapping 이미지를 나타낸다. 순수한 다공성 FeCrAl foam의 FESEM-EDS mapping 이미지를 통해 각각의 구성 성분인 Fe, Cr, 및 Al 이 pure Fe foam 표면에 균일하게 분포되어 이루어져 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 다공성 FeCrAl foam의 표면은 공기 중에서 자연적으로 일부 산화가 일어났을 가능성에 의해 O성분도 함께 보여지고 있다.
위 식에서 D는 평균 입자 크기(Å), λ는 X-선의 파장(Å), δ는 반치폭(full width at half maximum, FWHM)의 넓이, 그리고 θ는 Bragg angle이다. 이를 이용하여 계산한 결과 NiO 촉매의 입자 크기는 평균적으로 약 22 nm임을 알 수 있다. 따라서, FESEM과 FESEM-EDS 및 XRD분석을 통하여 약 22 nm의 NiO 촉매들이 다공성 FeCrAl foam 위에 균일하게 담지 되어 있음을 알 수 있다.
후속연구
다공성 금속 합금 foam에는 대표적으로 FeCrAl, NiCrAl, NiFeCrAl 등이 있으며 이는 기존 세라믹 foam의 특징인 넓은 표면적과 경량 특징에 더불어 고온 안전성, 우수한 열전도도와 기계적 강도, 우수한 내식성 및 가공 성의 장점을 동시에 가질 수 있기 때문에 이러한 특징들을 효율적으로 활용하면 다양한 분야에 걸친 폭넓은 적용이 가능할 것으로 판단된다.6) 특히, 현재 전 세계 수소생산량의 50 % 이상을 차지하는 메탄 수증기 개질 공정(SMR: steam methane reforming) 플랜트에 다공성 금속 합금 foam이 사용 될 경우 위에 나열된 장점을 바탕으로 공정 에너지 비용의 절감 및 설비 수명 증가에 따른 높은 경제적 효과를 얻을 수 있다.
5(d)-(g)를 통하여 다공성 FeCrAl foam 위에 NiO 촉매가 성공적으로 담지 되었음을 화학적으로 확인할 수 있었다. 따라서 dip-coating 방법을 이용한 촉매 담지는 낮은 공정 비용과 간단한 공정 과정을 토대로 산업 현장에서 즉각적으로 응용될 수 있을 것으로 기대되며 다공성 FeCrAl foam의 촉매 담지체로써의 사용은 필터 및 촉매 분야에 긍정적인 영향을 끼칠 것으로 예상된다. 더나아가 수소제조를 위한 NiO 촉매가 담지가 된 다공성 FeCrAl foam의 경우 현재 SMR 반응 및 평가를 진행중에 있다.
2 M로 증가하였을 경우 NiO 촉매들이 완전한 판상형태를 가지며 더하여 foam의 기공을 채우는 결과까지 초래하였다. 따라서 다공성 FeCrAl foam위에 최적의 NiO 촉매 담지 연구는 앞으로 다가올 수조제조에 가장 효율적인 길을 제안할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다공성 재료의 장점은?
이에 따라 전 세계적으로 환경에 대한 관심이 증대되고 있으며 특히 자동차 혹은 발전소의 매연, 폐기물 소각 등에서 발생하는 오염 물질을 감소 시키기 위하여 주로 필터로 이용되는 다공성 재료의 개발이 필수적으로 요구되고 있다. 일반적으로 전체 체적의 15~95 % 정도의 기공이 규칙적 또는 불규칙적인 분포를 갖는 재료를 다공성 재료라고 하며 재료의 기공도, 기공의 크기와 분포, 형상 등을 제어 함으로써 기존의 치밀한 재료에 비해서 큰 비표면적, 경량, 우수한 전기 및열 전도성, 뛰어난 에너지 흡수능 등의 다양한 장점을 지니게 된다. 이러한 다공성 재료는 촉매 및 촉매 담지체, 흡착제, 여과재료, 연료전지의 전극재료 등의 분야에서 폭넓게 이용되고 있다.
세라믹 foam 재료의 문제점은?
이는 반응체 내의 배압 강하 현상이 적고, 큰 기공도를 바탕으로 하는 높은 침투성을 갖기 때문에 외부와의 물질 전달이 용이하여 오염물질을 효과적으로 감소시키는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 세라믹 foam 재료는 열전도도가 낮고, 물리적 충격에 취약한 치명적인 문제점을 가지고 있다.3-5) 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 최근 다양한 재질과 형태를 갖는 대체 재료에 관한 많은 연구가 이루어지고 있으며 이러한 연구들 중에서 가장 주목 받는 재료로 다공성 금속 합금 foam을 예로 들 수 있다.
다공성 세라믹 foam 재료의장점은?
1-2) 지금까지는 이러한 응용들을 위해 주로 다공성 세라믹 foam 재료가 사용 되어져왔다. 이는 반응체 내의 배압 강하 현상이 적고, 큰 기공도를 바탕으로 하는 높은 침투성을 갖기 때문에 외부와의 물질 전달이 용이하여 오염물질을 효과적으로 감소시키는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 세라믹 foam 재료는 열전도도가 낮고, 물리적 충격에 취약한 치명적인 문제점을 가지고 있다.
참고문헌 (20)
G. J. Davies and S. Zhen, J. Mater. Sci., 18, 1899 (1983).
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