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NiCrAl 합금 폼의 안정성 향상을 위해 코팅된 Nb-doped TiO2의 효과
The Effect of Nb-doped TiO2 Coating for Improving Stability of NiCrAl Alloy Foam 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.5, 2019년, pp.328 - 335  

조현기 (서울과학기술대학교 신소재공학과) ,  신동요 (서울과학기술대학교 의공학-바이오소재 융합 협동과정 신소재공학프로그램) ,  안효진 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Nb-doped $TiO_2$(NTO) coated NiCrAl alloy foam for hydrogen production is prepared using ultrasonic spray pyrolysis deposition(USPD) method. To optimize the size and distribution of NTO particles based on good physical and chemical stability, we synthesize particles by adjusting the weigh...

주제어

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제안 방법

  • 이는 코팅된 NTO 입자의 Nb 도핑양의 변화로 NiCrAl 합금 폼을 구성하는 원자의 함량이 상대적으로 감소되는 것이며, 앞서 언급한 XRD 및 XPS결과와 일치한다. 22) 따라서, 최적의 Nb 도핑양에 따른 입자 크기의 제어 및 분포가 NiCrAl 합금 폼의 내식성 향상을 가져올 것으로 판단되고, 이 를 확인하기 위해 정전압-전류 측정법을 통한 샘플의 전기화학적 안정성 평가를 수행하였다.
  • 또한 공정 변수 제어를 통해 코팅층의 두께 제어가 용이하며 액체 상태의 코팅용액을 다양한 온도에서 증착이 가능하기 때문에 폭넓은 응용이 가능하다.9) 따라서, 본 연구에서는 초음파 분무 열 분해법을 이용하여 NTO를 NiCrAl합금 폼에 코팅하는 연구를 진 행하였으며, Nb전구체 용액을 Ti전구체 용액 대비 각각 5 wt%, 10 wt% 및 15 wt%로 첨가하였다. 또한, Nb의 도핑양에 따른 NTO입자의 결정구조, 화학적 결합 상태 및 안정성 분석을 통하여 NTO입자 코팅층의 보호 효과를 규명하였다.
  • 2V 및 10,000초로 동일하게 진행하였다. 또한 정전압-전류 측정 과정에서 발생한 전기화학적 반응에 따른 전해질에 용출된 성분들을 유도결합 플라즈마 분석기(inductively coupled plasma spectrometer, ICP)를 이용하여 정량적으로 분석하였고, 각각의 전해질에 포함된 Cr, Ni, Al, Nb 및 Ti의 성분을 ppm 단위로 분석하여 Table 3에 간략히 나타냈다. 순수한 NiCrAl 합금 폼의 경우 Ni, Cr, Al 성분이 각각 658.
  • 9) 따라서, 본 연구에서는 초음파 분무 열 분해법을 이용하여 NTO를 NiCrAl합금 폼에 코팅하는 연구를 진 행하였으며, Nb전구체 용액을 Ti전구체 용액 대비 각각 5 wt%, 10 wt% 및 15 wt%로 첨가하였다. 또한, Nb의 도핑양에 따른 NTO입자의 결정구조, 화학적 결합 상태 및 안정성 분석을 통하여 NTO입자 코팅층의 보호 효과를 규명하였다.
  • 또한 챔버 내에서 NiCrAl 합금 폼에 일정한 NTO입자 코팅을 위해 분무 시간은 40분 및 챔버 내 기판의 회전속도는 5 rpm으로 고정되었고, 모든 샘플은 반응 챔버에서 자연적으로 냉각시킨 후 회수하였다. 또한, 본 연구에서는 Nb 도핑양에 따른 NTO 입자의 물리적/화학적 안정성을 분석하기 위하여 Nb 전구체 용액 을 Ti 전구체 용액 9.15 mL 대비 각각 5 wt%, 10 wt% 및 15 wt% 중량비로 첨가하였다. 따라서, 합성된 NbTiO2 용액을 초음파 분무 열 분해법을 통해 NTO 코팅 된 NiCrAl 합금 폼을 성공적으로 제조하였고, 최종 샘플들은 첨가된 Nb 전구체 용액의 중량비율 변화에 따라서 본 논문에서 각각 5NTO-NiCrAl, 10NTO-NiCrAl, 15NTO-NiCrAl 로 언급될 것이다.
  • 2 V 및 10,000 초로 모든 샘플에서 동일하게 진행하였다. 또한, 정전압-전류 측정 과정에서 샘플들의 내식성 및 화학적 안정성을 정량적으로 분석하기 위해 측정 후 사용된 전해질을 유도결합 플라즈마 분석기(inductively coupled plasma spectroscopy, Agilent Technologies 720 ICP-OES)를 사용하여 측정하였다. 측정 시 사용한 플라즈마 장치는 RF power 및 Pt 플라즈마 토치를 이용하였고, 냉각제 가스의 유량은 1.
  • 본 연구에서는 첨가된 Nb전구체 용액의 중량비율 조절에 따라 합성된 NTO용액을 초음파 분무 열분해법을 이용하여 수소제조용 촉매 지지체로 사용되는 NTO 코팅된 NiCrAl 합금 폼을 제조하였다. 즉, NTO입자의 물 리적/화학적 안정성을 증대시키기 위해 Nb 전구체 용액을 Ti 전구체 용액 대비 각각 5 wt%(5NTO-NiCrAl), 10 wt%(10NTO-NiCrAl), 15 wt%(15NTO-NiCrAl)로 첨가하였고, 이들의 구조적, 화학적 분석 및 전기화학적 안정성 평가를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 첨가된 Nb전구체 용액의 중량비율 조절에 따라 합성된 NTO용액을 초음파 분무 열분해법을 이용하여 수소제조용 촉매 지지체로 사용되는 NTO 코팅된 NiCrAl 합금 폼을 제조하였다. 즉, NTO입자의 물 리적/화학적 안정성을 증대시키기 위해 Nb 전구체 용액을 Ti 전구체 용액 대비 각각 5 wt%(5NTO-NiCrAl), 10 wt%(10NTO-NiCrAl), 15 wt%(15NTO-NiCrAl)로 첨가하였고, 이들의 구조적, 화학적 분석 및 전기화학적 안정성 평가를 수행하였다. 초음파 분무 열분해법을 이용하여 코팅된 NTO입자는 Nb의 도핑양이 증가함에 따라 점차 성장하고, 10NTO-NiCrAl에서 가장 최적화된 입자 크기와 분포가 관찰되었다.
  • 또한, 정전압-전류 측정 과정에서 샘플들의 내식성 및 화학적 안정성을 정량적으로 분석하기 위해 측정 후 사용된 전해질을 유도결합 플라즈마 분석기(inductively coupled plasma spectroscopy, Agilent Technologies 720 ICP-OES)를 사용하여 측정하였다. 측정 시 사용한 플라즈마 장치는 RF power 및 Pt 플라즈마 토치를 이용하였고, 냉각제 가스의 유량은 1.4 mL/min 으로 각각의 전해질에 포함된 Cr, Ni, Al, Nb 및 Ti의 성분을 ppm 단위로 분석하였다.
  • X-ray source)을 사용하여 측정하였다. 표면 분석을 위해 전계 방사형 주사전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800)을 이용하여 수행하였고, 구성 원소의 성분 분석을 위해 X-선 분광 분석기가 부착된 주사 전자 현미경(SEM-EDS, Thermo NSS3) 을 이용하여 수행하였다. 또한 NTO 코팅된 NiCrAl 합금 폼의 물리적/화학적 안정성 평가 실험을 위해 3전극 시스템을 이용한 정전압-전류 측정법(chronoamperometry, CA)를 사용하였다.

대상 데이터

  • 23) 따라서, NTO 코팅된 NiCrAl 합금 폼에 3전극 시스템을 이용한 정전압-전류 측정법(chronoamperometry, CA)을 이용해 일정한 전압을 인가하였다. 3전극 시스템은 작업전극(NiCrAl alloy foam, 5NTO-NiCrAl, 10NTO-NiCrAl 및 15NTO-NiCrAl), 기준전극(Ag/AgCl, saturated KCl) 및 상대전극(Pt wire)을 사용했다. 측정 시 사용한 전해질은 2M의 CH3OH와 0.
  • 6 MHz)를 이용하여 400ºC의 챔버안에 위치시킨 NiCrAl 합금 폼에 용액을 분무하였다. 이 때, 운반가스로는 Air 가스(20 % : 80 % = O2 : N2)를 사용하였고, 가스의 주입속도는 15 L min-1 및 흡입 속도는 10 L min-1으로 고정하였다. 또한 챔버 내에서 NiCrAl 합금 폼에 일정한 NTO입자 코팅을 위해 분무 시간은 40분 및 챔버 내 기판의 회전속도는 5 rpm으로 고정되었고, 모든 샘플은 반응 챔버에서 자연적으로 냉각시킨 후 회수하였다.
  • 또한 NTO 코팅된 NiCrAl 합금 폼의 물리적/화학적 안정성 평가 실험을 위해 3전극 시스템을 이용한 정전압-전류 측정법(chronoamperometry, CA)를 사용하였다. 정전압-전류 측정은 작업전극(NiCrAl alloy foam, 5NTO-NiCrAl, 10NTO-NiCrAl 및 15NTONiCrAl), 기준전극(Ag/AgCl, saturated KCl) 및 상대전극(Pt wire)을 사용하였다. 측정 시 사용한 전해질은 2M의 CH3OH와 0.
  • 정전압-전류 측정은 작업전극(NiCrAl alloy foam, 5NTO-NiCrAl, 10NTO-NiCrAl 및 15NTONiCrAl), 기준전극(Ag/AgCl, saturated KCl) 및 상대전극(Pt wire)을 사용하였다. 측정 시 사용한 전해질은 2M의 CH3OH와 0.5 M의 H2SO4가 혼합된 용액을 사용하였으며, 인가된 전압 및 측정 시간은 각각 1.2 V 및 10,000 초로 모든 샘플에서 동일하게 진행하였다. 또한, 정전압-전류 측정 과정에서 샘플들의 내식성 및 화학적 안정성을 정량적으로 분석하기 위해 측정 후 사용된 전해질을 유도결합 플라즈마 분석기(inductively coupled plasma spectroscopy, Agilent Technologies 720 ICP-OES)를 사용하여 측정하였다.
  • 3전극 시스템은 작업전극(NiCrAl alloy foam, 5NTO-NiCrAl, 10NTO-NiCrAl 및 15NTO-NiCrAl), 기준전극(Ag/AgCl, saturated KCl) 및 상대전극(Pt wire)을 사용했다. 측정 시 사용한 전해질은 2M의 CH3OH와 0.5 M의 H2SO4가 혼합된 용액을 사용하였으며, 인가된 전압 및 측정 시간은 각각 1.2V 및 10,000초로 동일하게 진행하였다. 또한 정전압-전류 측정 과정에서 발생한 전기화학적 반응에 따른 전해질에 용출된 성분들을 유도결합 플라즈마 분석기(inductively coupled plasma spectrometer, ICP)를 이용하여 정량적으로 분석하였고, 각각의 전해질에 포함된 Cr, Ni, Al, Nb 및 Ti의 성분을 ppm 단위로 분석하여 Table 3에 간략히 나타냈다.

이론/모형

  • 니오븀 도핑된 이산화 티타늄(Nb-doped TiO2, NTO)이 코팅된 NiCrAl 합금 폼(NiCrAl alloy foam, Alantum)을 제조하기 위해 본 연구에서는 초음파 분무 열분해법을 이용하였다. NiCrAl 합금 폼에 NTO를 코팅하기 위해 NiCrAl 합금 폼을 5×5 cm2의 크기로 준비하고, 코팅 용액은 다음과 같이 제조하였다.
  • 표면 분석을 위해 전계 방사형 주사전자 현미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800)을 이용하여 수행하였고, 구성 원소의 성분 분석을 위해 X-선 분광 분석기가 부착된 주사 전자 현미경(SEM-EDS, Thermo NSS3) 을 이용하여 수행하였다. 또한 NTO 코팅된 NiCrAl 합금 폼의 물리적/화학적 안정성 평가 실험을 위해 3전극 시스템을 이용한 정전압-전류 측정법(chronoamperometry, CA)를 사용하였다. 정전압-전류 측정은 작업전극(NiCrAl alloy foam, 5NTO-NiCrAl, 10NTO-NiCrAl 및 15NTONiCrAl), 기준전극(Ag/AgCl, saturated KCl) 및 상대전극(Pt wire)을 사용하였다.
  • 제조된 모든 샘플들의 결정구조 분석을 위해 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)을 이용하여 2θ = 10~90º 회절 범위에서 1º min-1의 속도로 측정하였고, 화학적 결합 상태 분석을 위해 X-선 광전자 주사법(X-ray photo-electron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250 equipped with an Al kα X-ray source)을 사용하여 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SMR 공정이 고온에서 반응이 진행된다는 문제점을 해결할 수 있는 방안은? 하지만, 이러한 SMR 공정은 고온(600°C-800°C)에서 반응이 진행되어 긴 구동 시간 및 높은 제조 비용 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 Ce, Pt, Ru 및 Ni 등의 메탄 개질 촉매의 사용이 필수적으로 요구되며, 촉매의 활성을 증가시키는 전략이 필요하다. 이중에서 Ni 촉매의 경우 높은 열 안정성과 우수한 가격 경쟁력 및 환경 친화적 등의 장점을 가지고 있어 주로 이용되고 있다. 4) 또한, 촉매의 활성을 증가시키는 전략으로는 촉매 지지체 도입, 조촉매 도입 및 촉매 합금화 등의 방법이 있으며, 특히 촉매 지지체 도입은 ZrO2, Al2O3 및 La2O3 등의 세라믹 소재에 메탄 개질 촉매를 코팅하여 반응 면적을 증가시키는 전략으로 현재 상업적으로 널리 사용되고 있다.
수증기 개질 공정은 무엇인가? 이들 중 수소 에너지의 경우 수소의 원료가 되는 탄화수소와 물이 지구상에 풍부하게 존재하며 연소 시 다시 산소와 결합하여 물을 생성하는 무공해 에너지로서, 환경오염의 문제가 없는 신재생 에너지원이다. 1) 수소를 발생시켜 연료로 이용하는 대표적인 공정으로는 탄화수소의 부분산화로 수소를 발생하는 부분산화 공정(partial oxidation, POX), 탄화수소와 수증기를 반응시켜 수소를 발생하는 수증기 개질 공정(steam reforming, SR) 및 부분산화 공정과 수증기 개질 공정 의 혼합 공정인 자열 개질 공정(autothermal reforming, ATR)등이 있다. 2) 이들 중 수증기 개질 공정의 경우 현재 상용화된 수소 발생 공정으로서 다른 수소 발생 공정에 비해 높은 수소 변환 효율 및 낮은 제조 단가의 장점을 보유하고 있다.
Ni 촉매의 한계는? 4) 또한, 촉매의 활성을 증가시키는 전략으로는 촉매 지지체 도입, 조촉매 도입 및 촉매 합금화 등의 방법이 있으며, 특히 촉매 지지체 도입은 ZrO2, Al2O3 및 La2O3 등의 세라믹 소재에 메탄 개질 촉매를 코팅하여 반응 면적을 증가시키는 전략으로 현재 상업적으로 널리 사용되고 있다. 하지만, Ni 촉매는 고온의 SMR 공정에서 촉매 표면의 탄소 침착(carbon deposition)의 문제점을 갖고 있으며, 이는 촉매 활성 면적을 감소시켜 수소 변환을 위한 촉매의 성능 및 안정성을 저하하는 치명적인 문제이다. 또한, 세라믹계 지지체의 경우 낮은 열전도도와 열충격에 취약하기 때문에 촉매의 활성을 증가시키기 위한 지지체 개발의 한계를 가지고 있다.
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참고문헌 (24)

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