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논문 상세정보

Ru/Al2O3/메탈폼 촉매를 이용한 친환경 액체추진제 분해

Decomposition of Eco-friendly Liquid Propellants over Ruthenium/Al2O3/metal foam Catalysts

청정기술 = Clean technology v.25 no.3 , 2019년, pp.256 - 262  
초록

Hydroxylammonium nitrate (HAN) 기반 액상 추진제는 발암물질이 아니며 연소가스 또한 독성이 거의 없어서 환경 친화적인 추진제로 주목을 받고 있다. 추력기에서 HAN 기반 액체추진제를 분해하는데 사용되는 촉매는 저온 활성 및 고내열성을 동시에 보유하고 있어야 한다. 본 연구의 목적은 metal foam 표면에 alumina slurry를 wash coating 방법으로 담지한 후, 루테늄(ruthenium) 전구체를 그 위에 담지하여 Ru/alumina/metal foam 촉매를 제조하고, 이 촉매의 HAN 수용액 분해 활성을 평가하는 것이다. Wash coating 방법으로 metal foam 지지체에 알루미나를 담지시키는 과정에서 wash coating 반복 횟수가 alumina/metal foam의 물리적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 알루미나 wash coating 횟수가 증가할수록 약 7 nm의 직경을 갖는 메조기공이 지속적으로 발달하여 표면적과 기공 부피가 증가하는데, metal foam에 알루미나를 코팅하는 과정을 12 회 반복하는 것이 최적이라고 판단하였다. 이 지지체에 Ru을 담지한 Ru/alumina/metal foam 촉매의 표면에도 메조기공이 잘 발달하였다. 활성금속과 알루미나를 담지하지 않은 metal foam 자체만으로도 HAN 수용액의 분해반응을 촉진할 수 있음을 알 수 있었다. Ru/alumina/metal foam-550촉매의 경우는 열분해 반응에 비해서 분해개시온도를 큰 폭으로 낮추었고, ${\Delta}P$를 크게 증가시킬 수 있어서, HAN 수용액 분해 반응에서 우수한 활성을 보였다. 그러나 이 촉매를 $1,200^{\circ}C$에서 소성하면 반응 활성이 저하되는데 이는 촉매의 표면적과 기공 부피가 급격하게 감소하고 Ru이 소결되기 때문이다. 추가적인 연구를 통해서 Ru/alumina/metal foam의 내열성을 개선할 필요성이 있다.

Abstract

Hydroxylammonium nitrate (HAN)-based liquid propellants are attracting attention as environmentally friendly propellants because they are not carcinogens and the combustion gases have little toxicity. The catalyst used to decompose the HAN-based liquid propellant in a thruster must have both low temperature activity and high heat resistance. The objective of this study is to prepare an Ru/alumina/metal foam catalyst by supporting alumina slurry on the surface of NiCrAl metal foam using a washing coating method and then to support a ruthenium precursor thereon. The decomposition activity of a HAN aqueous solution of the Ru/alumina/metal foam catalyst was evaluated. The effect of the number of repetitive coatings of alumina slurry on the physical properties of the alumina/metal foam was analyzed. As the number of alumina wash coatings increased, mesopores with a diameter of about 7 nm were well-developed, thereby increasing the surface area and pore volume. It was optimal to repeat the wash coating alumina on the metal foam 12 times to maximize the surface area and pore volume of the alumina/metal foam. Mesopores were also well developed on the surface of the Ru/alumina/metal foam catalyst. It was found that the metal form itself without the active metal and alumina can promote the decomposition reaction of the HAN aqueous solution. In the case of the Ru/alumina/metal foam-550 catalyst, the decomposition onset temperature was significantly lowered compared with that of the thermal decomposition reaction, and ${\Delta}P$ could be greatly increased in the decomposition of the HAN aqueous solution. However, when the catalyst was calcined at $1,200^{\circ}C$, the catalytic activity was lowered inevitably because the surface area and pore volume of the catalyst were drastically reduced and Ru was sintered. Further research is needed to improve the heat resistance of Ru/alumina/metal foam catalysts.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
분해개시온도
분해개시온도를 낮출 수 있는 촉매 개발이 필수적인 이유는 무엇인가?
인공위성 내에는 에너지원의 저장 공간이 제한되어 있기 때문에 에너지 소비를 최소화해야 한다.

HAN 기반의 액체추진제가 추력기 내에서 ‘분해개시온도(decomposition onset temperature)’로 알려진 특정 온도 이상으로 충분히 가열해주면 폭발적 분해가 일어난다. 그러나 인공위성 내에는 에너지원의 저장 공간이 제한되어 있기 때문에 에너지 소비를 최소화해야 한다. 이 문제를 해결하기 위해서는 촉매 분해를 통해서 분해개시온도를 가능한 한 낮추어야 한다.

친환경 저독성 추진제
친환경 저독성 추진제로는 무엇이 있는가?
ammonium dinitramide (ADN, NH4N(NO2)2) 그리고 hydroxylammonium nitrate (HAN, NH3OHNO3) 등이 있다.

따라서, 맹독성 추진제인 히드라진 대신에 녹색 추진제(Green Propellants)라 불리는 친환경 저독성 추진제가 주목받고 있다. 친환경 저독성 추진제로는 ammonium dinitramide (ADN, NH4N(NO2)2) 그리고 hydroxylammonium nitrate (HAN, NH3OHNO3) 등이 있다. HAN 계열 추진제는 기존의 하이드라진 추진제에 비해 분해 시 발암물질의 발생이 적으며, 연소가스 또한 독성이 거의 없어서 환경 친화적이다.

HAN 계열 추진제
HAN 계열 추진제의 장점은 무엇인가?
기존의 하이드라진 추진제에 비해 분해 시 발암물질의 발생이 적으며, 연소가스 또한 독성이 거의 없어서 환경 친화적

친환경 저독성 추진제로는 ammonium dinitramide (ADN, NH4N(NO2)2) 그리고 hydroxylammonium nitrate (HAN, NH3OHNO3) 등이 있다. HAN 계열 추진제는 기존의 하이드라진 추진제에 비해 분해 시 발암물질의 발생이 적으며, 연소가스 또한 독성이 거의 없어서 환경 친화적이다. 그리고 비추력 특성이 우수하고, 히드라진에 비해 빙점이 낮고 밀도가 높다는 장점을 지니고 있다[4,5].

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