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[국내논문] 바닷물을 이용한 NaBH4 가수분해에 의한 수소발생
Generation of Hydrogen from Hydrolysis Reaction of NaBH4 Using Sea Water 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.6, 2019년, pp.758 - 762  

이대웅 (순천대학교 화학공학과) ,  오소형 (순천대학교 화학공학과) ,  김준성 (순천대학교 화학공학과) ,  김동호 (순천대학교 화학공학과) ,  박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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이동용 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 수소발생용으로써 $NaBH_4$는 많은 장점을 갖고 있다. 해상용으로 PEMFC가 사용될 때 해수를 이용해 $NaBH_4$를 가수분해 하면 경제적이다. 그래서 본 연구에서는 $NaBH_4$ 가수분해 과정에 증류수대신 해수를 이용해 수소를 발생시켰다. 활성탄 담지 Co-B/C 촉매를 사용해 $NaBH_4$ 가수분해 특성에 대해 연구하였다. 해수 사용시 $NaBH_4$ 농도와 NaOH농도가 증가하면서 수소수율이 감소하였다. 높은 $NaBH_4$와 NaOH농도에서 촉매 표면에 부산물이 부착되어 증류수에 비해 수소수율이 감소했다. $NaBH_4$ 가수분해 활성화에너지는 증류수와 해수 각각 59.3, 74.4kJ/mol로 해수에서 수소발생속도를 증류수와 같이 높이려면 반응온도를 $80^{\circ}C$이상 상승시켜야 함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Sodium borohydride,$NaBH_4$, has many advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). When PEMFC is used for marine use, $NaBH_4$ hydrolysis using seawater is economical. Therefore, in this study, hydrogen was generated by using seawater ...

주제어

#Sodium borohydride   #Hydrolysis   #Sea water   #Co-B/C catalyst   #Hydrogen yield   #Fuel cell  

표/그림 (8)

AI 본문요약
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제안 방법

  • NaBH4 농도 10~20 wt%, NaOH 1.0 wt% 수용액을 제조해서 Co-B/C촉매 20 mg이 담긴 섬유 팩과 회분식 반응기에서 접촉시켜 가수분해 반응을 진행하였다.
  • 연속 흐름 반응기에서 비담지 촉매 팩의 문제는 촉매 팩의 기공을 통과해 나가는 촉매분말 때문에 촉매 손실률이 높은 문제점이 있다[12]. 그래서 본 연구에서는 이런 문제점을 개선하기 위해 저가이면서 담지율이 높은 활성탄에 Co-B촉매를 담지해 촉매 팩에 고정시킨 Co-B/C 촉매팩을 사용하였다.
  • NaBH4 가수분해 반응은 분말 NaBH4를 물에 용해시킨 수용액을 촉매반응기에 공급함으로써 진행된다. 지금까지 증류수로 NaBH4 수용액을 만들어 사용했는데, 해상용 기기들에는 해수를 이용하면 연료전지실용화에 유리하여 본 연구를 수행하게 되었다. Co-B/C촉매를 팩에 넣어 반응시키면서 NaBH4 가수분해 반응에 해수를 이용할 수 있는 조건을 찾았다.
  • 지금까지 증류수로 NaBH4 수용액을 만들어 사용했는데, 해상용 기기들에는 해수를 이용하면 연료전지실용화에 유리하여 본 연구를 수행하게 되었다. Co-B/C촉매를 팩에 넣어 반응시키면서 NaBH4 가수분해 반응에 해수를 이용할 수 있는 조건을 찾았다.
  • 0 wt% 수용액을 제조해서 Co-B/C촉매 20 mg이 담긴 섬유 팩과 회분식 반응기에서 접촉시켜 가수분해 반응을 진행하였다. 반응기의 온도가 일정하게 유지되게 열교환시키며 MFM(mass flow meter, CNL Energy)으로 수소 발생량을 측정하였다. MFM으로 수분이 유입되지 않게 하기 위해 반응기 유출 가스를 -5 ℃의 냉각기를 통과한 후 MFM으로 유입되게 하였다.
  • NaBH4가수분해 반응 전 후 촉매 표면의 형태 및 성분을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Hitachi S-3500N)을 이용해 분석하였으며 Beam 전위는 10 kV였다.
  • 촉매 표면에 부착된 부산물의 함량을 측정하기 위해 반응전후 촉매 시료를 질산에 용해시킨 시료를 유도결합플라스마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Spectrometer, Perkin Elmer, D-Time, 3300DC)로 분석하였다.

대상 데이터

  • 활성탄담지 Co-B/C 촉매는 활성탄(Aldrich)을 NaBH4(Aldrich)와 혼합해 에탄올과 물에 용해시킨 수용액과 CoCl2·6H2O(Aldrich) 수용액을 몰비 3:1로 제조하였다.
  • NaBH4 20.0 wt%, NaOH 1.0 wt%, 60 oC에서 실험하였다.
  • 해수는 전남 순천시 별량면 학산리 화포해변에서 채취했다. 해수의 염도는 2.
  • 6 mm 초기에는 증류수와 비슷하나 7~10분 이후 수소발생속도가 감소하는데, 이것은 NaBH4가수분해 반응 후 부산물이 생성되어 두꺼운 팩의 경우 반응물의 유입과 부산물의 유출이 어렵기 때문이다. 수소 발생량 면에서는 촉매팩이 얇은 0.8 mm 두께가 좋으나, 너무 얇으면 촉매의 유실이 많은 문제점이 있어 1.6 mm 두께으로 실험하는 것이 최적조건이라고 할 수 있으므로 이후 실험에서는 1.6 mm 두께 촉매팩을 사용했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NaBH 4의 특징은 무엇인가? NaBH 4 는 10.8 wt%의 높은 수소저장용량을 가지며 반응생성물인 borax는 친환경적이고, 반응물로 재생산가능하다. NaBH 4 의 가수분해 반응속도가 느리기 때문에 촉매를 사용해 수소발생속도를 향상시키며 NaBH 4 저장 중 안정성을 위해 NaOH를 첨가한다[4,5].
무인기에 대한 연구개발이 활발해진 이유는 무엇인가? 최근에 군사용이 아닌 상업용으로 드론의 용도가 확대되면서 무인기에 대한 연구개발이 어느 때보다 활발해지고 있다[1]. 요구되는 비행시간이 점차 증가하는 무인 항공기의 전원으로서 2차 전지는 한계가 있어 이를 대체할 소형 연료전지 개발이 시급한 상황이다.
무인 항공기의 연료인 수소를 저장, 공급하기에 가장 적합한 방법은 무엇인가? 여러 연료전지 중에 고분자전해질연료전지(PEMFC)가 무인항 공기용 연료전지로 적합한데 연료인 수소를 저장·공급할 수 있는 방법이 어려운 점이 문제다[2,3]. 수소 저장·공급에는 많은 방법이 있지만 이들 중에서 붕소수소화물과 같은 화학적 수소화물이 여러 측면에서 제일 적합한 방법이라 할 수 있다.
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참고문헌 (13)

  1. Commercial Drones: Highways in the Sky, Unmanned Aerial Systems (UAS), Market Shares, Strategies, and Forecasts, Worldwide, 2015 to 2021, http//wintergreenresearch.com/reports/CommercialUAS.html. 

  2. Bradley, T. H., Moffitt, B. A., Mavris, D. N. and Parekh, D. E., "Development and Experimental Characterization of a Fuel Cell Powered Aircraft," J. Power Sources, 171, 793-801(2007). 

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  3. Liu, B. H. and Li, Z. P., "A Review: Hydrogen Generation from Borohydride Hydrolysis Reaction," J. Power Sources, 187, 527-534(2009). 

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  4. Fernandes, R., Patel, N., Miotello, A., Jaiswal, R. and Korthari, D. C., "Stability, Durability, and Reusability Studies on Transition Metal-doped Co-B Alloy Catalysts for Hydrogen Production," Int. J. Hydrogen Energy, 36, 13379-13391(2011). 

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  5. Moon, G. Y., Lee, S. S., Yang, G. R. and Song, K. H., "Effects of Organic Acid Catalysts on the Hydrogen Generation from $NaBH_4$ ," Korean J. Chem. Eng., 27(2), 474-479(2010). 

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  6. Simagina, V. I., Netskina, O. V., Komova, O. V., Odegova, G. V., Kochubei, D. I. and Ishchenko, A. V., "Activity of Rh/ $TiO_2$ Catalysts in NaBH4 Hydrolysis: The Effect of the Interaction Between $RhCl_3$ and the Anatase Surface During Heat Treatment," Kinetics and Catalysis, 49(4), 568-573(2008). 

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  7. Simagina, V. I., Storozhenko, P. A., Netskina, O. V., Komova, O. V., Odegova, G. V., Samoilenko, T. Y. and Gentsler, A. G., "Effect of the Nature of the Active Component and Support on the Activity of Catalysts for the Hydrolysis of Sodium Borohydride," Kinetics and Catalysis, 48(1), 168-175(2007). 

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  8. Demirci, U. B. and Garin, F., "Promoted Sulphated-zirconia Catalysed Hydrolysis of Sodium Tetrahydroborate," Catal. Commun., 9(6), 1167-1172(2008). 

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  9. Chen, Y. and Kim, H., "Ni/Ag/silica Nanocomposite Catalysts for Hydrogen Generation from Hydrolysis of $NaBH_4$ Solution," Mater. Lett., 62, 1451-1454(2008). 

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  10. Hwang, B. C., Jo, A. R., Sin, S. J., Choi, D. K., Nam, S. W. and Park, K. P., " $NaBH_4$ Hydrolysis Reaction Using Co-P-B Catalyst Supported on FeCrAlloy," Korean Chem. Eng. Res., 51(1), 35-41(2013). 

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  11. Lee, H. R., Na, I. C. and Park, K. P., "Characteristics of Hydrolysis Reaction Using Unsupported Catalyst at High Concentration of $NaBH_4$ Solutions," Korean Chem. Eng. Res., 54(5), 587-592(2016). 

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  12. Oh, S. J., Jung, H. S., Jeong, J. J., Na, I. C., Ahn, H. G. and Park, K. P., "Hydrolysis Reaction of $NaBH_4$ Using Unsupported Co-B, Co-P-B Catalyst," Korean Chem. Eng. Res., 53(1), 11-15(2015). 

    원문보기 상세보기 crossref

  13. Hwang, B. C., Jo, J. Y., Sin, S. J., Choi, D. K., Nam, S. W. and Park, K. P., "Study on the Hydrogen Yield of $NaBH_4$ Hydrolysis Reaction," Korean Chem. Eng. Res., 49(5), 516-520(2011). 

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