초록 ▼

요 약 문
Ⅰ. 제목
탄소계 신소재 이용 수소저장 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
대체 에너지로서 수소의 이용은 대기오염 및 지구 온난화 방지 등 환경적 측면에서도 큰 장점을 갖고 있으며 화석에너지 고갈에 대한 궁극적 해결책으로 수소에너지 기술개발의 중요성이 증대되고 있다. 본 연구는 탄소계 신소재를 이용한 수소 저장 기술의 개발을 목적으로 하고 있는데, 이는 탄소재료가 화학적으로 매우 안정하고, 열 및 전기전도성이 우수하며, 기계적인 특성면에서도 고강도, 고탄성율을 가지고 있어서 구조적으

요 약 문
Ⅰ. 제목
탄소계 신소재 이용 수소저장 기술 개발
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성
대체 에너지로서 수소의 이용은 대기오염 및 지구 온난화 방지 등 환경적 측면에서도 큰 장점을 갖고 있으며 화석에너지 고갈에 대한 궁극적 해결책으로 수소에너지 기술개발의 중요성이 증대되고 있다. 본 연구는 탄소계 신소재를 이용한 수소 저장 기술의 개발을 목적으로 하고 있는데, 이는 탄소재료가 화학적으로 매우 안정하고, 열 및 전기전도성이 우수하며, 기계적인 특성면에서도 고강도, 고탄성율을 가지고 있어서 구조적으로도 안정하기 때문이다.
나노튜브 등 탄소계 소재의 수소저장에 대하여 여러 연구 결과가 발표된 바 있지만, 실험결과의 재현성이 부족할 뿐만 아니라 수소저장량에 대해서도 그 범위가 0.2∼68wt%로 현저한 차이를 보이고 있다. 이는 아직 탄소나노튜브에 대한 정확한 물성제어가 이루어지지 않았고 수소저장 메커니즘이 확립되어 있지 않았기 때문으로 사료된다. 따라서 카본소재를 대용량의 수소저장용 매체로 이용하기 위해서는 카본소재의 성장메커니즘을 규명하여 나노튜브의 물성을 제어하고, 확립된 실험방법 등을 통해서 최대 수소저장 용량이 가능한 결정구조를 찾아서 이를 대량생산 할 수 있는 방법 등을 정립하여야 할 것이다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본연구의 내용은 그라파이트 결정구조를 갖는 결정성 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 나노구조체 등 나노구조를 갖는 탄소계 신소재와 전도성 고분자의 수소저장 가능성을 확인하고 이를 실험적으로 입증하는데에 있다. 1차년도에는 카본소재를 제조하고 수소 저장용으로 적합하도록 처리하는 기초기술을 확보하는데 주안을 두었다. 주요 연구내용으로는 XRD, SEM, TEM 등을 이용하여 나노크기의 세공구조 및 기초 물성을 연구하고, PCT 장비를 이용하여 수소저장 특성을 확인하는 것이다.
Ⅳ. 연구개발결과
지금까지 발표된 연구결과를 바탕으로 다양한 결정구조를 갖는 탄소재료의 수소저장특성과 수소저장방법 등을 고찰해보고, 열분해방법을 이용하여 탄소나노튜브를 합성하였으며, Ni 계 촉매인 NiMgO, Ni/Zeolite, LaNi5를 이용하여, 촉매금속이 탄소나노튜브의 합성에 미치는 영향을 수소저장 특성으로 비교 평가하였다. 또한 활성탄과 탄소섬유 등 다공성 탄소 replica 등과 같은 비표면적이 커서 기존의 기체 흡착제로 많이 사용되어온 비결정성 탄소재료의 수소 저장 특성과 전도성 고분자 탄소재료의 수소저장특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
[1] NiMgO, Ni/Zolite, LaNi5 등 Ni계 금속촉매를 사용하여 메탄가스의 열분해 방법으로 탄소나노튜브 합성시 650℃, NiMgO 촉매를 사용한 조건이 탄소나노튜브의 생성 수율이 가장 높게 나타났다.
[2] 열분해 방법으로 탄소나노튜브 제조 시 직경이 20∼40nm이고 내경이 5∼10nm 크기의 herringbone 구조의 탄소나노튜브가 주로 생성되었다.
[3] 합성한 탄소나노튜브의 상온에서 수소저장 실험을 통하여 압력이 증가할수록 수소저장량도 증가함을 알 수 있었으며 열처리등의 표면처리를 통해서 최고 1.4wt%의 수소저장특성을 나타내었다.
[4] 탄소섬유(carbon fiber) 및 활성탄(activated carbon), 다공성 탄소 replica등 비정질계 탄소재료를 사용한 경우 상온에서 최대 1wt%의 수소저장 특성을 나타냈다.
[5] 전도성 고분자 탄소재료를 이용하여 상온 90기압 고순도 수소가 포화시 9 ∼12 wt% 정도 흡착함을 할 수 있었으며 이는 미국 DOE에서 정한 목표 6.5 wt% 를 초과할 뿐만 아니라 부피밀도도 만족시켰다.
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
본 연구를 통하여, 결정성탄소재료인 탄소나노튜브가 비결정성 탄소재료보다 상온에서 수소저장 특성이 뛰어남을 확인하였고, 표면개질등을 통하여 향상된 수소저장이 가능함을 알았다. 특히 전도성 고분자 탄소재료를 사용하였을 경우 이미 DOE의 목표를 만족할 만한 수소저장 특성을 확인하였다. 또한 다공성 탄소 replica와 같은 탄소계 재료도 수소저장시스템으로 개발 가능함을 확인하였다.
대량생산이 가능한 탄소계 신소재 제조 방법에 대한 연구가 2차년도에도 계속적으로 이루어질 것이며, 이론적으로 수소저장능을 설명해줄 수소저장 메커니즘을 규명함으로서, 수소저장재로서의 가능성을 확고히 할 수 있는 연구가 필요할 것이다. 탄소계 재료를 이용한 수소저장기술의 연구는 시작단계에 불과하며, 다음과 같은 연구가 이루어져야 할 것이다.
[1] 결정성 탄소재료의 대량생산 및 고순도를 갖는 정제기술 개발
[2] 탄소재료중 수소저장에 유리한 구조와 그 적정 조건을 찾는 연구
[3] 수소저장 메카니즘 규명 및 수소저장이 발생하는 장소를 찾는 연구
[4] 후처리기술등을 통한 수소저장량 향상
[5] 수소저장 중 또는 후의 탄소나노튜브의 물성 변화
[6] 전도성 고분자의 수소 흡/탈착 특성에 대한 물리화학적 연구
[7] 고전도성 고분자의 합성과 특성연구
이러한 기술이 재현성을 갖추고 안정화된다면 수소저장재로서 대량생산이 가능하여 수소에너지시대를 앞당길 초석이 될 것이다.

Abstract ▼

SUMMARY
Ⅰ. Title
Development of hydrogen storage technologies using carbon-based materials
Ⅱ. Objectives and Necessity
Hydrogen energy is a good alternative for fossil fuels in view of environmental consideration and high efficient utilization. However, for application to automot

SUMMARY
Ⅰ. Title
Development of hydrogen storage technologies using carbon-based materials
Ⅱ. Objectives and Necessity
Hydrogen energy is a good alternative for fossil fuels in view of environmental consideration and high efficient utilization. However, for application to automotive vehicles, it is essential to develop the suitable media of hydrogen having high gravimetric density. The objectives of this study are to develop hydrogen storage technologies using carbon-based material, because that carbon based materials have good properties such as chemical stability, heat and electrical conductivity and mechanical properties. In this regarding, carbon based materials are powerful candidate for hydrogen storage media and will overcome the drawback of hydrogen storage media such as metal hydride and liquid hydrogen. Actually many studies on carbon materials such as activated carbon, mesoporous carbon, and fibrous carbon have been investigated on hydrogen adsorption. While this results showed no conspicuous interest, recent reports like carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphite nanofibers(GNFs) that were as high adsorption of hydrogen attract attention. These results showed not only excess of the DOE goals but also advantage of utilization with ease for transportation engine. Unfortunately, these remarkable findings have not been guaranteed. The widely variable adsorption properties on carbon based materials (0.2wt% ∼ 68wt%) were presented. The reasons of this diversity are assumed that the carbon materials have different structure and physical and chemical properties, in addition the mechanism of hydrogen adsorption to carbon has not yet been found.
So, it is needed to find the mechanism of hydrogen adsorption and to control physical and chemical properties of hydrogen-based material in order to use carbon-based material as hydrogen storage media.
III. Contents and Scope
In this year, we concentrated to the manufacturing methods of carbon based material in order to improve the ability of hydrogen storage. Various carbon based materials such as carbon nanotube, nanofiber, non-crystalline carbon and conducting polymers were used to investigate the hydrogen adsorption property. The crystallinity and morphology were investigated by XRD, SEM, and TEM. Hydrogen uptake capacity was measured by a Sieverts apparatus at ambient temperature and above 100 bar. BET data was added to characterize the physical properties on the carbon materials.
IV. Results
1) Carbon nanofibers were synthesized by catalytic decomposition of methane using Ni based catalysts such as NiMgO, Ni/Zolite and LaNi5, and hydrogen adsorption experiments were carried out by a Sieverts apparatus under 120 bar at 25℃. Hydrogen adsorption capacity was elevated up to 1.4 wt% after heat treatment at 1200℃ in N2 atmosphere. The CO and CO2 were detected by gas chromatography during heat treatment which promoted active surface suitable for hydrogen adsorption of carbon nanofibers. HRTEM and XRD analysis revealed that the structure of carbon nanofibers was durable after hydrogen uptake even at high pressures. Non-crystalline carbon showed the hydrogen adsorption less than 1wt%.
2) Hydrogen sorption in conducting polymers has been investigated to explore a new possible hydrogen storage media. The conducting polymers, polyaniline and polypyrrole treated with an acid showed an exceptionally high hydrogen sorption, 9 and 12 wt% at room temperature and under 9.3 MPa. Both molecular sieve effect and electrical effect by conducting polymers seem to play an important role in hydrogen sorption. In this work, we presented the preliminary results of hydrogen sorption in conducting polymer and the characterization by XRD, scanning electron microscopy, TGA, N2 BET method and the conductivity measurement using four probe method. Also, the possible mechanism for extraordinary high hydrogen storage was suggested based on the characterization results.
Ⅴ. Application Plan
Throughout the first-year study, it was identified that the hydrogen sorption characteristics of the crystalline carbon nanotubes were much better than those of non-crystalline carbon materials, increasing hydrogen storage capability by surface modifications. In particular, the conducting polymer carbon materials displayed the possibility to attain the DOE target value for hydrogen storage capability. It was also identified that the porous carbon replica could be developed for an effective storage of hydrogen.
The Research and Development works to develop new carbon materials available for mass production will be also continued in the second-year study, and by finding out a theoretical hydrogen storage mechanism to solve the increased hydrogen storage capability, the potential of the carbon-based materials for hydrogen storage would be able to be settled. The Research and Development area expected for the hydrogen storage using carbon-based materials is as follows
[1] to produce crystalline carbon materials in a large scale and to develop high-purity refining technologies
[2] to find out the structures and conditions beneficial to hydrogen storage of carbon-based materials
[3] to find out hydrogen storage mechanism and its occurrence locations
[4] to improve hydrogen storage capability by means of treatment-after-treatment method, etc.
[5] to study the change in the characteristics of carbon nanotubes during or after the hydrogen storage process
[6] to conduct physico-chemical study on the hydrogen sorption/desorption properties of conducting polymers
[7] to study th synthetic method and characteristics of conducting polymers.
If these technologies could be equipped with reproducibility and stability, the possibility of carbon-based materials as an effective hydrogen storage material would be soundly proved.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론
  제 2 장 탄소계 소재의 연구개발 현황
  제 1 절 개 요
  제 2 절 나노구조 탄소재료의 수소저장특성
  1. 탄소재료의 구조형태에 따른 수소저장특성
  가. Carbon nanofiber(CNF) 수소저장특성
  나. SWNT 수소저장특성
  다. MWNT 수소저장특성
  2. 탄소재료의 수소저장 증가 방법
  가. 표면처리(acid and heat treatment)
  나. well-aligned carbon nanotubes
  다. 고순도 나노튜브
  라. 도핑에 의한 수소저장량 향상
  제 3 절 탄소나노튜브의 수소저장과 전도성 고분자
  제 3 장 수소저장용 탄소계 신소재 개발
  제 1 절 탄소나노튜브의 제조 및 수소저장 특성
  1. 실험방법
  가. 수소저장량 측정