초록 ▼

o 본 연구는 1) 금속치환페라이트의 태양 열화학적 물분해의 열역학적 고찰 및 효율분석 2) 태양 열화학적 물분해용 금속산화물의 제조와 열안정성 확보를 위한 결합제 연구 3) 메탄을 이용한 태양 열화학적 수소제조용 금속산화물 개발 4) 유동층 반응기의 태양 열화학적 수소제 조 적용 연구 5) 열화학적 수소제조용 금속페라이트의 구조분석 6) 금속 산화물을 기반으로 한 신 개념 열화학 사이클의 기초 연구 7) 산화철의 산화-환원을 이용한 화학적 수소 저장연구로 구분될 수 있다.
o 기존의 제안된 금속치환페라이트의 열적환원 및 물분

o 본 연구는 1) 금속치환페라이트의 태양 열화학적 물분해의 열역학적 고찰 및 효율분석 2) 태양 열화학적 물분해용 금속산화물의 제조와 열안정성 확보를 위한 결합제 연구 3) 메탄을 이용한 태양 열화학적 수소제조용 금속산화물 개발 4) 유동층 반응기의 태양 열화학적 수소제 조 적용 연구 5) 열화학적 수소제조용 금속페라이트의 구조분석 6) 금속 산화물을 기반으로 한 신 개념 열화학 사이클의 기초 연구 7) 산화철의 산화-환원을 이용한 화학적 수소 저장연구로 구분될 수 있다.
o 기존의 제안된 금속치환페라이트의 열적환원 및 물분해에 대한 열역학적 고찰을 통해 $NiFe_2O_4$와 $MnFe_2O_4$는 약 1,050K 내외에서 격자 산소의 해리가 발생하는 것으로 계산되었다.
또한 $Mn_{0.5}Fe_{2.5}O_4/Mn_{0.5}Fe_{2.5}O_{3.875}$ 열화학 사이클의 경우 100% 열회수가 이루어 졌을 때는 55%의 에너지 효율을 갖는 것으로 산출되었다.
o 금속 페라이트의 열적환원 및 물분해 산화특성을 평가하기 위한 등온 및 비 등온의 열중량 분석법을 통해 자철광의 $Fe^{2+}$이온 0.5몰을 금속으로 치환하는 경우 $Mn^{2+}$로 치환된 $Mn_{0.5}Fe_{2.5}O_{4-\delta}$의 물 분해 산화반응성이 가장 우수하였으며 졸-겔 자전 연소법등의 제조 방법을 사용하여 나노크기 및 비표면이 향상된 시료 입자를 합성하는 것에 의하여 물 분해 산화 반응성을 약 2배까지 향상시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다.
o 고정층반응기에서 치환금속페라이트를 이용한 $1,300^{\circ}C$ 환원 및 $1,000^{\circ}C$ 물 분해 실험을 통해 Mn, Ni, Co-Ferrite에서 $0.1\sim0.5cc/g-material$의 수소발생을 확인하였으며 모든 치환 페라이트가 심한 소결현상을 보이며 $ZrO_2$를 혼합할 경우 열적안정성과 함께 반복 사용성을 확보 가능한 것으로 나타났으며 $Co-ferrite/ZrO_2$를 사용하여 20회 반복 환원/물 분해 실험을 실시한 결과 0.5cc/g-material의 수소 발생량이 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.
o $Cu_{0.6}Fe_{2.4}O_4(KOH),\;Cu_{0.6}Fe_{2.4}O_4(NH_4OH)$에 대해 메탄 환원과 산소 산화/물 분해 실험을 실시하였으며 Cu는 열역학적 분석 결과 물과는 반응하기 어려우며 따라서 실제 물 분해 반응에 참여하는 것은 Cu-ferrite종의 비양론적 고형체와 Fe, FeO일 것으로 사료되며 Cu는 카본의 침착을 억제해주는 것으로 추정된다.

Abstract ▼

1. Two step water splitting hydrogen production by metal oxide redox Pairs
A. Hydrogen production and thermodynamic analysis of two-step water splitting using metal substituted ferrites which process is consist of thermal reduction and water spitting.
B. The development of metal oxide medium f

1. Two step water splitting hydrogen production by metal oxide redox Pairs
A. Hydrogen production and thermodynamic analysis of two-step water splitting using metal substituted ferrites which process is consist of thermal reduction and water spitting.
B. The development of metal oxide medium for 2-step thermochemical hydrogen production by water decomposition using TPR technique
2. Thermochemical water splitting by metal oxides redox pair using methane as a reducing agent and hydrogen source.
A. Experiments on the water splitting by metal oxides redox pairs using methane as a reducing agent in a TGA reactor and a fixed bed reactor.
B. Development of hydrogen production technology by thermochemical water decomposition in a fluidized bed reactor
3. Fabrication and $M\ddot{o}ssbauer$ studies of iron-Ferrite by a solgel method
4. The development of Mn-based new concept thermochemical cycle
5. Chemical hydrogen storage using redox cycle of iron oxide

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요...33
• 제 1 절 연구개 발의 목적...33
• 제 2 절 연구개 발의 필요성...34
• 1. 연구개발의 과학기술, 사회경제적 중요성...34
• 제 3 절 연구개발의 범위...40
• 1. 열적환원에 의한 물분리 수소 제조...40
• 2. 화석연료를 이용한 태양열화학 수소제조용 금속산화물의 제조 및 특성 연구...41
• 3. 졸겔법에 의한 철 Ferrite의 제조와 뫼스바우어 연구...41
• 4. 망간계 신개념 열화학 사이클 개발...42
• 5. 산화철의 산화-환원을 이용한 화학적 수소 저장...42
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...43
• 제 1 절 금속산화물을 이용한 열화학적 수소제조 연구 개발 현황...43
• 제 2 절 금속산화물을 이용한 열화학적 수소제조 반응시스템 기술 개발 현황...48
• 제 3 절 신개념 망간계 열화학 사이클...55
• 제 4 절 산화철의 산화-환원을 이용한 화학적 수소 저장...56
• 제 5 절 연구결과가 국내외 기술개발현황에서 차지하는 위치...58
• 1. 국내 외 기술수준 비교...58
• 2. 공정단위별로 주요 기술사항 및 그 기술수준의 분석평가...58
• 제 6 절 특허사례조사...59
• 1. 금속산화물 이용 순수 물분해(화석연료를 이용한 환원포함)...59
• 2. 화석 연료를 이용한 열화학 수소제조기술...60
• 3. 다단계 열화학 수소제조 공정...60
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...61
• 제 1 절 이론적 고찰...61
• 1. 2단계 열화학 사이클...61
• 2. 열역학 분석...66
• 3. 금속 페라이트의 결정구조...69
• 4. 금속 치환 폐라이트의 합성...73
• 5. 태양 열화학 사이클의 효율...79
• 제 2 절 열역학적 고찰...89
• 1. 열역학 함수의 결정...89
• 2. 산화/환원 반응에 대한 열역학 분석...90
• 3. 산화/환원 반응 온도 결정...93
• 제 3 절 열중량법을 이용한 금속산화물의 산화/환원 특성 평가...96
• 1. 실험장치 및 방법...96
• 2. 금속치환 페라이트의 물성 및 구조 분석...98
• 3. 비 등온 특성 평가...98
• 4. 등온 특성 평가...105
• 5. 반복 산화, 환원반응 특성 평가...112
• 6. 산화 및 환원에 따른 결정 구조 변화...118
• 7. 소결...122
• 제 4 절 열화학 사이클의 에너지 효율 평가...123
• 제 5 절 금속페라이트의 열적환원에 의한 물분리 수소 제조...127
• 1. 시료의 제조...127
• 2. 실험장치 및 실험 방법...128
• 3. 실험 결과...129
• 제 6 절 화석연료를 이용한 태양열화학 수소제조용 금속산화물 반응 특성 연구...146
• 1. 화석연료에 의한 환원 및 물분해 특성 연구...146
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...172
• 제 1 절 목표달성도...172
• 제 2 절 관련분야 기여도...173
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획...174
• 제 1 절 연구개발결과의 응용 및 사업화...174
• 제 2 절 추가연구의 필요성...175
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...176
• 제 7 장 참고문헌...179
• 부록 1 : 유동층을 이용한 열화학적 물 분해 수소제조 기술개발...186
• 부록 2 : 졸겔법에 의한 철 Ferrite의 뫼스바우어 연구...288
• 부록 3 : 금속 산화물 매체 및 신개념의 열화학 사이클 개발...333