초록 ▼

연구의 목적 및 내용
태양열 발전과 열화학반응을 결합한 신개념 화학연료 합성기술의 효율과 연료생산성 극대화를 위한 촉매물질 및 구조 개발

(1) 열역학적 특성에 기초한 가능성 높은 촉매물질 선별
(2) 선택된 소재의 핵심 물성 측정
(3) 나노구조 제작 및 표면 처리를 통한 시스템 성능의 극대화
(4) 반응시스템(solar-thermal reactor) 제작 및 최종 성능 평가

연구결과
(1) 열역학적 특성에 기초한 가능성 높은 촉매물질 선별
- 기존 문헌에 보고된 금속산화물

연구의 목적 및 내용
태양열 발전과 열화학반응을 결합한 신개념 화학연료 합성기술의 효율과 연료생산성 극대화를 위한 촉매물질 및 구조 개발

(1) 열역학적 특성에 기초한 가능성 높은 촉매물질 선별
(2) 선택된 소재의 핵심 물성 측정
(3) 나노구조 제작 및 표면 처리를 통한 시스템 성능의 극대화
(4) 반응시스템(solar-thermal reactor) 제작 및 최종 성능 평가

연구결과
(1) 열역학적 특성에 기초한 가능성 높은 촉매물질 선별
- 기존 문헌에 보고된 금속산화물의 산화/환원 특성(ΔH⁰_red 및 ΔS⁰_red) 조사를 통해 가능성이 높은 perovskite 조성들을 빠르게 스크리닝하여, La_1-xSr_xMnO_3-δ를 테스트 촉매 물질로 선별함.

(2) 선택된 소재의 핵심 물성 측정
- 문헌조사를 통해 수집한 La_1-xSr_xMnO_3-δ의 TGA 측정 결과를 통해 T_H=1400℃, T_L=800℃에서 최대 효율 10% 이상 계산 완료.

- Electrical conductivity relaxation(ECR)을 통해 주변 기체의 종류, Sr의 농도, 온도, 산소분압에 따른 La_1-xSr_xMnO_3-δ의 표면 반응속도 데이터베이스화를 완료하였으며, CO₂ 분위기에서 Sr의 농도가 낮을수록 가장 높은 표면속도를 가지는 것을 확인함.

(3) 나노구조 제작 및 표면 처리를 통한 시스템 성능의 극대화
- Sacrificial template을 기반으로 나노구조체를 제작하고 작동 온도에서의 내구성을 확인했으며, exsolution 기법에 의한 표면 Ni 나노입자의 형성을 확인함.

(4) 반응시스템(solar-thermal reactor) 제작 및 최종 성능 평가
- 등온에서의 반응시스템을 통해 La_1-xSr_xMnO_3-δ의 연료생산성을 평가하였으며, 0.1 ml g^-1 s^-1 이상의 생산속도를 확보함.

- Sr의 농도가 증가할수록 생성되는 연료의 양은 증가하지만 속도는 느려지며, Ni의 도핑에 의해 많은 양의 연료를 빠른 속도로 생산할 수 있음을 확인함.

연구결과의 활용계획
- 열역학적 특성에 기반한 물질 스크린 기법을 개발하였으며, 이를 통해 보다 넓은 범위에서 다양한 물질에 대한 분석 및 최적화 전략 제시.

- 선별된 소재의 속도론적 특성 측정기술 개발 및 수치 데이터화를 통해 연료 생산성 극대화를 위한 반응조건을 최적화.

- 열적 안정성과 반응속도의 극대화를 위한 차세대 촉매구조 개발.

- 태양 에너지 활용 효율 극대화 및 새로운 산업기반 분야 창출

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
Investigation of the metal oxide catalysts and porous architecture in order to maximize the solar-to-fuel efficiency and fuel productivity of the novel solar thermochemical fuel production technology

(1) Selection of the metal oxide catalysts based on thermodynamices
(2

Purpose&contents
Investigation of the metal oxide catalysts and porous architecture in order to maximize the solar-to-fuel efficiency and fuel productivity of the novel solar thermochemical fuel production technology

(1) Selection of the metal oxide catalysts based on thermodynamices
(2) Characterization of the properties of selected materials
(3) Fabrication of the porous architecture with surface nano-catalyst treatment
(4) Evaluation of the fuel productivity using a solar-reactor

Result
(1) Selection of th emetal oxide catalysts based on thermodynamics
- La_1-xSr_xMnO_3-δ was selected as a target metal oxide catalyst by screening perovskite oxide candidates based on redox properties(ΔH⁰_red, ΔS⁰_red) reported in the literature.

(2) Characterization of the properties of selected materials
- Maximum solar-to-fuel efficiency over 10% was confirmed by TGA results obtained by literature search.

- Surface redox kinetics of La_1-xSr_xMnO_3-δ with different gas environments, Sr concentration, temperature, and pO₂ was measured by electrical conductivity relaxation, and higher reaction rate under CO₂ conditions with lower Sr content was characterized.

(3) Fabrication of the porous architecture with surface nano-catalyst treatment
- Thermal resistant porous architecture was fabricated with sacrificial template, and surface Ni nano-catalysts were applied by exsolution.

(4) Evaluation of the fuel productivity using a solar-reactor
- Fuel productivity of La_1-xSr_xMnO_3-δ was evaluated using an custom designed isothermal reactor, and fuel production rate over 0.1 ml g^-1 s^-1 was confirmed.

- A trade-off between the amount and rate of fuel production was found with advanced fuel productivity with surface Ni nano-catalysts.

Expected Contribution
- Materials screening platform based on thermodynamic properties was developed, and strategy for the high-throughput analysis of metal oxide catalysts was suggested.
- Reaction condition was optimized by characterization of the kinetic properties of selected materials.
- A novel materials architecture was investigated to maximize the thermal stability and reaction kinetics simultaneously.
- A new field for the effieicent utilization of solar energy can be created.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 13
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 14
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 14
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 14
• 8. 참고문헌 ... 15
• 9. 연구성과 ... 15
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 21
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 21
• 12. 기타사항 ... 21
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 22
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 34
• 끝페이지 ... 36