초록 ▼

□ 개발 목적 및 필요성
- 상온 N₂O 저감 기술 개발의 필요성
1) 기존 N₂O 저감기술은 축산분뇨, 마취가스 등 상온에서 발생하는 N₂O를 분해하기에는 부적합함
2) 따라서 상온에서 N₂O를 분해할 수 있는 기술이 필수적으로 요구됨
- 전기화학을 이용한 상온 N₂O 환원 기술
1) 상온에서 N₂O를 분해하는 기술은 전기화학 반응을 이용한 N₂O 환원기술이 대표적임<

□ 개발 목적 및 필요성
- 상온 N₂O 저감 기술 개발의 필요성
1) 기존 N₂O 저감기술은 축산분뇨, 마취가스 등 상온에서 발생하는 N₂O를 분해하기에는 부적합함
2) 따라서 상온에서 N₂O를 분해할 수 있는 기술이 필수적으로 요구됨
- 전기화학을 이용한 상온 N₂O 환원 기술
1) 상온에서 N₂O를 분해하는 기술은 전기화학 반응을 이용한 N₂O 환원기술이 대표적임
2) 전기화학 기반의 N₂O 저감 기술은 저온 공정이 가능하다는 장점이 있기 때문에 N₂O 저감을 위한 새로운 공정으로 적용 가능성이 있음

□ 연구개발 결과
- 전해질 내부의 N₂O 농도 및 생성 가스의 농도를 분석하는 tool 구축
1) UV-Vis spectroscopy 또는 Pd RDE를 이용한 전기화학적 방법으로 DI water 또는 K₂SO₄ 내에 녹아 있는 N₂O의 농도를 측정 가능하게 됨
2) GC를 이용해 N₂O의 전기분해 이후 생성물인 N₂와 부반응으로서 발생하는 H₂의 농도를 측정 가능하게 됨
3) 개발된 방법을 이용하면 벌크 전해 동안의 패러데이 효율 및 N₂O 전환율을 계산할 수 있음

- 전해질 및 유동을 만들 수 있는 장치 구현
1) Couette-Taylor vortex reactor를 적용하여 기액접촉 시스템을 고안함
2) 고안된 기액접촉 시스템을 이용해 N₂O를 용해하면 향상된 물질전달로 인해 포화시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 용해도도 26.9% 증가하는 결과를 보임

- 전해 도금 및 무전해 도금을 이용한 다양한 금속, 합금, 산화물 촉매 합성
1) 귀금속 촉매의 제조 단가를 낮추고 간단하게 금속 촉매를 제조하기 위해 갈바닉 치환반응을 이용함
2) Ti foil을 Pd 전구체 용액에 담가 갈바닉 치환반응을 진행할 경우 Pd 금속 입자가 형성되었으며 Pd 금속 입자 촉매의 경우 onset 전위, mass specific current density 측면에서 Pd 금속 촉매와 유사하거나 우수한 성능을 보였으며, 내구성도 탁월한 것으로 판명됨
3) Cu foil을 Pd 전구체 용액을 이용하여 갈바닉 치환반응을 진행할 경우 평판형 Pd 촉매에 비해 표면적이 월등히 증가한 휘스커 형태의 Pd 및 PdCu 산화물 촉매가 형성됨 onset 전위 및 current density 측면에서 Pd 금속 촉매에 비해 우수한 성능을 가짐

- N₂O의 전기화학적 환원을 위한 통합 시스템 연구
1) Couette-Taylor vortex reactor 내 유체의 유동을 결정하는 테일러넘버를 조절하기 위해 내부실린더 회전속도를 변화시키며 N₂O를 반응기 내 전해질용액에 주입할 경우 내부실린더가 1000 rpm인 조건에서 N₂O 포화속도 및 용해도가 최대값을 보임
2) Couette-Taylor vortex reactor를 이용하여 전해질용액에 N₂O를 용해시킬 경우 batch reactor에 비해 용해속도는 15배, 용해도는 1.3배 증가함
3) N₂O 환원용 촉매로 SUS, Cu, Pd 휘스커를 Couette-Taylor vortex reactor의 작동전극으로 이용하여 N₂O 환원을 진행한 결과 Pd 휘스커가 가장 높은 N₂O 전환율을 보였으며, 최적화된 반응기 작동 조건에서 96.18%의 N₂O 전환율을 나타냄

□ 성능사양 및 기술개발 수준
- 고안된 기액접촉 시스템을 이용하여 N₂O를 용해하면 향상된 물질전달로 인해 포화시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 용해도도 26.9% 증가하는 결과를 보임
- 갈바닉 치환반응을 이용하여 Cu foil 위에 휘스커형 Pd 금속 촉매를 제조하였고 이를 Couette-Taylor vortex reactor 시스템의 전극으로 이용하여 N₂O를 분해할 경우 96.18%의 전환율을 보임

□ 활용계획
- 본 연구에서 고안된 전기화학적 N₂O 농도 측정법은 N₂O뿐만 아니라 여러 기체의 용해도 측정에 활용될 수 있음
- 고안된 기액접촉 시스템은 N₂O 뿐만 아니라 여러 기체의 용해도 개선에 활용될 수 있음
- 본 연구에서 개발한 갈바닉 치환 방법을 이용한 휘스커형 촉매 제조 방법은 우수한 금속 촉매의 저렴한 합성 방법으로 활용될 수 있음
- 본 연구에서 고안된 전기화학 융합 Couette-Taylor vortex reactor는 반응물의 물질전달 촉진으로 효율이 증대될 수 있는 각종 전기화학반응에 응용될 수 있음
- 전기화학 융합 Couette-Taylor vortex reactor의 스케일업을 통해 아디프산 및 질산 생산 공정, 반도체 및 디스플레이 제조 공정 등 대규모 N₂O 배출지에서의 N₂O 저감에 활용

( 출처 : 요약서 4p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
- Development of the analyses tools for the N₂O concentration in the electrolyte and the product gas of electrochemical N₂O reduction
1) By using UV-Vis spectroscopy, the concentration of N₂O dissolved in DI water could be measured.
2) By using el

Ⅳ. Results
- Development of the analyses tools for the N₂O concentration in the electrolyte and the product gas of electrochemical N₂O reduction
1) By using UV-Vis spectroscopy, the concentration of N₂O dissolved in DI water could be measured.
2) By using electrochemical method with Pd RDE, the concentration of N₂O dissolved in K₂SO₄ electrolyte could be measured.
3) GC was applied to determine the concentration of N₂ and H₂, which were the product and by-product of electrochemical N₂O reduction.
4) Developed analyzing tools could be applied for the calculation of Faradaic efficiency after bulk electrolysis of N₂O.

- Realization of the system for the enhanced mass transport of N₂O
1) The gas-liquid contact system equipped with a Couette-Taylor vortex reactor was developed.
2) The developed system improved the saturation concentration (23.9%) as well as the saturation time of N₂O dissolution.

- Fabrication of metal, alloy, and metal oxide catalysts by electro or electroless deposition
1) Pd nanoparticle catalyst and Pd-Cu alloy catalyst were formed on Ti and on Cu foil substrate, respectively, through a Galvanic displacement reaction.
2) Galvanic displacement reaction helped the reduction of the fabrication cost for the catalyst.
3) Pd naoparticle catalyst fabricated on Ti foil substrate showed excellent catalyst performance in the point of onset potential, mass specific current density, and durability.
4) The Faradaic efficiency for the bulk electrolysis of N₂O was measured as 83% when the electrolysis was conducted using the fabricated electrode.

( 출처 : SUMMARY 11p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 환경기술개발사업 최종보고서(제출서) ... 2
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 4
• 요 약 문 ... 7
• SUMMARY ... 10
• 목차 ... 13
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 14
• 1-1. 연구개발 목적 ... 14
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 14
• 1-3. 연구개발 범위 ... 16
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 17
• 2-1. 해외 기술개발 현황 ... 17
• 2-2. 국내 기술개발 현황 ... 17
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 17
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 18
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 18
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 94
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 95
• 4-1. 목표달성도 ... 95
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 96
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 96
• 5-1. 연구개발 결과의 활용방안 ... 96
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 97
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 97
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 97
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 98
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 98
• 11. 기타사항 ... 98
• 12. 참고문헌 ... 99
• 끝페이지 ... 99