보고서 정보
주관연구기관 |
경기대학교 Kyonggi University |
연구책임자 |
주상현
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2018-06 |
과제시작연도 |
2017 |
주관부처 |
과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 |
TRKO201900024124 |
과제고유번호 |
1711057497 |
사업명 |
원자력연구기반확충사업 |
DB 구축일자 |
2020-08-15
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키워드 |
양성자 조사.전자빔 조사.수소 생성.산소결핍.나노구조체.Proton irradiation.Electron irradiation.Hydrogen generation.Oxygen vacancy.Nano-Structures.
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초록
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□ 연구의 목적 및 내용
금속산화물과 물의 반응을 통해 수소 기체를 생성하는 열화학사이클(thermochemical cycle) 수소생산법을 실용적이게 하기 위해서는 i) 물의 산소와 결합함으로서 수소를 형성시킬 수 있는 ‘산소결핍의 밀도가 높은 금속산화물을 합성’하는것과, ii) 물과의 반응 후에 산소로 채워진 금속산화물의 ‘산소결핍을 재생하기 위해 필요한 섭씨 천도이상의 온도를 상온수준으로 낮추어 효율적이고 연속적으로 수소생성을 할 수 있는 새로운 환원방법 개발’로 요약될 수 있다. 본 연구에서는 i) 다양한 방법을 통해
□ 연구의 목적 및 내용
금속산화물과 물의 반응을 통해 수소 기체를 생성하는 열화학사이클(thermochemical cycle) 수소생산법을 실용적이게 하기 위해서는 i) 물의 산소와 결합함으로서 수소를 형성시킬 수 있는 ‘산소결핍의 밀도가 높은 금속산화물을 합성’하는것과, ii) 물과의 반응 후에 산소로 채워진 금속산화물의 ‘산소결핍을 재생하기 위해 필요한 섭씨 천도이상의 온도를 상온수준으로 낮추어 효율적이고 연속적으로 수소생성을 할 수 있는 새로운 환원방법 개발’로 요약될 수 있다. 본 연구에서는 i) 다양한 방법을 통해 산소결핍이 풍부한 금속산화물 나노구조체를 합성하고, ii) 수소생성후 소멸된 산소결핍을 양성자 및 전자빔 조사를 통해 유도하여 지속적으로 수소생성이 가능한 ‘연속 재생용 수소생성 에너지 시스템’을 개발하고자 한다.
1) 수소생성용 금속산화물 나노구조체 합성: 산소 결핍이 풍부한 산화물 나노구조체 (CeO2-x, In2-yO3-x, ZnO1-x, NiO2-x, MnyOx)들을 합성한다. 또한 높은 표면적을 갖는 나노구조물에 구조적, 화학적으로 잘 제어된 고밀도의 core-shell 그리고 hierarchy 구조의 나노구조체를 형성하여, 나노복합소재 기반의 고효율 수소 생성 시스템에 적용한다.
2) 양성자 및 전자빔 조사를 이용하여 산소결핍 형성을 유도할 수 있는 재생방법 개발: 높은 온도의 열화학반응을 이용하여 금속산화물내 산소결핍 재생을 유도해 지속적인 수소기체 생산을 해왔던 (산소 흡착 후 재사용을 위한 환원공정) 기존 연구와는 달리, 양성자 및 전자빔 조사에 의한 금속-산소 결합 약화 및 분리를 통해 산소결핍 재생을 유도하는 연구를 진행한다. 이를 위해 금속산화물 나노구조 표면의 금속-산소 결합을 약하게 하여, 표면에서 생성된 산소 결핍을 산화물 격자 내부로 확산시킬 수 있는 양성자 및 전자빔 조사량 및 조사시간 최적화 조건을 확립한다.
□ 연구개발성과
양성자 및 전자빔 조사에 따른 금속산화물 나노구조체 수소재생 관련 SCI 논문 10편 및 특허출원 4건
(1) "Seamless lamination of a concave-convex architecture with single-layer graphene," Nanoscale, vol.7, p.18138-18146, 2015. [교신저자, IF: 7.367]
(2) "Hydorgen generation enhanced by nano-forest structures," RSC Advances, vol.6, p.12953-12958, 2016. [교신저자, IF: 3.108]
(3) "Controlled three-dimensional interconnected capillary structures for liquid repellency engineering," RSC Advances, vol.6, p.61909-61914, 2016. [교신저자, IF: 3.108]
(4) "Hydrogen production based on a photoactivated nanowire-forest," Journal of Materials Chemistry A, vol.4, p.14988-14995, 2016. [교신저자, IF: 8.867, Cover Page]
(5) "Detection of chemicals in water using a three-dimensional graphene porous structure as liquid-vapor separation filter," Nano Research, vol.10, p.971-979, 2017. [교신저자, IF:7.354]
(6) "Thermochemical hydrogen generation of indium oxide thin films," AIP Advances, vol.7, p.035207, 2017. [교신저자, IF: 1.568]
(7) "Repeatable hydrogen generation of 3D microporous nickel membrane using chemical milling," Journal of Physics D: Applied Physics, vol.51, p.185501 (6pp), 2018. [교신저자, IF: 2.588]
(8) "Oxygen release from metal oxide for repeated hydrogen regeneration by proton irradiation with polyvinylpyrrolidone," RSC Advances, vol.8, p.18525-18530, 2018. [교신저자, IF:3.108]
(9) "Contact angle analysis for the prediction of defect states of graphene grafted with functional groups," Advanced Materials Interfaces, Accepted, 2018. [교신저자, IF: 4.279]
(10) "Reduction of three-dimensional metal oxides for hydrogen regeneration using ultraviolet laser irradiation," Renewable Energy, Under review, 2018.
(11) "수소 생성용 산화물 구조체의 산소 결핍 재생 방법 및 이를 이용한 수소 생성 장치," 출원번호 10-2016-0045314, 출원일 2016.04.14.
(12) "변압기용 가스 검출 장치 및 이를 포함하는 변압기," 출원번호 10-2018-0054048, 출원일 2018.05.11.
(13) "양성자 빔 조사에 의한 산화 환원 사이클을 갖는 수소 생성 방법 및 이를 이용한 수소 생성 장치," 출원번호 10-2018-0062981, 출원일 2018.05.31.
(14) "제논광 또는 마이크로웨이브 조사에 의한 산화 환원 사이클을 갖는 수소 생성 방법 및 이를 이용한 수소 생성 장치," 출원번호 10-2018-0063786, 출원일 2018.06.01.
□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
본 연구에서는 합성한 복합 나노구조체를 수소 생성 시스템에 적용함으로써 고효율 수소에너지 생산을 위한 핵심 원천소재로 활용할 수 있다. 개발 촉매 소재를 적용한 연속적 수소 생성 시스템은 미래 수소 에너지 활용 시장을 선점하고, 수소 자동차 등의 수소 이용 시스템에서 핵심 소재기술로 적용 가능하다고 판단한다.
(출처 : 요약문 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 3요약문 ... 4목차 ... 51. 연구개발과제의 개요 ... 6 1.1. 기존 기술의 한계: 수소 재생을 위한 높은 온도 공정 필요 ... 6 1.2. 본 연구의 목표: ‘양성자 및 전자빔 조사를 통한 수소생성용 산화물 구조체의 산소 결핍 재생법개발‘ 기술의 개념 ... 7 1.3. 연구개발대상 기술의 경제적․산업적 중요성 및 연구개발의 필요성 ... 9 1.4. 연구 개발 대상 기술의 국내․외 현황 ... 10 1.5. 선행연구의 내용 및 결과 ... 15 1.6. 현기술상태의 취약성 ... 19 1.7. 앞으로의 전망 ... 20 1.8. 국내에서 연구 개발하는 대신 기술도입을 한다면 가능한가? 가능하다면 기술료(Royalty) 수준은 어느 정도이며, 경제성에 비추어 높은지, 낮은지? ... 22 1.9. 연구개발의 목표 및 내용 ... 232. 연구수행내용 및 성과 ... 25 2.1. 연구수행 내용 및 결과(요약) ... 25 2.2. 연구수행 내용 및 결과(서술) ... 283. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 38 3.1. 목표 ... 38 3.2. 목표 달성여부 ... 40 3.3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 404. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 41 4.1. 연구개발 결과의 활용방안 ... 41 4.2. 연구개발 결과의 기대효과 ... 42끝페이지 ... 45
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