"그것이AlCu싶다조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 7일 (토) 04:45 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : Core-Shell Cu(Zn)Al-LDH 촉매 제조

영문 : Core-Shell Cu(Zn)Al-LDH catalyst synthesis

과제 팀명

그것이 AlCu싶다

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 생명과학과 20155600** 정**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20133400** 안**

서울시립대학교 화학공학과 20123400** 배**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 나노 기술 발전에 기초를 담당하는 나노 소재 중에서 코어와 쉘의 조성, 형태, 구조 등을 조절함으로써 원하는 특성을 갖도록 한 Core-shell 촉매는 복합적 기능을 하는 나노 입자를 제공하여 일반적 촉매보다 활성, 선택성 등의 효율 증가 효과를 낼 수 있어 구목받고 있다. 이번 연구에서는 Core 로는 Al (or Cu)을 사용하고 Shell로는 Cu, Zn, Al를 사용하여 LDH구조의 촉매를 합성하고 합성한 촉매를 반응을 통해 분석하고 평가하는 연구를 진행할 것이다. 이 때, 촉매를 분석하는 과정에서 전구체를 이용하여 조성 및 농도에 따른 촉매의 활성차이와 기존 상용 촉매 혹은 Core-Shell 구조가 아닌 LDH 촉매와의 비교를 통해 촉매 효율을 비교하고 분석기기를 통해 촉매의 표면 구조를 확인 해 볼 것이다.

◇ 우리는 다양한 화학반응에서 촉매로 사용되는 금속을 이용하여 MeAl-LDH 전구체 구조의 촉매 합성을 통해 촉매로써 활용 가능성 및 촉매의 활성과 반응성을 비교, 분석해볼 것이다. Al (or Cu)을 Core로 하여 촉매 합성을 진행할 때에 기존 Support를 사용하여 만든 촉매에 비해 열 전도성이 높다. 특히 우리가 사용하는 Copper의 경우 Water-Gas Shift, Methanol-Steam reforming 등의 반응에서 촉매로 주로 사용하는데, 이런 물리적 물성 향상은 강한 발열반응(WGS)이나 흡열반응(MSR)에서 촉매를 사용했을 때에 촉매 활성의 변화를 줄 것이다.

◇ 고체 촉매에서는 표면적이 촉매 활성에 큰 영향을 미치는데, 표면적이 큰 LDH(Layered Double Hydroxide)구조로 합성함으로써 촉매의 활성을 높이고, 상용 촉매와의 전환율 차이를 비교 분석하여 온도에 따른 반응성을 확인하며 실험을 진행 할 것이다. 또한 암모니아수 등의 시약을 이용하여 pH를 맞춰줌으로써 조금 더 세심한 실험 조건을 맞춰준다.

◇ 이번 연구에서는 기존의 연구에서 Cu/Zn를 Shell로 하는 금속 코어-쉘 촉매가 강한 침전반응으로 인해 촉매 활성이 떨어지는 것을 개선하여 합성 및 사용이 가능하게 만드는 방향으로 진행되고 이를 LDH구조까지 확장하여, 후에 반응을 위한 촉매의 효율과 기능의 향상을 기대할 수 있고 이를 이용한 공정에서의 비용 절감 등의 경제적 효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 지속적인 화석연료 사용으로 인한 원료의 고갈문제와 환경오염문제가 예전부터 대두되고 있다. 이에 따라 화석연료를 대체할 수 있는 천연 에너지 및 재생 에너지에 대한 연구가 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 특히 경제성과 친환경성을 갖춘 수소에너지 연구에 관심이 쏠리고 있으며, 이를 이용한 연료전지, 수소자동차 등은 실생활에 적용할 수 있을 정도로 많은 개발이 되었다. 향후에 수소에너지를 이용한 많은 기술이 개발될 것으로 예상되며, 이에 필요한 수소를 공급하기 위한 수소 생산기술의 중요성은 매우 커질 것으로 기대된다.

 ◇ 수소를 만드는 방법에는 크게 수전해 방식(물 전기분해)과 화석연료를 활용한 개질방식 두 가지가 있다. 수전해 방식은 고순도의 수소가 생산되며 환경오염이 적다는 장점이 있지만, 고가의 전력비용 발생한다는 단점이 존재한다. 따라서 화석연료를 사용한 개질방식이 현재로써는 가장 효율적이고 많이 쓰이는 방식이다. 우리는 석탄, 천연가스 등에 있는 합성가스를 경유하여 대규모로 제조할 수 있으며, 또한 수송이 쉽고 장래 석유를 대신하는 에너지원으로써 기초적인 합성화학 원료로서 큰 관심이 되고 있는 메탄올을 사용한 수증기 개질에 관심을 가졌다. 메탄올은 가격이 저렴하고 황성분이 없는 자연친화적인 합성연료이다. 따라서 이를 이용하기 위해 수성가스 전환반응과 메탄올 합성반응을 통한 메탄올 수증기 개질(steam reforming)을 이용하여, 수소와 일산화탄소 혼합물로 이루어진 합성가스가 생성될 때 피셔- 트로피쉬 공정과 같은 반응을 통해 액체 탄화수소로 전환하는 것이다.

◇ 메탄올은 직접적인 사용이 가능하고 액체 메탄올의 경우 물과 잘 섞이고 저장과 수송에 있어서 수소의 효율성을 증가한다. 그러나, 메탄올의 경우 석유와는 달리 직접적인 에너지원이 아니라 에너지를 저장하는 형태이므로 수송되는 에너지의 양이 적을 수 있다는 점에 따라 공정 최적화 및 메탄올 수증기 개질 반응의 효율을 높이기 위해 촉매는 필수불가결하고, 촉매의 유무와 특성은 반응의 효율에 크게 기여하므로 촉매의 특성이 매우 중요하다 할 수 있다. 최근 촉매의 효율을 높이기 위해 core-shell 구조와 LDH(Layered Double Hydroxide) 구조체에 대한 연구가 활발하다. Core-shell로 이루어진 구조체가 갖는 높은 열전달과 물질전달 특성 때문에 불균일계 촉매의 지지체로 사용되었을 때 촉매의 활성을 증진시키고, 또한 구조체의 우수한 표면의 형태적 특성에 따라 분산된 촉매입자의 소결 또한 줄어들었다는 연구가 있다. LDH 구조체는 다양한 종류의 금속의 도입과 조성의 변화가 가능하여 흡착제와 불균일계 촉매 및 전구체로의 활용 방안이 대두되어 큰 주목을 받고 있다. 이러한 특성을 이용해 메탄올- 수증기 개질 반응의 효율을 높일 것으로 기대된다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ CuAl-LDH & CuZnAl-LDH 촉매합성
◇ 전구체 비교를 통한 조성 및 농도에 따른 촉매 활성 차이 확인
◇ 기존 상용 촉매 / core-shell 구조가 아닌 LDH 촉매와의 비교
◇ SEM, EDX, XRD, BET, GC 등의 분석기기를 통해 표면에 LDH 구조확인
◇ 반응열의 출입이 다른 반응(Water-Gas Shift, Methanol-Steam reforming)을 통한 촉매분석 및 평가

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용