시크(SiC)조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 열적 안정성이 우수한 SiC 기반 촉매 연구
영문 : Study of SiC-core catalyst with high thermal stability
과제 팀명
시크(SiC)조
지도교수
이두환 교수님 문홍철 교수님
개발기간
2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20133400** 박*현(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20133400** 상*규
서울시립대학교 화학공학과 20133400** 이*행
서울시립대학교 화학공학과 20133400** 이*영
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 기존의 Al core를 사용한 촉매는 700℃ 이상의 고온에서 사용하기 어렵고, 열전도도가 낮아 강한 흡열/발열 반응에 적합하지 않다는 단점을 가지고 있어 이를 보완하기 위해 SiC(Silicon Carbide) core 선택 ◇ Yiteng Liu et al. (2019) 의 SiC를 기반으로 하여, 촉매 support로 활용 가능하도록 porosity 개량 ◇ SiC core에 LDH(Layered Double Hydroxide) shell을 합성 ◇ methanation 반응으로 촉매 평가
개발 과제의 배경
◇ Syngas 합성과 같이 실제 공정에서 주요하게 사용되는 반응들의 경우 반응에 고온의 온도조건이 요구되거나 강한 흡열/발열 반응으로 인해 촉매에 높은 열전도도가 요구되는 경우가 많다. ◇ Al의 경우 660.3℃ 의 녹는점과 205W/m K 의 열전도도를 가지기 때문에, 위와 같은 반응에서 core로 사용하기 어렵다. ◇ 이러한 단점을 가진 Al core를 대체하기 위해 고온에서 안정하고, 높은 열전도도를 가지는 새로운 core를 찾는 것이 촉매효율을 높이기 위한 중요한 이슈라고 할 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 높은 온도에서 안정하고, 높은 열전도도를 가진 SiC를 core로 사용한다. (SiC 녹는점 2730℃, 열전도도 490W/m K)
◇ Yiteng Liu et al. (2019) 의 SiC를 기반으로, porosity를 추가하여 촉매로 사용 할 수 있게 제작한다. ◇ SiC core에 LDH shell을 합성하여 향상된 porosity를 가진 core-shell구조의 촉매를 개발한다. ◇ 합성한 support에 적절한 반응과 활성부위금속을 선택하여 촉매반응을 평가한다.
-활성부위금속 : active site에 가해져서 직접 반응의 촉매역할을 할 수 있는 금속
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Metal core-shell structure은 metal을 core로 가지는 core-shell 형태로 촉매 내에서 열을 빠르게 분산시켜 열적 안정성을 강화시킴
◇ LDH(Layered Double Hydroxide)는 넓은 표면적으로 높은 반응 효율을 갖게 해줌 ◇ MgAl-LDH의 합성이 Mg과 Al precursor solution에서 urea precipitation method로 가능함(Yanmin Yang et al. 2019 논문 참조)
- precipitation method : 원심분리를 이용하여 침전물을 취하고 상부 용액은 버림 - 금속물질이 넓게 분산되는 것을 볼 수 있음
◇ 촉매를 중점적으로 연구한 논문이 존재(Jieun Kim et al. 2015)
- core shell 구조가 잘 형성됨 - porous한 구조를 가져 금속촉매의 support로 사용하기에 적절함.
◇ Al을 core로 가지는 등의 촉매가 개발됨(Jieun Kim et al. 2016 논문 참조)
- reduction 과정에서 dispersed active sites가 드러나면서 표면적이 넓고 활성부위가 고르게 분포한 촉매 형성
◇ urea solution 조건에서 SiC를 core로 가지는 core-shell 촉매 support의 합성이 가능함(by using slow precipitaion method)(Yiteng Liu et al. 2019)
-위 논문의 합성물질은 nm단위에서 매우 얇은 shell이 형성되어 있음 -실제 공정에서 금속 촉매의 support로 사용하기 위해서는 μm단위의, porous하고 두꺼운 shell을 형성할 필요가 있음
◇ (synthesis gas) 와 같은 반응은 700~1100℃에서(=+205kJ/mol)공정이 이루어짐 ◇ Al 기반 core-shell 촉매는 한계점이 존재
- 상대적으로 부족한 열전도도 (Al 열전도도 205W/m·K, SiC 열전도도 490W/m·K) - 고온에서 구조 변형 가능성 (Al 녹는점 660.3℃)
◇ 구조분석에 SEM, EDX 분석 방법 사용
- SEM : Handbook of Analytical Methods for Materials – Copyright Ⓒ 2014 by Materials Evaluation and Engineering, Inc. - EDX : Handbook of Analytical Methods for Materials – Copyright Ⓒ 2014 by Materials Evaluation and Engineering, Inc.
◇ 성능 평가에 GC(Gas Chromatography) 사용
- GC : 검출할 물질과 반응하지 않는 carrier gas를 고온으로 흘려주어 검출할 물질을 기화시켜 동시에 길이가 긴 관으로 이동시키며 detector까지 도달하는 시간의 차이와 양으로 물질의 종류와 양을 알아볼 수 있는 방법
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 전이금속과 실리콘카바이드에 의해 동시에 개선된 실리카 지지체에 담지된 피셔-트롭시 합성용 코발트계 촉매 Cobalt Based Catalyst Supported Silica Carrier Modified with Transition Metal and SiC for Fischer-Tropsch Synthesis
출원번호/일자 10-2014-0058630 (2014.05.15) 특허권자 한국과학기술연구원 공개번호/일자 10-2015-0131651 (2015.11.25)
'본 발명은 알루미늄, 철 등의 전이금속(X)과 실리콘카바이드(SiC)에 의해 동시에 개선된 메조다공성 실리카 지지체(SiC-X-실리카)에 코발트계 활성금속이 담지되어 있는 피셔-트롭시 합성용 촉매에 관한 것으로서, 본 발명의 코발트계 촉매는 적절한 몰비로 제조된 개선된 메조다공성 실리카 지지체를 피셔-트롭쉬 합성반응에 적용되어서는 일산화탄소의 전환율과 액체탄화수소(C5+)의 수율을 극대화하는 효과가 있다.‘
- 실리콘 카바이드(SiC)를 활용하여 실리카(Si) shell을 형성하는 촉매합성법이며, 부반응인 methanation을 방지하기 위해 300℃ 이하의 저온에서 공정을 진행한다. SiC를 core로 갖는 촉매의 합성이 가능함을 보여주나, 본 연구의 목표인 고온조건에서의 합성과는 연구방향이 다르다.
◇ 금속산화물이 코팅된 SiC 발포촉매담체 및 그 촉매시스템
출원번호/일자 10-1998-0705704 (1998.07.24) 특허권자 상뜨르 나쇼날 드 라 러쉐르쉬 샹띠피끄 (쎄엔알에스) 공개번호/일자 10-1999-0081986 (1999.11.15)
'본 발명은 촉매, 상세하게는 높은 표면적의 촉매 담체(擔體), 더욱 상세하게 설명하면 SiC(silicon carbide) 담체에 관한 것이다. 산소 공여체 산화물, 특히 세륨 산화물의 표층을 포함하는 담체가 개시된다. 상기 담체에 용착된 촉매상은 백금 및 로듐을 포함하여 배기관용 촉매 시스템을 형성하며, 상기 촉매상은 간단한 침출에 의해 바로 재이용 가능하다.‘
- SiC 발포체에 세리아를 함침하여 표면이 양으로 대전된 촉매담체를 만드는 방법으로, 자동차 배기가스 정화에 촉매로 사용하는 것을 목적으로 개발되었다. 하지만 세륨의 특성상 500℃ 이상의 고온조건에서 사용이 어렵다.
◇ 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물, 이를 이용한 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법, 이에 의해 제조된 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스, 이를 포함하는 촉매 담체, 복합재료 제조용 프리폼 및 분진 필터 Composition used for manufacturing porous sodium borate-bonded SiC ceramics, method for manufacturing porous sodium borate-bonded SiC ceramics using the same, porous sodium borate-bonded SiC ceramics manufactured thereby, and catalyst substrate, preform for fabricating composite material and particulate filter containing the same
출원번호/일자 10-2013-0001911 (2013.01.08) 특허권자 한국기계연구원 등록번호/일자 10-1355802 (2014.01.15)
'본 발명은 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물, 이를 이용한 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법, 이에 의해 제조된 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스, 및 이를 포함하는 촉매 담체, 복합재료 제조용 프리폼 및 분진 필터에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 탄화규소(SiC) 분말 30 내지 80 중량%, 소듐 보레이트(Na2B4O7·10H2O) 2 내지 30 중량% 및 기공 형성제 10 내지 60 중량%를 포함하는 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물, 이를 이용한 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조방법, 이에 의해 제조된 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스, 및 이를 포함하는 촉매 담체, 복합재료 제조용 프리폼 및 분진 필터에 대한 것이다. 본 발명에 따른 소듐 보레이트 결합 다공성 탄화규소 세라믹스 제조용 조성물을 이용해 다공성 탄화규소 세라믹스를 제조할 경우, 탄화규소 입자들을 결합시키기 위해 소듐 보레이트를 결합재로 사용함으로써, 소결 분위기의 제약 없이 종래보다 현저히 낮은 소결 온도 및 소결 시간 하에서, 파손되거나 크랙(crack)이 발생되는 일 없이 우수한 품질의 다공성 탄화규소 세라믹스를 보다 쉽고 경제적으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 다공성 탄화규소 세라믹스는 소듐 보레이트를 결합상으로 하여 탄화규소 입자들 상호 간을 강하게 결합시켜 고강도를 가지며, 기공형성제의 함량에 의해 제어된 소정의 기공율을 가지기 때문에 촉매 담체, 디젤분진필터(diesil particulate filter, DPF) 등의 각종 필터, 복합재료 제조를 위한 프리폼, 주물용 필터, 고온가스필터, 내화판 등에 유용하게 사용될 수 있다.'
◇ 기존의 Al core 기반의 촉매는 금속촉매 제작에 주되게 사용되어 왔지만 고온반응과, 강한 흡열/발열 반응의 경우 사용하지 못한다는 한계를 가짐
◇ SiC를 촉매 core로 사용함으로서 이를 극복 가능
- Al보다 좋은 열전도도 (Al 열전도도 205W/m·K, SiC 열전도도 490W/m·K) - Al보다 고온에서 사용 가능 (Al 녹는점 660.3℃, SiC 녹는점 2730℃)
◇ SiC core를 사용한 촉매는 선행연구가 많지 않은 편이라 가능성이 많은 분야이며, 고온 및 급격한 열변화에 안정적인 촉매 개발에 활용 가능할 것이라 판단되어 해당 주제로 방향성을 잡음 ◇ 촉매 효율 증가를 위해 넓은 표면적과 좋은 porosity를 가진 Core-shell구조 합성 ◇ 합성한 촉매 support에 적절한 활성부위금속을 선택하여 담지법으로 합성 후 촉매반응 평가
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 고온에서 사용 가능한 가격 대비 고효율의 촉매를 개발
◇ 높은 열전도도로 강한 흡열/발열반응의 촉매로 적합함 ◇ SiC core에 shell을 합성함으로써 촉매 표면적증가와 porosity 향상으로 인한 촉매효율 증가
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ Al보다 저렴한 SiC를 촉매로 사용함으로써 비용 절감효과 기대
◇ 그동안 공업에서 SiC core 기반 촉매 연구가 많이 없었기 때문에, SiC core 기반의 촉매 합성에 대한 새로운 방향성 제시 ◇ 고온 조건 또는 강한 흡열/발열반응이 동반되는 실제 공정에서도 사용 할 수 있을 것으로 기대
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
- 촉매합성 1회에 2일 이상이 소요되어 개별적 담당이 어려움
단계별 세부개발 내용 담당자 개발기간 (월단위) 비 고 9 10 11 12 SiC@Al2O3 합성 모든 구성원
SiC@MgAl2O4 합성 모든 구성원
Ni/SiC@Al2O3 합성 모든 구성원
촉매반응 진행 모든 구성원
반응평가 및 결과 분석 모든 구성원
구성원 및 추진체계
◇ 기존연구를 참고하여 촉매담체의 합성조건을 설정한다. ◇ 목표로 하는 형태와 조성의 촉매담체를 합성하면 Ni과 같은 활성부위금속과 해당 금속이 사용되는 강한 흡열/발열 반응을 선택한다. ◇ GC를 통해 촉매반응의 성능을 분석하고 기준을 만족하지 못하면 촉매합성조건을 개선하여 재합성 및 분석을 진행한다. ◇ 10월 중으로 필요한 조건의 촉매 담체 합성을 마치는 것을 목표로 한다.
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
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포스터
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관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
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