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
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
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
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
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특허 출원 내용
내용
