요약
이 발명은 수전해를 통해 수소를 생산하는 새로운 방법을 제시하며, 귀금속 사용량을 줄이기 위해 금속-아닐린 복합체를 사용하는 기술입니다. 특히, 백금-아닐린 복합체를 특별한 방법으로 합성하여 수전해 수소 발생 반응용 촉매로 활용하는데, 이 촉매는 높은 안정성과 내구성을 갖습니다. 이 기술은 기존 방법보다 간편하며, 높은 온도에서도 효과적으로 작동한다는 장점이 있습니다.
기본 정보
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특허명: 수소발생반응용 촉매 제조방법
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대표 발명자: 권오중 교수
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출원번호: 10-2023-0057255
발명의 배경 및 필요성
발명의 배경
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하나의 수소 생산 방법인 수전해 반응
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물에 전압을 가해 수소와 산소로 분해하는 과정
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산소발생반응에는 이리듐과 루테늄, 수소발생반응에는 백금과 같은 고가의 귀금속 사용이 일반적임
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귀금속 양을 줄여 비용 문제를 해결하는 것이 중요함
발명의 필요성
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금속-아닐린 복합체를 사용하여, 고온에서 탄화시켜도 아닐린 및 아닐린에 있는 질소로 인하여 지지체와의 결합력이 높아 입자가 뭉치지 않는 촉매 제안함
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수소발생반응용 촉매로 적용하여 귀금속 사용량을 대폭 줄이는 방법 제안함
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전기화학 반응 중에도 담지체에 질소를 매개체로 고정되어 높은 안정성 유지함
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단일 원자 촉매의 높은 표면 에너지와 낮은 안정성으로 인한 성능 저하 문제 해결 필요함
•
블루수소, 청록수소 등 친환경적이고 경제성 보장된 수소와 비교하여 그린수소의 생산 비용이 높고 전력 소비량이 많은 문제 해결 필요함
실험 및 구현
제조 방법
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백금 전구체와 액체 상태의 순수 아닐린 단량체를 혼합하여 백금-아닐린 복합체를 형성함
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백금-아닐린 복합체를 담지체에 함침한 후 열처리하여 금속 단일 원자 및 나노 클러스터 촉매 합성함
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백금-아닐린 복합체와 다른 전이금속을 함께 사용하여 이중 단일 원자 촉매 또는 합금 나노 클러스터 촉매를 합성함
•
담지체로는 탄소나노구, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 폼, 금속 나노 입자, 나노선 등 다양한 물질 사용 가능함
실험 방법 및 결과
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백금-아닐린 복합체와 CNF의 무게비를 1:10, 1:50, 1:100으로 정량한 후, CNF를 에탄올에 넣고 소닉 처리를 한 후, 백금-아닐린 복합체를 넣고 소닉 처리하여 에탄올을 증발시킴
•
해당 파우더를 80도에서 건조시킨 후, 질소 분위기에서 600도로 1시간동안 열처리함
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실험 결과, 백금이 1 nm 이하의 작은 크기로 잘 분산되었으며, 백금의 양을 줄일수록 백금 나노입자, 백금 나노 클러스터 및 백금 단일원자의 밀도가 달라짐
•
1:50일 때는 백금 나노 클러스터가 우세하고, 1:100일 때는 백금 단일원자가 우세한 것을 확인함
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백금-아닐린 복합체를 이용하여 합성한 단일원자, 나노 클러스터 촉매가 나노 입자와 더불어 수소발생반응에 좋은 활성을 보여줌
•
내구성을 평가한 결과, 백금 단일 원자의 경우 과전압의 19.8 mV 증가하였으나, 백금 나노입자와 백금 나노클러스터 샘플은 과전압이 각각 4.5 mV, 2.7 mV 정도만 증가하며 좋은 내구성을 보여줌
발명의 활용 방안
제품 및 서비스 적용
•
본 발명은 수소 발행 반응용 촉매 제조 방법을 제공함
•
백금 단일 원자 또는 백금 나노 클러스터 촉매 합성법은 기존 합성법에 비해 상대적으로 간단하며, 고온 조건에서도 입자의 뭉침을 피할 수 있음
•
이를 수전해 수소발생반응 촉매로 사용하면, 질소의 부가적인 작용으로 수소발생반응 이후에도 입자가 뭉치거나 용출되지 않는 내구성이 향상될 수 있음
산업 및 사회 문제 해결
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백금 단일원자와 나노 클러스터가 균일하게 분포되어 전기화학적 표면적이 증대되고, 질소와의 상호작용이 전기전도성 향상에 기여할 수 있음
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이렇게 제조된 수전해 수소발생반응 촉매는 내구성이 향상되어 수소발생반응 이후에도 입자가 뭉치거나 용출되지 않을 것으로 기대됨
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이러한 기술은 수소 에너지 분야에 활용되어, 친환경 에너지 소스로서의 수소의 활용도를 높일 수 있음
시장 동향
수소생산 시장 동향
촉매 시장 동향
귀금속 사용량 시장 동향
대표도면
인천대학교 산학협력단
(21999) 인천광역시 연수구 갯벌로 27(송도동) INU이노베이션센터 206호
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발명의 배경 및 필요성
발명의 배경
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하나의 수소 생산 방법인 수전해 반응
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물에 전압을 가해 수소와 산소로 분해하는 과정
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산소발생반응에는 이리듐과 루테늄, 수소발생반응에는 백금과 같은 고가의 귀금속 사용이 일반적임
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귀금속 양을 줄여 비용 문제를 해결하는 것이 중요함
발명의 필요성
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금속-아닐린 복합체를 사용하여, 고온에서 탄화시켜도 아닐린 및 아닐린에 있는 질소로 인하여 지지체와의 결합력이 높아 입자가 뭉치지 않는 촉매 제안함
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수소발생반응용 촉매로 적용하여 귀금속 사용량을 대폭 줄이는 방법 제안함
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전기화학 반응 중에도 담지체에 질소를 매개체로 고정되어 높은 안정성 유지함
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단일 원자 촉매의 높은 표면 에너지와 낮은 안정성으로 인한 성능 저하 문제 해결 필요함
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블루수소, 청록수소 등 친환경적이고 경제성 보장된 수소와 비교하여 그린수소의 생산 비용이 높고 전력 소비량이 많은 문제 해결 필요함
실험 및 구현
제조 방법
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백금 전구체와 액체 상태의 순수 아닐린 단량체를 혼합하여 백금-아닐린 복합체를 형성함
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백금-아닐린 복합체를 담지체에 함침한 후 열처리하여 금속 단일 원자 및 나노 클러스터 촉매 합성함
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백금-아닐린 복합체와 다른 전이금속을 함께 사용하여 이중 단일 원자 촉매 또는 합금 나노 클러스터 촉매를 합성함
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담지체로는 탄소나노구, 탄소나노섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 폼, 금속 나노 입자, 나노선 등 다양한 물질 사용 가능함
실험 방법 및 결과
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백금-아닐린 복합체와 CNF의 무게비를 1:10, 1:50, 1:100으로 정량한 후, CNF를 에탄올에 넣고 소닉 처리를 한 후, 백금-아닐린 복합체를 넣고 소닉 처리하여 에탄올을 증발시킴
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해당 파우더를 80도에서 건조시킨 후, 질소 분위기에서 600도로 1시간동안 열처리함
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실험 결과, 백금이 1 nm 이하의 작은 크기로 잘 분산되었으며, 백금의 양을 줄일수록 백금 나노입자, 백금 나노 클러스터 및 백금 단일원자의 밀도가 달라짐
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1:50일 때는 백금 나노 클러스터가 우세하고, 1:100일 때는 백금 단일원자가 우세한 것을 확인함
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백금-아닐린 복합체를 이용하여 합성한 단일원자, 나노 클러스터 촉매가 나노 입자와 더불어 수소발생반응에 좋은 활성을 보여줌
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내구성을 평가한 결과, 백금 단일 원자의 경우 과전압의 19.8 mV 증가하였으나, 백금 나노입자와 백금 나노클러스터 샘플은 과전압이 각각 4.5 mV, 2.7 mV 정도만 증가하며 좋은 내구성을 보여줌
발명의 활용 방안
제품 및 서비스 적용
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본 발명은 수소 발행 반응용 촉매 제조 방법을 제공함
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백금 단일 원자 또는 백금 나노 클러스터 촉매 합성법은 기존 합성법에 비해 상대적으로 간단하며, 고온 조건에서도 입자의 뭉침을 피할 수 있음
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이를 수전해 수소발생반응 촉매로 사용하면, 질소의 부가적인 작용으로 수소발생반응 이후에도 입자가 뭉치거나 용출되지 않는 내구성이 향상될 수 있음
산업 및 사회 문제 해결
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백금 단일원자와 나노 클러스터가 균일하게 분포되어 전기화학적 표면적이 증대되고, 질소와의 상호작용이 전기전도성 향상에 기여할 수 있음
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이렇게 제조된 수전해 수소발생반응 촉매는 내구성이 향상되어 수소발생반응 이후에도 입자가 뭉치거나 용출되지 않을 것으로 기대됨
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이러한 기술은 수소 에너지 분야에 활용되어, 친환경 에너지 소스로서의 수소의 활용도를 높일 수 있음