졸-겔법을 이용한 Al₂O₃, Al₂O₃-CuO-ZnO/Co, Ni 복합재료 분리막 제조와 수소 투과 특정 평가

Abstract

열적 및 화학적으로 안정한 세라믹 재료와 기계적 강도가 크고 연성을 갖는 금속 재료를 이용하여 복합재료 분리막을 제조하였다. 세라믹 재료로는 비표면적이 크고 녹는점이 높으며 열적 및 화학적으로 안정한 Al₂O₃와 Al₂O₃를 바탕으로 한 Al₂O₃-CuO-ZnO(ACZ) 복합 산화물을 이용하였고, 금속 재료로는 수소 해리 또는 투과 거동에 대한 특성을 갖을 뿐만 아니라 세라믹 분리막의 취성을 보완할 수 있는 Co 및 Ni 분말을 선택하여 이용하였다. Al₂O₃ 및 ACZ는 저온에서 합성이 가능하며 고순도 재료를 제조할 수 있는 졸-겔 법을 이용하였으며, 제조한 분말과 금속 분말을 기계적 합금화법으로 혼합하고, 열간 압축 성형법을 이용하여 세라믹/금속 복합재료 분리막을 제조하였다. 합성한 분말과 제조한 분리막은 TG/DTA, XRD, (27)^Al MAS-NMR, BET 및 FE-SEM을 이용하여 특성평가를 진행하였고, 분리막을 이용한 수소 투과 특성 평가는 다양한 압력과 온도 하에서 수소 가스를 이용하여 진행하였다. Al₂O₃/Co와 Al₂O₃/Ni 복합 분리막을 통한 수소 투과 실험 결과, 200 ℃, 1 bar의 조건에서 각각 2.36 과 0.374 mol m^(-2) s^(-1)의 투과량을 나타냈으며, ACZ/Co 복합 분리막에서는 500 ℃, 4 bar의 조건에서 0.18 mol m^(-2) s^(-1)의 투과량을 나타냈다. 또한 기체 투과량에 대한 Van't Hoff 결과는 Al₂O₃/Co, Al₂O₃/Ni 및 ACZ/Co 복합 분리막에 대하여 각각 4.5, 2.7 및 1.8 kJ/mol의 반응 엔탈피(ΔH)가 계산되었다. 이는 흡열 반응 거동을 하는 것을 알 수 있으며, 온도가 증가함에 따라 투과량이 증가하는 결과와 상이하게 나타났다.|Hydrogen has attracted clean energy media as high-quality and renewed energy source in recent years. On the one hand, a ceramic catalyst and/or catalyst support such as Al₂O₃ has often preferred choice due to their specific properties such as thermal stability and high surface area. The Al₂O₃ and Al₂O₃-CuO-ZnO was synthesized by using the sol-gel process with aluminum isopropoxide and primary distilled water as the precursor and solvent. In this synthesized process, metal oxides caused to precursors such as copper and zinc nitrate were added. To prepare membranes, cobalt and nickel metal powders were used to increase the strength and durability. The composite membranes were produced using hot press sintering for consolidation of powders following reactively mechanical alloying process. The characterizations of the synthesized powders and composige membranes were measured TG-DTA, XRD, (27)^Al MAS-NMR, BET and FE-SEM. Hydrogen permeation evaluations were examined at various temperatures under increasing pressure. Hydrogen permeation flux through Al₂O₃/Co, Al₂O₃/Ni and ACZ/Co composite membranes was obtained to 2.36, 0.374 and 0.18 mol m^(-2) s^(-1), respectively. Reaction enthalpy was calculated to 4.5, 2.7 and 1.8 kJ/mol using a Van’t Hoff plot.