KR100612523B1 - 탄소 물질내로의 수소 저장 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원뿔 각도가 60°의 배수인 월뿔 형태의 미세구조를 포함하는 탄소 물질에 수소를 저장하는 방법으로서, 탄소 물질을 감압된 반응 용기에 도입시키고, 탄소 물질을 295 내지 800K의 온도로 유지시킨 후, 순수한 수소 기체를 반응 용기에 도입시키고, 탄소 물질을 300 내지 7600토르의 수소 기체 압력에 노출시켜 수소 기체를 탄소 물질내로 흡입시킨 후, 반응 용기를, 탄소 물질을 고정된 수소 가스 압력으로 처리하면서 실온에서 방치하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 사용을 위해, 수소를 실온 또는 반응 용기중의 탄소 물질을 가열시키므로써 탄소 물질로부터 기체 형태로서 방출시킨다. 수소 저장을 위한 이러한 종류의 탄소 물질의 개량 방법에서, 탄소 물질을 미세구조의 원뿔 각 분포를 조절하기 위한 촉매를 사용한 반응 챔버에서 생성시켰다. 차량을 포함한 교통 수단에 동력을 공급하기위한 연료로서 수소를 저장하였다.

Description

탄소 물질내로의 수소 저장 방법 {HYDROGEN STORAGE IN CARBON MATERIAL}
본 발명은 원소 탄소의 터보스트래틱(turbostratic) 미세구조를 포함하는 탄소 물질중에 수소를 저장시키는 방법으로서, 미세구조가 원뿔을 포함하며, 원뿔의 각이 60°의 배수인 방법에 관한 것이다.
삭제
최종적으로, 본 발명은 이러한 종류의 탄소 물질의 용도에 관한 것이다.
환경 문제로 인해 차량 및 다양한 종류의 용기에 동력을 공급하는 주요 원료로서의 가솔린을 대신할 수 있는 새로운 기술의 개발을 목적으로 하는 포괄적인 연구가 수행되었다. 오늘날 교통 수단에 의해 생성된 오염 물질로는 일산화탄소와 이산화탄소, 산화질소 및 산화황, 탄화수소 및 미립자를 포함하며, 이러한 종류의 오염 물질을 감소시키거나 제거하기 위한 점점 더 까다로운 규정 및 법규는 자동차 생산업자로 하여금 차량에 동력을 공급하는 대안적인 방법 또는 더욱 청정한 연료의 사용을 고려하게 하였다. 수소는 유일한 연소 생성물이 물이기 때문에, 궁극적인 청정 연료이다. 수소는 미미한 변형으로 통상의 내연 기관에 사용될 수 있다. 수소는 또한, 연료 셀 동력 차량(fuel cell powering vehicle)에 사용될 수 있으며, 이는 실제로 현재 이용가능한 가장 우수한 해법인 것으로 여겨진다. 현재 사용되는 또 다른 기술은 전기 배터리에 의해 동력이 공급되는 차량이다. 수소 동력 및 배터리 동력 차량 둘 모두는 오염물질을 전혀 배출하지 않는다.
차량에 사용하기 위한 청정 연료로서 수소를 1차적으로 선택하지 못하게 하는 주요 방해 요인은, 차량에 수소를 저장하는 문제다. 지난 30년 동안의 광대한 연구 활동은 고형 금속 수소화물 형태로 수소를 저장하는데 중점을 두고 있었다. 금속 수소화물은, 금속 및 합금이 수소에 노출되는 경우 발열 생성된다. 수소는 발열 반응에서 수소 원자로 분해된 후, 금속 격자 틈에 유입된다. 가열에 의해 수소는 사용하기 위해 회수되고, 이는 이러한 상황에서 연소열에 의해 발생할 수 있다. 수소 저장을 위해 금속 수소화물을 이용하는 것에 있어서의 이점은 이들의 부피밀도가 매우 크다는 점에 기초를 두고 있다. 실제로 많은 수소화물의 부피 밀도는 고형 수소의 부피 밀도보다 크며, 예를 들어, 4.2K에서 고형 수소의 경우 4.3x1022 H 원자/cm3인 반면, TiH2의 경우 거의 2배, 즉 9.2x1022 H 원자/cm3이다. 주요 단점은 특히 중량을 기준으로 하는 낮은 수소 함량 또는 수소 회수를 위한 허용되지 않는 고온에 의해 초래된다. 널리 공지된 수소 저장 시스템 FeTiH2 및 LaN2 및 LaNi5H6은 예를 들어, 1.9 및 1.5 중량%의 수소를 함유하며, 이들은 허용가능한 회수 온도를 가짐에도 불구하고, 차량에 사용하기 위한 이들의 수소 함량은 매우 낮다. 이와 대조적으로, MgH2 및 TiH2는 더 높은 수소 함량, 각각 7.6 및 4.0 중량%를 갖지만, 수소를 회수하기 위해서는 높은 온도로 가열해야 한다. 또한, 불균등화 반응, 중독 및 수반되는 용량 손실, 및 일부 저장 합금 재생의 필요성이 심각한 단점이다.
기체 또는 액체 형태로 차내에 수소를 저장하는 것도 가능성이 있다. 압축된 수소는 차내 저장시 비교적 저렴한 대안이다. 그러나, 중량 및 부피를 고려하면, 이러한 대안은 거의 매력이 없다. 중량 및 부피와 관련하여 액체 수소가 허용가능하지만, 증발에 의한 수소 손실을 방지하기 위해 기체를 21K로 냉각시키고 저온에서 유지해야 하기 때문에 비용이 많이 든다. 안전 요건 또한 잠재적인 단점인 것으로 여겨진다.
활성탄상에 수소를 흡착시키는 것은 수소 저장을 위한 또 다른 가능한 방법이다. 이러한 경우, 수소는 넓은 표면적을 갖는 활성 탄소상에 저온에서 물리흡착된다. 이러한 방법의 장점은 수소를 회수하는데 단지 적은 에너지만이 요구된다는 점이다. 그러나, 상기 방법은, 수소 기체 압력이 위험하게 높은 수준으로 상승하는 것을 방지하기 위해 항상 저온에서 유지시키기 위한 시스템이 필요하다.
미국 특허 제 5 614 460호(스와르츠 등(Schwartz & al.))에는 메탄 또는 수소와 같은 경연료 기체를 위한 저장 매체로서 또는 촉매 지지체로서 사용될 수 있는 미공성 탄소 물질을 생성시키는 방법이 기재되어 있다. 미국 특허 제 5 653 951호(로드리구쯔 등(Rodriguez & al.))에 대체적으로 탄소 나노튜브, 탄소 나노소섬유, 탄소 나노쉘 및 탄소 나노섬유 형태의 적층된 나노구조에 수소를 저장하는 것에 관한 것이다. 수소는 나노구조내의 틈에 화학흡착된다. 상기 특허 명세서에 따른 수소 저장 방법에서는, 표면적이 50800m2/g이며, 결정도가 50% 이상이고, 결정성 영역내의 틈의 크기가 0.335 내지 0.67나노미터인 나노구조를 사용하는 것이 기재되어 있는데, 틈을 형성하는 나노구조의 표면은 수소에 관해 화학흡착 특성을 가져야 하는 것으로 언급되어 있다. 상기 방법은, 300토르 이상의 압력에서 용기에 산소를 도입시키는 것을 포함한다. 그러나, 상기 언급된 물질의 대량 생성은 어려우며, 재현가능한 흡착 결과도 달성하기 어려운 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은 중량이 작고 소형이며, 사용이 용이하며, 안전하고, 사용후 재생 처리할 필요가 없는 물질내에 수소를 저장하는 방법을 제공하는 데에 있다.
삭제
상기 목적 및 장점은 본 발명에 따라, 반응 용기로 상기 탄소 물질을 유입시키는 단계, 반응 용기를 10-6토르 미만의 압력으로 감압시키고, 탄소 물질을 295K 내지 800K의 온도로 유지시키는 단계, 순수한 수소 기체를 감압시킨 반응 용기에 유입시켜, 탄소 물질을 300토르 내지 7600토르의 압력에서 상기 순수한 수소 기체에 노출시키는 단계, 상기 순수한 수소 기체를 탄소 물질의 미세구조내로 흡수시키는 단계, 주위 온도, 전형적으로 295K 또는 이보다 약간 낮은 온도에서 상기 반응 용기를 방치시키는 단계를 포함하며, 반응 용기에 함유된 탄소 물질은 상기 압력 범위내에서 고정된 수소 기체 압력을 받고, 수소는 필요에 따라 주위 온도에서 또는 반응 용기내의 탄소 물질을 가열시킴으로써 탄소 물질로부터 기체로서 방출됨을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 방법에 사용되는 탄소 물질은 수소 저장을 위해 적용된다.
유리하게는, 탄소 물질은 방법의 단계 b)에서 400 내지 700K의 온도, 바람직하게는 400 내지 600K의 온도로 가열된다.
유리하게는, 방법의 단계 c)에서 탄소 물질의 5 중량% 이상의 수소 저장 용량을 수득하기 위해 탄소 물질은 탄소 물질의 포화 압력에 상응하는 압력에서 순수한 수소 기체에 노출된다.
유리하게는, 탄소 물질의 미세구조내로의 순수한 수소 기체의 흡착은, 저장을 위해 화학흡착 공정에 의해 상기 방법의 단계 d)에서 달성된다.
유리하게는, 결정도가 10% 이상이며, 표면적이 1m2/g 내지 2000m2/g인 탄소 물질이 저장을 위해 본 발명의 방법에 사용된다.
최종적으로, 상기 목적 및 이점은 또한 원소 탄소의 터보스트래틱 미세구조를 포함하는 탄소 물질을 사용함으로써 달성되며, 여기서 상기 미세구조는 원뿔을 포함하고 원뿔의 원뿔각은 60°의 배수이다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 첨부된 도면 및 실시예를 참조로 하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 탄소의 원뿔형 미세구조상에 수소가 응축되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 탄소 물질의 탈착 곡선이다.
도 3은 종래 기술에 따른 탄소 나노구조에서의 수소에 대한 탈착 곡선이다.
특히, 본 발명은 60°의 배수, 즉 Px60°(여기서, P는 1, 2, 3, 4, 5임)인 전체 경사 또는 원뿔각을 갖는 원뿔 형태의 터보스트래틱 미세구조에 저장하는 것에 관한 것이다. 60°, 120°, 180°, 240° 및 300°의 경사를 갖는 원뿔 이외에, 또한 터보스트래틱 미세구조는 평평한 디스크형일 수 있으며, 물론 이때 P는 0이다. 본 발명에 따른 저장 방법에서, 수소는 원뿔형 미세구조의 표면내에 또는 표면상에 한 방법 또는 또 다른 방법으로 흡수 또는 흡착되는 것으로 가정된다. 탄소내 또는 탄소상의 수소 흡수 및 흡착은 세가지의 상이한 방식으로, 즉, 증진된 물리흡착 또는 물리적 결합에 의해 대체로 일어날 수 있으며, 여기에서 반데르발스의 힘이 수소를 예를 들어, 원뿔 또는 6각형 탄소 네트워크의 표면에 결합시킨다. 이러한 스케일에서, 원뿔 표면은 평평한 것으로 여겨진다. 반데르발스의 힘은 약하며, 수소는 단지 저온에서 결합된다. 수소는 또한, 화학흡착 또는 화학결합에 의해 탄소내 또는 탄소상에 흡수 또는 흡착될 수 있다. 그 후, 수소는, 특히 구조의 가장자리를 따라, 화학적으로 결합된다. 이러한 결합은 물리흡착에 의해 수득될 수 있는 결합보다 훨씬 강하다. 수소를 탄소내에 결합시키는 제 3 메카니즘은 원뿔의 꼭지점에서의 소위 모세관 응축의 발생이며, 이는 소위 "유한 크기" 및 표면 효과의 복합적인 존재에 의해 유도된다. 모세관 응축 및 모세관 탈착은 오래전에 공지되어 있었다[W.T. Thompson (Lord Kelvin), Phil.Mag. 42:448(1871) and R.Evans, J.Phys. Condens. Matter 2:8989(1990)]. 모세관 응축은 벌크상 공존 압력 p∞ 보다 낮은 압력 PL하에서 수행된다. 근본적으로, 수소는 본 발명에 따른 방법의 구체예에서 원뿔형 구조상의 표면상에 화학흡착하는 것으로 가정되어 왔지만, 본 발명자의 실험 연구는, 원뿔 꼭지점에 수소(2)가 응축되어 있는 원뿔(1)을 도시하는 도 1에서 개략적으로 보여지는 것과 같이, 어느 정도까지는 원뿔형 미세구조내로의 수소 흡수가 모세관 응축에 의해 유도되는 것으로 여겨지게 하였다. 정확하게는, 모세관 응축은 예를 들어, 화학흡착보다 훨씬 큰 수소 흡수를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 저장 방법에 있어서, 탄소의 원뿔형 미세구조 내로 또는 상으로의 흡착 또는 응축이 일어난다. 특히, 저장 방법은, 언급된 바와 같이, 수소가 탄소 표면상으로, 즉, 특이적으로 본 발명에 사용되는 원뿔형 탄소 물질상으로 흡착되는 것과 관련있는 것으로 여겨진다. 이러한 터보스트래틱 미세구조는 크배너(Kvaerner)의 소위 "카본 블랙 & 수소"(CB & H.) 공정에서 사용되는 아크 (arc)에서의 탄화수소의 열분해에 의해 생성되는 탄소 물질에서 나타난다. 이러한 탄소 물질은 전체 경사가 60°의 배수인, 즉 평평한 디스크(P=0) 및 원뿔각 또는 전체 경사가 60°, 120°, 180°, 240° 및 300°(P=1, 2, 3, 4, 5)인 원뿔인 터보스트래틱 미세구조로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 수소 저장에 사용된 흑연 미세구조는, 크배너 엔지니어링에 의해 최근 개발된 공정으로 탄소 아크에서 탄화수소를 열분해시킴으로써 생성되었다. 이러한 공정은 [the 5th annual US Hydrogen Meeting, National Hydrogen Association, Washington D.C., (S.Lynum, "CO2-free Hydorgen from Hydorcarbons. The Kvaerner CB & H Process"(1994))]에서 최초로 발표되었고, 후에 문헌[B.Gaudernack and S.Lynum ("Hydrogen from Natural Gas without Release of CO2 to the Atmosphere", Proc. 11th WHEC, 1:511 523)]으로 간행되었다. 상응하게는, 상기 공정은 문헌[S.Lynum, J.Hugdahl and R.Hildrum, in "The Kvaerner CB & H process", presented at the conference Carbon Black World Nice, 4 6the March 1996]에 설명되어 있다. 특이하게 고안된 탄소 아크 플라스마 생성기(토치 형상)의 탄력성은 메탄에서 중유에 이르는 탄화수소의 분해를 가능하게 한다. 플라스마 기체는 수소이며, 공정의 효과적인 플라스마 온도는 2300K를 초과한다. 이 공정에서 생성된 탄소 물질중의 만곡 탄소 표면의 핵형성 및 탄소 원뿔의 존재는 처음으로 문헌[A.Krishnan & al. in "Graphitic cones and the nucleation of curved carbon surfaces", Nature, Vol. 388:451 454(31 July 1997)]에 언급되었으며, 또한 표제가 "Microconical graphite materials"인 노르웨이 특허 출원 19971413(1997년 3월 25일)(힌들럼 및 노르드빅(Hildrum & Nordvik))(크배너 엔지니어링 출원)의 요지이기도 하다. 그러나, 이러한 종류의 상응하는 터보스트래틱 미세구조는 또한, 상이한 조건하에서 다른 제조업자에 의해 생산된 탄소 물질에서 공지되어 있다는 것을 주목해야 한다. 이러한 경우, 그래파이트 기판상의 탄소 원자의 증기 응축에 의한 나노미터 크기의 탄소 원뿔의 형성을 기재한 문헌[M.Ge & K.Sattler, "Observation of fullerence cones", Chemical Physics Letters, 220:192 196(1994)]이 참조될 수 있다. 관찰된 원뿔의 길이는 24nm 이하이며, 기준 직경은 8nm이다. 이들은 모두 완벽한 그래파이트 원뿔에 대한 5가지의 가능한 개방 각도중 가장 작은 약 19°의 동일한 원뿔각을 갖는다. 원뿔, 나노튜브 및 버크미니스터 풀러렌 C60(buckminister fullerene C60)은 상이한 수의 오각형을 갖는 풀러렌 유형의 핵형성 시드를 사용하여 개시될 수 있다.
크배너에 의해 제조된 탄소 물질을 본 발명과 관련한 실험 연구에서 사용하였으며, 터보스트래틱 미세구조 즉, 평평한 디스크 또는 원뿔각이 60°의 배수, 즉 Px60°(여기서, P=1,2,3,4,5임)인 원뿔 형태의 평면 또는 미세 구조로 서로에 대해 무질서하게 배열된 그래파이트 디스크로 이루어져 있었다. 또한, 더 적은 양의 나노튜브가 존재하였다. 원뿔 및 나노튜브가 물질의 20%를 차지하며, 나머지는 주로 디스크였다. 원뿔의 길이는 전형적으로 0.5 내지 1.0 μm, 즉, 제 앤 새틀러(Ge & Sattler)(op.cit)에 의해 관찰된 원뿔 보다 실질적으로 길었다. 크기는 공정 파라미터에 의존적인 것으로 여겨지며, 더 크거나 더 작은 미세구조는 명백히 적합한 공정 제어에 의해 이루어질 수 있다. 저장 방법에 사용된 미세구조의 결정도는 10 내지 100%, 바람직하게는 50 내지 100%, 더욱 바람직하게는 75 내지 100%이다. 사용된 탄소 물질의 표면적은 77K에서 질소 흡착에 의해 측정하여 1m2/g 내지 200m2/g, 바람직하게는 50m2/g 내지 1000m2/g, 더욱 바람직하게는 200m2/g 내지 800m2/g이다. 원뿔각은 60°의 배수, 즉 Px60°(여기서, P=0, 1, 2, 3, 4, 5임)이며, 특정한 전체 경사를 생성하는데 필요한 5각형의 유효 수에 상응한다. P 값의 분포는 볼트츠만(Boltzman) 분포에 따르지 않는다. 디스크가 거의 없는 (P=0) 물질이 바람직하지만, 큰 수의 원뿔 (P=2, 3, 4 및 5)을 갖는 물질이 더욱 바람직하며, 대부분의 원뿔의 P값이 3, 4 및 5인 물질이 더욱 더 바람직하다. 원뿔의 요망되고 바람직한 분포에 영향을 미치기 위해 반응 챔버에 촉매를 첨가하는 것이 필요할 수 있다.
본 발명에 따라 수소를 저장하는 방법에서, 수소는, 적합한 반응 용기에서 미세구조를 순수한 수소에 노출시킴으로써 미세구조에 도입된다. 탄소 물질은 일반적으로, 반응 용기에 도입된 후, 10-6토르 미만의 압력으로 감압되고, 탄소 물질은 500K 내지 800K의 온도로 가열된다. 수소는 적합한 온도에서 미세구조내에 흡수된다. 전형적인 온도는 실온에서 295K 내지 약 700K, 바람직하게는 400K 내지 700K, 더욱 바람직하게는 400K 내지 600K로 달라질 수 있다. 수소 압력은 수 백 토르 내지 포화에 상응하는 압력이며, 포화에 상응하는 압력은 수 천 토르를 필요로 할 수 있다. 수소 압력이 300토르 이상이며, 포화 압력이 7600토르를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 수소는 실온 또는 이보다 다소 낮은 온도 및 수소 압력에서 저장하는 방법에 사용되는 미세구조에 저장될 수 있다. 이는 상기 언급된 물리흡착 공정에 의해 실질적으로 대량의 수소를 흡착시키고 유지하기 위해 극히 저온으로 냉각되어야 하는 활성 탄소 물질의 사용과는 아주 상반되는 것이다.
활성화된 탄소 물질은 수소를 화학흡착하는 데에 필요한 특성, 즉, 화학 결합으로서 분류되기에 충분히 강하게 수소와 결합하는 특성을 가지지 않는다. 대신, 수소는 약한 반데르발스의 힘에 의해 탄소 표면에 결합하고, 결과적으로 수소는 또한 저온에서 표면으로부터 방출된다. 본 발명에 따른 저장 방법을 이론에 의해 제한시키고자 하는 것은 아니지만, 대부분의 수소는, 일반적으로 화학흡착으로 인한 결합 강도에 상응하는 결합 강도를 지니면서 저장 방법에 사용되는 미세구조에 결합되는 것으로 여겨진다. 추가적인 수소는 또한, 매우 낮은 온도로 냉각시킴으로써 미세구조에 의해 흡수되지만, 물리흡수된 수소의 양은 화학흡수된 부분과 비교하여 매우 적으며, 이러한 미세구조내의 수소 저장에 거의 중요하지 않다. 그러나, 또한 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며 상기 언급된 바와 같이, 비교적 대량의 수소가 원뿔 꼭지점에서 소위 모세관 응축에 의해 원뿔에 흡수될 수 있다.
본 발명에 따른 저장 방법에서, 사용된 미세구조내에 5 중량% 이상의 수소를 저장하는 것이 가능한 것으로 여겨지며, 실험적 연구는 15 중량% 이상 또는 심지어 20 중량 % 이상의 저장 가능성을 나타내고 있다.
공정 조건이 본 발명에 따른 저장 방법에 미치는 효과의 예가 하기 주어진다. 크배너의 CB & H 공정에 의해 생성된 샘플 0.5g은 실질적으로 큰 원뿔각 및 1μm의 전형적인 길이를 갖는 원뿔로 이루어져 있다. 이 샘플을 반응 용기에 넣은 후, 약 10-6토르로 감압시켰다. 그 후, 샘플을 760토르 압력에서 중수소중에서 775K로 가열함으로써 예열시켰다. 수소의 더 무거운 동위원소인 중수소가 본 발명에 따른 저장 방법에 대해 실질적인 영향 없이 수소를 대신할 수 있다는 것이 주목된다. 1시간 동안 가열한 후, 반응 용기를 감압시키고, 그 후 실온으로 냉각시켰다. 그 후, 주사 전자 마이크로스코피(SEM)를 사용하여 원소 분석을 수행한 결과, 예열이 샘플중에 원래 존재하는 산소를 효과적으로 제거했다는 것을 보여주었다. 중수소의 흡수는 샘플을 약 20시간 동안 760토르의 중수소 압력하에 노출시킴으로써 실온(298K)에서 일어났다. 샘플로부터의 중수소의 탈착은, 샘플을 액체 질소 온도로 냉각시키고, 반응 용기를 감압시키고 프로그램된 가열 속도를 개시시키고, 동적 진공을 유지시키면서 온도 함수로서의 압력을 측정하는 것으로 구성된 온도 프로그램된 탈착 스펙트로스코피(TPD 스펙트로스코피)에 의해 수행하였다. 탈착 스펙트로스코피의 결과는 도 2에 도시되어 있다. 약 150K의 저온 피크는 물리흡수된 중수소와 관련되어 있으며, 일반적으로 활성화된 탄소 물질이 사용되는 경우 나타나는 피크와 비교되어야 한다. 이러한 피크의 세기가 낮다는 것은, 매우 적은 중수소가 이러한 온도에서 방출된다는 것을 나타낸다. 약 300K인 제 2 고온 피크는 훨씬 큰 세기를 지니며, 화학흡수된 수소로서 상기 언급된 것과 관련있다. 이 온도에서 저장을 위해 사용된 미세구조로부터 방출된 수소는 이러한 물질의 우수한 수소 저장 특성에 대한 기초가 된다.
언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법으로 수소를 더욱 우수하게 저장할 수 있는데 사용되는 탄소 물질을 제조하는 것이 요망될 수 있다. 특히, 탄소 물질에서 많은 부분이 원뿔형 구조인 것이 요망되며, 원뿔형 구조는 특히 예를 들어, P가 3, 4 및 5인 개방 각도를 지닌다. 또한, 예를 들어, 촉매 수단을 탄소 물질이 생성되는 반응 챔버에 유입시켜서, 원뿔 각 분포[A. Krishnan & al., op.cit.p.453 참조]를 조정함으로써 원뿔의 크기에 영향을 미치는 것이 요망될 수 있으며, 이러한 것은 물질의 수소 저장 용량의 증가에 기여할 수 있다. 예를 들어, 크배너의 CB & H 플라스마 공정에 상응하는 공정으로 탄소 물질을 생성하는데 사용되는 이러한 반응 챔버가 본 발명에 따른 수소 저장 방법에 사용되는 반응 용기와 혼동되지 않아야 함은 물론이다.
탄소의 원뿔형 미세구조를 사용하는 본 발명에 따른 수소의 저장 및 흡수 방법은 상기 언급된 미국 특허 출원 제 5 653 951호(Rodriguez & al.) 및 문헌[A.Chambers & al., "Hydrogen Storage in Graphite Nanofibres", J.Phys.Chem.B, Vol. 102, 22:4253-4256(1998) and in A.C. Dillon & al., "Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes", Nature, Vol. 386:377 379(1997)]에 기재된 바와 같은 탄소의 나노튜브에서 수소의 흡수 시험과 비교될 수 있다. 특히, 도 3의 탈착 곡선(Dillon & al.중의 도 1)이 참조되는데, 저온 탈착과 비교하여 실온보다 높은 온도에서 비교적 적은 활성을 나타내는 것을 알 수 있다. 도 2에 명백히 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 저장 방법의 경우는 이와 반대이다. 이는 다양한 탄소 시스템사이에서 수소 흡수면에서 정성적 및 정량적 차이가 있음에 틀림없고, 명확한 원뿔형 미세구조이어야 한다는 것을 암시한다. 수소 저장을 위한 본 발명에 따른 방법은 탄소 미세구조의 다른 유형의 용도를 기초로 하는 방법의 경우보다 더욱 효과적인 것으로 보인다.
미국 특허 제 5 653 951호(Rodriguez & al.) 및 챔버스 등(Chambers & al.)은 실온 이상에서의 대량의 수소 흡수에 대한 어떠한 증거도 제공하지 못하였다. 어느 누구도 120atm의 압력 및 25℃에서 탄소 구조내의 g 당 20I(STP)의 수소 흡수에 관해 챔버스 등(Chambers & al.)이 주장한 결과를 실증해내지 못하였다. 그러나, 본 발명에 따른 수소 저장 방법에서, 탈착 곡선은 주위 온도에 상응하는 온도, 즉 295K 이상에서 이러한 종류의 흡수가 일어난다는 것을 명백히 보여주고 있다.

Claims (9)

  1. 미세구조가 원뿔을 포함하며, 원뿔의 각도가 60°의 배수인, 원소 탄소의 터보스트래틱(turbostratic) 미세구조를 포함하는 탄소 물질내에 수소를 저장하는 방법으로서,
    a) 반응 용기로 탄소 물질을 유입시키는 단계,
    b) 반응 용기를 10-6토르 미만으로 감압시키고 탄소 물질을 295K 내지 800K의 온도로 유지시키는 단계,
    c) 순수한 수소 기체를 감압시킨 반응 용기에 유입시켜, 탄소 물질을 300토르 내지 7600토르의 압력에서 상기 순수한 수소 기체에 노출시키는 단계,
    d) 상기 순수한 수소 기체를 탄소 물질의 미세구조내로 흡수시키는 단계, 및
    e) 주위 온도에서 반응 용기를 방치시키는 단계를 포함하며, 반응 용기에 함유된 물질은 300토르 내지 7600토르의 고정된 수소 기체 압력을 받고, 수소는 필요에 따라 주위 온도에서 또는 반응 용기내의 탄소 물질을 가열시킴으로써 탄소 물질로부터 기체로서 방출되는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 단계 b)에서 탄소 물질을 400K 내지 700K의 온도로 가열시킴을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 탄소 물질을 400 내지 600K의 온도로 가열시킴을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 단계 c)에서 탄소 물질을 탄소 물질의 포화 압력에 상응하는 압력에서 순수한 수소 기체에 노출시켜, 탄소 물질중의 5 중량% 이상의 수소 저장 용량을 수득함을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 단계 d)에서 화학흡착 공정에 의해 순수한 수소 기체를 탄소 물질의 미세구조내로 흡수시킴을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 결정도가 10% 이상이며, 표면적이 1m2/g 내지 2000m2/g인 탄소 물질을 사용함을 특징으로 하는 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 단계 (e)에서 반응 용기를 295K 또는 이보다 약간 낮은 온도에서 방치시키는 것을 특징으로 하는 방법.
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