KR100724555B1 - Metal oxide catalyst for hydrogen generation and method of producing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 제조용 금속 산화물 촉매 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 수소 제조용 촉매 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 수소 제조용 촉매를 이용하면 수소 생성 효율이 우수고 가격이 저렴한 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a metal oxide catalyst for producing hydrogen and a method for producing the same, and more particularly, to a catalyst for producing hydrogen containing at least one metal oxide and a method for producing the same. Using the catalyst for producing hydrogen of the present invention has the effect of producing hydrogen with excellent hydrogen production efficiency and low cost.

금속 산화물, 수소 제조, 재생, 글리신-나이트레이트 Metal Oxide, Hydrogen Production, Regeneration, Glycine-Nitrate

Description

수소 제조용 금속 산화물 촉매 및 그의 제조 방법{Metal oxide catalyst for hydrogen generation and method of producing the same}Metal oxide catalyst for hydrogen production and its manufacturing method {Metal oxide catalyst for hydrogen generation and method of producing the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화철 촉매의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of an iron oxide catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 2는 글리신-나이트레이트 방법에 따라 제조한 Co3Fe2 산화물 촉매에 대해 시간에 따른 수소 유량을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a graph showing the hydrogen flow rate over time for the Co 3 Fe 2 oxide catalyst prepared according to the glycine-nitrate method.

도 3은 마이크로웨이브 오븐에서 열산화를 통해 제조한 CoFe4-혼합 산화물 촉매에 대해 시간에 따른 수소 유량을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing hydrogen flow rate over time for a CoFe 4 -mixed oxide catalyst prepared by thermal oxidation in a microwave oven.

도 4는 마이크로웨이브 오븐에서 열산화를 통해 제조한 부분적으로 소성된 철 산화물 촉매에 대해 시간에 따른 수소 유량을 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing hydrogen flow rate over time for a partially calcined iron oxide catalyst prepared through thermal oxidation in a microwave oven.

도 5는 마이크로웨이브 오븐에서 열산화를 통해 제조하고 1150 ℃에서 소성하여 소성된 철 산화물 촉매에 대해 시간에 따른 수소 유량을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing hydrogen flow rate over time for an iron oxide catalyst prepared by thermal oxidation in a microwave oven and calcined at 1150 ° C.

도 6은 글리신-나이트레이트 방법에 따라 제조한 CoFe 산화물 촉매에 대해 Co/Fe 몰비에 따른 최대 수소 유량의 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the maximum hydrogen flow rate according to the Co / Fe molar ratio for the CoFe oxide catalyst prepared according to the glycine-nitrate method.

본 발명은 금속 보로하이드라이드로부터 수소를 제조하기 위한 금속 산화물 촉매 또는 혼합된 금속 산화물 촉매에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 금속 산화물 촉매의 제조 방법, 소성 방법, 활성화 방법, 비활성화된 금속 산화물 촉매의 재생 방법, 및 다양한 화학 시스템에 대한 산화 반응 촉매의 용도에 관한 것이다.The present invention relates to metal oxide catalysts or mixed metal oxide catalysts for producing hydrogen from metal borohydrides. The present invention also relates to methods of making metal oxide catalysts, firing methods, activation methods, regeneration methods of deactivated metal oxide catalysts, and the use of oxidation reaction catalysts for various chemical systems.

전이금속 촉매는 산화 반응(미합중국 특허번호 제6,124,499호), NOx 처리 반응(미합중국 특허번호 제6,916,945호), 알칸의 산화 및 아목시화(ammoxidation) 반응(미합중국 특허번호 제6,777,571호), 트랜스에스테르화 반응(미합중국 특허번호 제5,350,879호), 및 메탄의 산화적 커플링 반응(미합중국 특허번호 제4,826,796호)와 같이 다양한 화학 공정의 촉매로서 이용되고 있다. 그러나, 금속 산화물 또는 혼합된 금속 산화물은 금속 보로하이드라이드 용액으로부터 수소를 제조하기 위한 응용에 사용되거나 연구된 바가 없다. 전체적으로 금속 산화물의 촉매 활성은 제조 조건, 전자 구조, 결정화도, 산화 상태, 표면적 등과 밀접한 관련이 있다. 또한, 금속 산화물의 표면 구조, 조성, 상(相) 또는 입자 크기를 정밀하게 제어하면 다양한 화학 촉매로서의 중요한 역할을 수행할 수 있다.The transition metal catalysts include oxidation reactions (US Pat. No. 6,124,499), NOx treatment reactions (US Pat. No. 6,916,945), oxidation and ammoxidation reactions of alkanes (US Pat. No. 6,777,571), transesterification reactions. (US Pat. No. 5,350,879), and oxidative coupling reactions of methane (US Pat. No. 4,826,796) as catalysts in various chemical processes. However, metal oxides or mixed metal oxides have not been used or studied in applications for producing hydrogen from metal borohydride solutions. Overall, catalytic activity of metal oxides is closely related to manufacturing conditions, electronic structure, crystallinity, oxidation state, surface area, and the like. In addition, precise control of the surface structure, composition, phase or particle size of the metal oxide can play an important role as various chemical catalysts.

수소는 화학물질의 산업적 합성에 매우 중요한 원료물질의 하나이며, 최근에는 연료전지 등의 청정 에너지 원료로서도 주목받고 있다. 수소에 대한 수요의 급증으로 인하여 수소를 저장하는 다양한 방법이 개발되었다. 수소를 저장하는 방법으로는, 수소를 압축 또는 액화하거나, 탄소나노튜브, 활성 탄소, 금속 또는 금속 합금에 수소를 흡착시키는 방법이 있다. 그러나, 수소를 압축 또는 액화하는 방법 은 수소의 유량과 압력을 비교적 용이하게 제어할 수 있지만 안전성이 문제되고, 수소를 흡착시켜서 저장하는 방법은 단위 부피당의 에너지 밀도가 낮고 반응이 느린 문제가 있다. 최근에는, 촉매를 이용하여 보로하이드라이드 수용액으로부터 수소를 제조하는 방법이 수소를 안정적으로 안전하게 그리고 제어용이하게 공급할 수 있기 때문에 연구자들로부터 많은 주목을 끌고 있다.Hydrogen is one of the most important raw materials for the industrial synthesis of chemicals, and recently, it has attracted attention as a clean energy source such as fuel cells. Due to the surge in demand for hydrogen, various methods of storing hydrogen have been developed. As a method of storing hydrogen, there is a method of compressing or liquefying hydrogen or adsorbing hydrogen to carbon nanotubes, activated carbon, metals or metal alloys. However, the method of compressing or liquefying hydrogen can relatively easily control the flow rate and pressure of hydrogen, but the safety is a problem, and the method of adsorbing and storing hydrogen has a problem of low energy density per unit volume and a slow reaction. Recently, a method of producing hydrogen from an aqueous solution of borohydride using a catalyst has attracted much attention from researchers because it can stably and safely supply hydrogen.

산, 전이금속, 또는 이들의 염을 촉매로 이용하여 나트륨 보로하이드라이드를 가수분해함으로써 수소기체를 생산할 수 있음은 널리 알려져 있다(Kaufam, C.M. and Sen, B., J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1985, 307-313). 미합중국 특허번호 제6,534,033호는 전이금속 촉매를 이용하여 안정화된 금속 보로하이드라이드 용액으로부터 수소를 제조하는 방법을 개시한다. 이러한 금속 촉매는 다양한 기재 위에 담지된 루테늄, 로듐, 또는 코발트 금속을 포함하는데 수소 생성에 있어 높은 활성을 보인다. 다른 금속 촉매로는 은, 철, 니켈, 구리 등을 들 수 있는데, 실험에 따르면 실온에서 활성이 없거나 낮은 활성을 보인다. 구리 및 니켈과 같은 금속 촉매는 600 ℃ 내지 800 ℃의 온도의 질소 분위기에서 가열한 후에 개선된 활성을 보인다. 루테늄, 로듐 또는 백금과 같은 고성능 금속 촉매의 사용은 다양한 응용분야에서 1회용으로 사용하기에는 너무 비싸서 경제적이지 않다.It is well known that hydrogen gas can be produced by hydrolyzing sodium borohydride using an acid, a transition metal, or a salt thereof as a catalyst (Kaufam, CM and Sen, B., J. Chem. Soc. Dalton Trans). . 1985, 307-313). US Patent No. 6,534,033 discloses a process for producing hydrogen from a stabilized metal borohydride solution using a transition metal catalyst. These metal catalysts include ruthenium, rhodium, or cobalt metals supported on various substrates and exhibit high activity in hydrogen production. Other metal catalysts include silver, iron, nickel, copper, etc. Experiments have shown no or low activity at room temperature. Metal catalysts such as copper and nickel show improved activity after heating in a nitrogen atmosphere at temperatures of 600 ° C. to 800 ° C. The use of high performance metal catalysts such as ruthenium, rhodium or platinum is too expensive and not economical for single use in various applications.

최근에 간행된 Kojima, Y. et al., Int. J. Hydrogen Energy, 2002, 27, 1029-1034에 따르면, 토요타 중앙 연구소(Toyota Central R&D Laboratories, Inc.)는 백금과 LiCoO2를 포함하는 촉매가 수소 생성에 있어서 높은 촉매 활성을 보임을 보고하였다. 이러한 높은 촉매 활성은 금속 산화물 골격 위에 미세하게 분할된 백금의 시너지 효과에 기인한다. 그러나, 이 시스템도 백금과 같은 귀금속을 여전히 이용하고 있으며, 이는 높은 제조비용이 들기 때문에 실용화에 있어서 매력적이지 않다. 실용성의 견지에서 볼 때, 수소 생성의 효율이 우수하면서도 제조비용이 저렴한 촉매가 요구된다.Recently published Kojima, Y. et al., Int. According to J. Hydrogen Energy , 2002 , 27, 1029-1034, Toyota Central R & D Laboratories, Inc. reported that catalysts containing platinum and LiCoO 2 showed high catalytic activity in hydrogen production. This high catalytic activity is due to the synergistic effect of finely divided platinum on the metal oxide backbone. However, this system still uses precious metals such as platinum, which is not attractive for practical use because of high manufacturing costs. In view of practicality, there is a need for a catalyst that is excellent in hydrogen production efficiency and low in production cost.

본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 수소 생성 효율이 우수하면서도 제조비용이 저렴한 수소제조용 촉매를 제공하는 것이다.The first technical problem to be achieved by the present invention is to provide a catalyst for producing hydrogen with excellent hydrogen production efficiency and low production cost.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 수소 생성 효율이 우수하면서도 제조비용이 저렴한 수소제조용 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing a catalyst for producing hydrogen with excellent hydrogen production efficiency and low production cost.

본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 수소제조용 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for producing the catalyst for producing hydrogen.

본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 상기 수소 제조용 촉매의 재생 방법을 제공하는 것이다.The fourth technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for regenerating the catalyst for producing hydrogen.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 수소 제조용 촉매를 제공한다.The present invention provides a catalyst for producing hydrogen containing at least one metal oxide in order to achieve the first technical problem.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 공기 또는 오존 분위기에서 금속을 200 ℃ 내지 1200 ℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 금속 소스로부터 금속 산화물 촉매를 제조하는 수소 제조용 촉매의 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing a catalyst for producing hydrogen for producing a metal oxide catalyst from a metal source comprising the step of heating the metal to a temperature of 200 ℃ to 1200 ℃ in air or ozone atmosphere to achieve the second technical problem. .

또, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위한 다른 방법으로서 금속 화합물을 가열에 의해 분해하는 단계를 포함하는, 금속 화합물로부터 금속 산화물 촉매를 제조하는 수소 제조용 촉매의 제조 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a method for producing a catalyst for producing hydrogen for producing a metal oxide catalyst from a metal compound, comprising the step of decomposing the metal compound by heating as another method for achieving the second technical problem.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 금속 보로하이드라이드, 염기 및 양성자 주개 용매를 포함하는 용액과 상기 금속 산화물 촉매를 접촉시키는 단계를 포함하는 수소 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing hydrogen comprising contacting the metal oxide catalyst with a solution comprising a metal borohydride, a base and a proton donor solvent to achieve the third technical problem.

본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 비활성화된 금속 산화물 촉매를 용매 내에서 초음파 처리하는 단계; 용매를 이용하여 상기 촉매를 세척하는 단계; 및 상기 촉매를 200 ℃ 내지 1200 ℃로 가열하는 단계를 포함하는, 비활성화된 수소 제조용 금속 산화물 촉매의 재생 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of sonicating the deactivated metal oxide catalyst in a solvent to achieve the fourth technical problem; Washing the catalyst with a solvent; And heating the catalyst to 200 ° C. to 1200 ° C., to provide a method for regenerating a metal oxide catalyst for producing inactivated hydrogen.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 높은 성능의 촉매 활성을 갖는 저렴한 수소 제조용 금속 산화물 촉매를 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 금속 산화물에 근거한 담지되거나 담지되지 않은 촉매의 제조 방법과 상기 촉매를 이용하여 수소를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides an inexpensive metal oxide catalyst for producing hydrogen having high catalytic activity. The present invention also provides a method for producing a supported or unsupported catalyst based on metal oxides and a method for producing hydrogen using the catalyst.

이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 다른 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명은 여기에 설명된 구현예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail the present invention. However, the present invention may be embodied in other forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명은 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 수소 제조용 촉매를 제공한 다. 상기 금속 산화물은 하나 이상의 전이금속 산화물을 포함할 수 있다.The present invention provides a catalyst for producing hydrogen comprising at least one metal oxide. The metal oxide may comprise one or more transition metal oxides.

본 발명의 수소 제조용 금속 산화물 촉매는 Sc, T, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu 및 이들의 혼합물의 군으로부터 선택되는 금속 원소의 산화물을 포함하는 하나 이상의 전이 금속 산화물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 상기 전이금속 산화물은 산화 상태가 1가(+1) 또는 2 이상의 다가(+2, +3, +4, … )일 수 있다. 상기 전이금속 산화물은 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 금속 원소의 산화물을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 다른 구현예에서, 상기 금속 산화물 촉매는 하나 이상의 비전이금속 산화물과 결합한 하나 이상의 전이금속 산화물을 포함하는 것일 수 있다. 또, 상기 비전이금속은 Li, Na, Sr, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Si, Fe, Ga, In, Sn, Pb 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 일부 혼합 금속 산화물은 수소 생성을 억제하는 효과를 보인다. 수소 생성을 억제하는 효과를 갖는 Mo, Zn, V, W 등으로부터 선택된 금속 원소의 산화물은 수소의 유량을 조절하는 데 유용하다. 이러한 금속 원소들을 Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Rh 및 이들의 혼합물을 포함하는 활성 금속 산화물과 결합시킴으로써 특정 응용분야에 있어서 바람직한 수소 유량 및 제어된 활성 시간을 달성할 수 있다.The metal oxide catalyst for producing hydrogen of the present invention is Sc, T, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf , Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu and mixtures thereof One or more transition metal oxides, or mixtures thereof, including oxides of metal elements to be formed. The transition metal oxide may have a monovalent (+1) or multivalent (+2, +3, +4, ...) oxidation state. The transition metal oxide more preferably comprises an oxide of a metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh and mixtures thereof. In another embodiment, the metal oxide catalyst may include one or more transition metal oxides combined with one or more non-transition metal oxides. The non-transition metal may be Li, Na, Sr, K, Rb, Cs, Fr, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Si, Fe, Ga, In, Sn, Pb, or a mixture thereof. have. Some mixed metal oxides have the effect of inhibiting hydrogen production. Oxides of metal elements selected from Mo, Zn, V, W, and the like having an effect of inhibiting hydrogen generation are useful for controlling the flow rate of hydrogen. By combining these metal elements with active metal oxides including Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Rh and mixtures thereof, the desired hydrogen flow rates and controlled activation times can be achieved for certain applications.

높은 촉매 활성 및 경제성을 위하여, 본 발명은 Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Rh 및 이들의 조합으로부터 선택된 금속 원소의 산화물을 포함하는 수소 제조용 혼합 금속 산화물 촉매를 제공하지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 이들 금속의 산화 상 태는 1가일 수도 있고, 2 이상의 다가일 수도 있으며, 1가와 2 이상의 다가가 혼합되어 있을 수도 있다. 특히, 상기 금속 산화물이 Co-Fe 산화물(코발트 산화물-철 산화물)일 수 있다. 이 때, 철에 대한 코발트의 몰비는 0.001 내지 1000일 수 있다. 철에 대한 코발트의 몰비가 0.001보다 작으면 수소가 거의 생성되지 않고, 철에 대한 코발트의 몰비가 1000보다 크면 더 이상 수소 유량이 증가되지 않고 코발트가 철보다 고가이기 때문에 비경제적이다.For high catalytic activity and economy, the present invention provides, but is not limited to, mixed metal oxide catalysts for the production of hydrogen comprising oxides of metal elements selected from Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Rh and combinations thereof. . The oxidation state of these metals may be monovalent, two or more polyvalents, or a mixture of monovalent and two or more polyvalents. In particular, the metal oxide may be a Co-Fe oxide (cobalt oxide-iron oxide). At this time, the molar ratio of cobalt to iron may be 0.001 to 1000. If the molar ratio of cobalt to iron is less than 0.001, little hydrogen is produced, and if the molar ratio of cobalt to iron is greater than 1000, it is uneconomical because the hydrogen flow rate is no longer increased and cobalt is more expensive than iron.

이들 혼합 금속 산화물 촉매는 시너지 효과에 의한 높은 촉매 활성을 보일 뿐만 아니라, 단일 금속 산화물 촉매에 비하여 훨씬 짧은 활성화시간을 보인다. 사용된 촉매를 용이하게 분리하기 위하여 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물은 페로마그네틱(ferromagnetic) 물질과 결합될 수 있다.These mixed metal oxide catalysts not only show high catalytic activity due to synergistic effects, but also show much shorter activation times than single metal oxide catalysts. Metal oxides or mixed metal oxides may be combined with ferromagnetic materials to facilitate separation of the catalyst used.

상기 금속 산화물 촉매는 분말, 칩, 디스크, 막대, 와이어, 메쉬, 비드, 다공질 또는 비다공질의 모노리스(monolith), 다공질의 스트립, 또는 비다공질의 스트립 형태이거나, 또는 금속, 세라믹, 고분자, 유리, 파이버(fiber), 패브릭(fabrics), 텍스타일(textiles), 직포(wovens), 부직포(nonwovens), 합금, 제올라이트, 분자체(molecular sieves), 이온교환 수지, 그라파이트, 금속 산화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물, 금속 질화물, 및 이들의 혼합물을 포함하는 기재 위에 담지된 금속 산화물 입자일 수 있다.The metal oxide catalyst is in the form of a powder, chip, disk, rod, wire, mesh, bead, porous or nonporous monolith, porous strip, or nonporous strip, or a metal, ceramic, polymer, glass, Fibers, fabrics, textiles, wovens, nonwovens, alloys, zeolites, molecular sieves, ion exchange resins, graphite, metal oxides, metal carbides, metal bores Metal oxide particles supported on a substrate comprising a cargo, metal nitride, and mixtures thereof.

즉, 상기 금속 산화물은 담지체에 담지되어 있을 수도 있고, 담지체에 담지되지 않은 비담지 촉매의 형태로 되어 있을 수도 있다.That is, the metal oxide may be supported on the support, or may be in the form of an unsupported catalyst not supported on the support.

상기 산화 코발트 촉매의 표면적은 1 m2/g 내지 500 m2/g일 수 있다.The surface area of the cobalt oxide catalyst may be 1 m 2 / g to 500 m 2 / g.

본 발명의 금속 산화물의 제조는 금속의 열 산화 또는 수열 산화(hydrothermal oxidation) 방법에 의하거나 또는 다양한 금속 화합물의 분해 공정에 의할 수 있다. 비담지된 금속 산화물 촉매는 금속을 공기 또는 오존과 같은 산화성 분위기에서 열 산화시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 열 산화의 온도는 통상 200 ℃ 내지 1200 ℃이고 400 ℃ 내지 800 ℃인 것이 바람직하다. 만일 상기 열산화의 온도가 200 ℃에 미달하면 산화가 충분히 일어나지 않아 금속 산화물이 잘 생성되지 않고, 상기 열산화의 온도가 1200 ℃를 초과하면 용융되어 밀도가 높아지며 활성이 감소하는 단점이 있다.The preparation of the metal oxides of the present invention may be by thermal oxidation or hydrothermal oxidation of metals or by decomposition processes of various metal compounds. Unsupported metal oxide catalysts can be prepared by thermal oxidation of metals in an oxidizing atmosphere such as air or ozone. It is preferable that the temperature of the said thermal oxidation is 200 degreeC-1200 degreeC normally, and 400 degreeC-800 degreeC. If the temperature of thermal oxidation is less than 200 ° C., oxidation does not occur sufficiently so that metal oxides are not produced well. If the temperature of thermal oxidation exceeds 1200 ° C., the temperature is melted to increase density and decrease activity.

금속 산화물의 표면이 산화된 정도는 산화된 금속의 색깔을 통해 알 수도 있다. 금속 산화물을 제조하는 가장 간단한 방법은 공기 분위기의 가열공간, 예를 들면, 마이크로웨이브를 이용하여 가열함으로써 열산화시키는 것이다. 마이크로웨이브 가열 공정은 금속 분말을 산화시킬 뿐만 아니라 금속 산화물 입자를 소성(sintering)시키기도 한다. 코발트 금속 입자의 소성에 소요되는 시간은 마이크로웨이브의 파워에 따라 0.5분 내지 20분 정도이고 마이크로웨이브의 파워는 500 W 내지 950 W인 것이 바람직하다. 선택적으로, 금속은 공기 또는 오존 분위기의 개방 프레임 또는 전기 방전 가열에 의하여 산화 및 소성될 수도 있다. 이들 금속 산화물 샘플에 대한 구조 분석을 X-선 회절(XRD) 방법을 이용하여 수행할 수 있다. 도 1은 금속 철이 산화철로 완전히 전환된 것을 나타내는 XRD 패턴이다.The degree to which the surface of the metal oxide is oxidized may be known from the color of the oxidized metal. The simplest method for producing a metal oxide is to thermally oxidize it by heating using a heating space in an air atmosphere, for example, microwaves. The microwave heating process not only oxidizes the metal powder but also sinters the metal oxide particles. The time required for firing the cobalt metal particles is about 0.5 to 20 minutes depending on the power of the microwave and the power of the microwave is preferably 500 W to 950 W. Alternatively, the metal may be oxidized and fired by an open frame or electric discharge heating in an air or ozone atmosphere. Structural analysis on these metal oxide samples can be performed using the X-ray diffraction (XRD) method. 1 is an XRD pattern showing the complete conversion of metal iron to iron oxide.

상기 가열 공간은, 예를 들면, 마이크로웨이브 오븐, 전기 고온 가열로, 전기 가열 오븐, 힛건(heat gun), 열판(hot plate), 또는 이들의 조합일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 가열공간에서는 금속을 산화시키는 동시에 소성이 일어날 수도 있다.The heating space may be, for example, but not limited to, a microwave oven, an electric high temperature furnace, an electric heating oven, a heat gun, a hot plate, or a combination thereof. In the heating space, firing may occur at the same time as the metal is oxidized.

금속 산화물을 제조하는 선택적인 방법은 공기 또는 오존 분위기의 전기로에서 200 ℃ 내지 1200 ℃, 바람직하게는 400 ℃ 내지 800 ℃로 10 분 내지 12 시간, 바람직하게는 1 시간 내지 2 시간 동안 금속을 산화시키는 것이다. 금속 산화물은 수열 산화(hydrothermal oxidation) 또는 수증기 산화에 의하여도 제조될 수 있다. 이들 공정들은 마이크로웨이브 가열 공정에 비하여 더 많은 시간을 소요할 수 있으며, 수소 제조에 촉매를 사용하기 위해 추가적인 열처리를 더 요구하는 경우가 많다.An alternative method of producing metal oxides is to oxidize the metal at 200 ° C. to 1200 ° C., preferably 400 ° C. to 800 ° C. for 10 minutes to 12 hours, preferably 1 hour to 2 hours, in an electric furnace in an air or ozone atmosphere. will be. Metal oxides can also be prepared by hydrothermal oxidation or steam oxidation. These processes can take more time than microwave heating processes and often require additional heat treatment to use the catalyst for hydrogen production.

본 발명의 다른 구현예는 금속 화합물을 열분해함으로써 금속 산화물 촉매를 제조하는 것이다. 금속 산화물 촉매의 전구체는 금속 불화물, 금속 염화물, 금속 브롬화물, 금속 요오드화물, 금속 나이트레이트, 금속 카보네이트, 금속 히드록시드, 금속 보레이트, 금속 아세테이트, 금속 옥살레이트, 또는 유기금속 화합물일 수 있다. 고표면적을 갖는 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물 분말을 제조하기 위해 글리신-나이트레이트 방법이 이용될 수 있다. 이 때, 금속 산화물 입자의 크기 및 기공도는 글리신의 양을 조절함으로써 제어될 수 있다. 글리신-나이트레이트 방법은 당 업계에 잘 알려져 있으며, 예를 들면, http://picturethis.pnl.gov/PictureT.nsf/All/ 3QWS7T?opendocument를 참조할 수 있다.Another embodiment of the present invention is to prepare a metal oxide catalyst by pyrolyzing a metal compound. The precursor of the metal oxide catalyst can be a metal fluoride, metal chloride, metal bromide, metal iodide, metal nitrate, metal carbonate, metal hydroxide, metal borate, metal acetate, metal oxalate, or organometallic compound. The glycine-nitrate method can be used to produce metal oxides or mixed metal oxide powders having a high surface area. At this time, the size and porosity of the metal oxide particles can be controlled by adjusting the amount of glycine. Glycine-nitrate methods are well known in the art, see for example http://picturethis.pnl.gov/PictureT.nsf/All/3QWS7T?opendocument.

담지된 금속 산화물 촉매는, 금속, 세라믹, 고분자, 유리, 파이버(fiber), 패브릭(fabrics), 텍스타일(textiles), 직포(wovens), 부직포(nonwovens), 합금, 제올라이트, 분자체(molecular sieves), 이온교환 수지, 그라파이트, 금속 산화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물, 금속 질화물, 및 이들의 혼합물을 포함하는 기재에 결합되거나, 이들 기재 내에 포획되거나 또는 이들 기재 위에 도포된 금속 산화물의 분해 공정을 통해 제조된다. 담지된 금속 산화물 촉매를 제조하는 다른 방법은 공기 또는 오존 분위기에서 기재 위에 코팅된 금속을 가열하여 산화시키는 것이다. 기재 위에 금속 필름을 코팅하는 것은, 예를 들면, 전기도금 또는 무전해 도금에 의해 이루어질 수 있지만 여기에 한정되지 않는다.Supported metal oxide catalysts include metals, ceramics, polymers, glass, fibers, fabrics, textiles, wovens, nonwovens, alloys, zeolites, and molecular sieves. Through the decomposition process of metal oxides bound to, encapsulated in, or applied onto substrates comprising, ion exchange resins, graphite, metal oxides, metal carbides, metal borides, metal nitrides, and mixtures thereof. Are manufactured. Another method of preparing the supported metal oxide catalyst is to heat and oxidize the coated metal on the substrate in an air or ozone atmosphere. Coating of the metal film on the substrate may be, for example, by electroplating or electroless plating, but is not limited thereto.

본 발명에 따른 수소 제조 방법은 금속 보로하이드라이드, 염기 및 양성자 주개 용매를 포함하는 용액에 금속 산화물 촉매를 접촉시킴으로써 개시될 수 있다. 상기 금속 보로하이드라이드는 리튬 보로하이드라이드, 나트륨 보로하이드라이드, 칼륨 보로하이드라이드, 암모늄 보로하이드라이드, 테트라메틸 암모늄 보로하이드라이드, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. 여기에 사용되는 염기는 금속 보로하이드라이드를 용액 내에서 안정화시키는 역할을 한다. 금속 보로하이드라이드 용액에서 사용되는 통상적인 염기는, 예를 들면, 리튬 히드록시드, 나트륨 히드록시드, 칼륨 히드록시드, 암모늄 히드록시드, 나트륨 설파이드, 나트륨 징케이트(sodium zincate), 나트륨 갈레이트(sodium gallate), 나트륨 실리케이트, 및 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되지 않는다.The hydrogen production process according to the invention can be initiated by contacting a metal oxide catalyst with a solution comprising a metal borohydride, a base and a proton donor solvent. The metal borohydride may be selected from the group consisting of lithium borohydride, sodium borohydride, potassium borohydride, ammonium borohydride, tetramethyl ammonium borohydride, and mixtures thereof. The base used here serves to stabilize the metal borohydride in solution. Conventional bases used in metal borohydride solutions are, for example, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, sodium sulfide, sodium zincate, sodium gallate Sodium gallate, sodium silicate, and mixtures thereof, but is not limited thereto.

금속 보로하이드라이드 용액으로부터 수소가 생성되는 것은 양성자 주개 용매에 의해 금속 보로하이드라이드가 가용매 분해(solvolysis)됨으로써 일어난다. 따라서, 본 발명의 금속 보로하이드라이드의 가용매 분해에는 양성자 주개 용매이면 어떤 것이든 이용될 수 있다. 이러한 용매의 바람직한 예는 물; 에틸렌글리콜, 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 이소부탄올, 프로판올, 프로판디올, 부탄올을 포함하는 모든 알코올, 및 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되지 않는다. 다른 수소 제조 방법은 금속 산화물 촉매 및 고체 금속 보로하이드라이드를 포함하는 고체 시스템과 양성자 주개 용매를 혼합함으로써 개시될 수 있다. 이 방법의 수소 제조는 금속 산화물 촉매 및 고체 금속 보로하이드라이드의 고체 혼합물에 첨가되는 용매의 양을 조절함으로써 제어될 수 있다.The generation of hydrogen from the metal borohydride solution is caused by solvolysis of the metal borohydride by the proton donor solvent. Therefore, any proton donor solvent can be used for solvolysis of the metal borohydride of the present invention. Preferred examples of such solvents include water; All alcohols including ethylene glycol, glycerol, methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, propanol, propanediol, butanol, and mixtures thereof, but are not limited thereto. Another method for producing hydrogen can be initiated by mixing a proton donor solvent with a solid system comprising a metal oxide catalyst and a solid metal borohydride. The hydrogen production of this process can be controlled by controlling the amount of solvent added to the solid mixture of the metal oxide catalyst and the solid metal borohydride.

새로이 제조된 금속 산화물 촉매를 이용하는 경우, 금속 보로하이드라이드 용액으로부터 수소 기체를 생성하는 데에는 몇 분 정도의 시간이 소요될 수 있다. 금속 보로하이드라이드 용액 내에 상기 촉매를 1분 내지 30분 침지시키면 표면 활성화가 일어난다. 일단 상기 촉매가 활성화되면, 생성되는 수소의 양이 즉시 증가하는 것이 관찰된다. 새로이 제조된 금속 산화물의 표면 활성화를 가속하기 위해, 가열이 요구될 수 있다. 바람직한 가열 온도는 30 ℃ 내지 100 ℃일 수 있고 40 ℃ 내지 80 ℃인 것이 바람직하다. 다만, 만일 수소 제조 공정이 즉각적인 반응을 요구하는 것이 아니라면, 이러한 활성화 과정은 불필요할 수 있다. 일반적으로, 금속 산화물 촉매의 활성화는 촉매의 양, 금속 보로하이드라이드와 안정제의 농도, 촉매의 입자 크기와 관련될 수 있다. 혼합 금속 산화물 촉매는 수소 제조에 있어서 더 짧은 활성화 시간을 보이는 경우가 많다.When using the newly prepared metal oxide catalyst, it may take several minutes to generate hydrogen gas from the metal borohydride solution. Surface activation occurs by immersing the catalyst in the metal borohydride solution for 1-30 minutes. Once the catalyst is activated, the amount of hydrogen produced is observed to increase immediately. In order to accelerate the surface activation of the newly prepared metal oxide, heating may be required. Preferred heating temperatures may be from 30 ° C. to 100 ° C., preferably from 40 ° C. to 80 ° C. However, if the hydrogen production process does not require an immediate reaction, this activation process may be unnecessary. In general, activation of the metal oxide catalyst can be related to the amount of catalyst, the concentration of metal borohydride and stabilizer, and the particle size of the catalyst. Mixed metal oxide catalysts often show shorter activation times in hydrogen production.

상기 금속 산화물 촉매 또는 혼합 금속 산화물 촉매를 여러 번 사용한 후에 는 표면 오염 및/또는 부분 환원으로 인하여 촉매 활성이 감소한다. 비활성화된 금속 산화물 촉매는 (1) 상기 촉매를 탈이온수와 같은 용매 내에서 초음파 처리하는 단계; (2) 상기 촉매를 탈이온수와 같은 용매로 여러 차례 세척하는 단계; (3) 상기 촉매를 200 ℃ 내지 1200 ℃로, 바람직하게는 400 ℃ 내지 800 ℃로 가열하는 단계와 같은 과정을 통해 재활성화될 수 있다. 상기 용매는 탈이온수인 것이 바람직하지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 가열은 고온 가열로, 전기 가열 오븐, 힛건(heat gun), 열판(hot plate), 마이크로웨이브 오븐, 전기 가열로 또는 이들의 조합과 같은 가열공간에서 수행될 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.After multiple uses of the metal oxide catalyst or mixed metal oxide catalyst, catalyst activity decreases due to surface contamination and / or partial reduction. The deactivated metal oxide catalyst may comprise (1) sonicating the catalyst in a solvent such as deionized water; (2) washing the catalyst several times with a solvent such as deionized water; (3) The catalyst may be reactivated through a process such as heating the catalyst to 200 ° C to 1200 ° C, preferably 400 ° C to 800 ° C. The solvent is preferably deionized water, but is not limited thereto. The heating may be performed in a heating space such as, but not limited to, a high temperature furnace, an electric heating oven, a heat gun, a hot plate, a microwave oven, an electric heating furnace, or a combination thereof.

만일 상기 가열온도가 200 ℃ 미만이면 비활성화된 산화 코발트 촉매가 제대로 재활성화되지 않고, 상기 가열온도가 1200 ℃를 초과하면 용융됨으로써 밀도가 높아지고 활성이 감소하는 단점이 있다.If the heating temperature is less than 200 ℃ deactivated cobalt oxide catalyst is not properly reactivated, if the heating temperature exceeds 1200 ℃ has a disadvantage in that the density is increased and the activity is reduced by melting.

이하, 구체적인 실시예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with specific examples, but these examples are only intended to more clearly understand the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<실시예 1> 마이크로웨이브를 이용한 열 산화 공정을 통한 CoFe4-산화물 촉매의 성형 제조Example 1 Molded Preparation of a CoFe 4 -Oxide Catalyst by Thermal Oxidation Using Microwave

Co 금속 분말 1.7678 g과 Fe 금속 분말 4.468 g을 기계혼합기(mechanical agitator)로 10분 동안 혼합하였다. Co-4Fe 금속 분말을 탈이온수와 혼합하여 Co-4Fe 금속의 페이스트를 제조하였다. 상기 페이스트를 약 2-3 mm 두께의 세라믹 판 위에 편평하게 펴고 2-3 mm 의 크기를 갖는 조각으로 잘랐다. 이와 같이 성형시킨 페이스트를 950 W의 파워를 갖는 마이크로웨이브 오븐에서 10분 동안 가열하여 건조시켰다.1.7678 g of Co metal powder and 4.468 g of Fe metal powder were mixed for 10 minutes by a mechanical agitator. Co-4Fe metal powder was mixed with deionized water to prepare a paste of Co-4Fe metal. The paste was flattened on a ceramic plate about 2-3 mm thick and cut into pieces having a size of 2-3 mm. The paste thus shaped was dried by heating in a microwave oven with a power of 950 W for 10 minutes.

<실시예 2> 마이크로웨이브를 이용한 열 산화 공정을 통한 비담지 산화철 촉매의 제조<Example 2> Preparation of unsupported iron oxide catalyst through thermal oxidation process using microwave

금속 철 분말 20 g을 마이크로웨이브 오븐에서 10 분 동안 열 산화시켜 산화철 촉매를 제조하였다. 마이크로웨이브의 출력은 950 W로 설정하였다. 마이크로웨이브를 생성하자 1분도 지나지 않아 철 금속 분말이 빨갛게 달아오르기 시작했다. 샘플의 마이크로웨이브 가열은 10분 동안 계속하였다. 가열을 완료한 후에는 흑색의 샘플이 생성되었다. 20 g of metal iron powder was thermally oxidized in a microwave oven for 10 minutes to prepare an iron oxide catalyst. The output of the microwave was set to 950 W. Within a minute of generating the microwaves, the iron metal powder began to glow red. Microwave heating of the sample was continued for 10 minutes. After the heating was completed, a black sample was produced.

<실시예 3> 마이크로웨이브를 이용한 열 산화 공정을 통한 혼합 금속 산화물 촉매의 제조Example 3 Preparation of Mixed Metal Oxide Catalyst Through Thermal Oxidation Process Using Microwave

혼합 금속 분말을 마이크로웨이브 오븐에서 10 분 동안 열 산화시켜 다양한 혼합-금속 산화물 촉매를 제조하였다. 다른 제조 조건은 실시예 1에서와 동일하였다. 혼합-금속 산화물 촉매를 제조하기 위하여 가열하기 전에 50 : 50의 몰비로 두 종류의 금속 분말을 기계 혼합기로 혼합하였다. 50 : 50의 몰비로 혼합한 금속 산화물의 조합을 표 2에 정리하였다.Mixed metal powders were thermally oxidized in a microwave oven for 10 minutes to prepare various mixed-metal oxide catalysts. Other preparation conditions were the same as in Example 1. The two metal powders were mixed in a mechanical mixer at a molar ratio of 50:50 before heating to produce a mixed-metal oxide catalyst. Table 2 shows the combinations of metal oxides mixed in a molar ratio of 50:50.

[표 2] 50 : 50의 몰비로 결합된 금속 산화물 정리Table 2: Metal Oxide Theorem Bonded at a Molar Ratio of 50:50

바나듐(V)Vanadium (V) 구리(Cu)Copper (Cu) 아연(Zn)Zinc (Zn) 몰리브덴(Mo)Molybdenum (Mo) 철(Fe)Fe FeV-산화물FeV-oxide FeCu-산화물FeCu-oxide FeZn-산화물FeZn-oxide FeMo-산화물FeMo-oxide 코발트(Co)Cobalt (Co) CoV-산화물CoV-oxide CoCu-산화물CoCu-oxide CoZn-산화물CoZn-oxide CoMo-산화물CoMo-Oxide

<실시예 4> 마이크로웨이브를 이용한 열 산화 공정을 통한 산화철 촉매의 성 형 제조Example 4 Preparation of Formation of Iron Oxide Catalyst by Thermal Oxidation Process Using Microwave

철 금속 분말 30 g을 세라믹 판 위에 편평하게 펴고 편평한 플라스틱 판으로 봉하였다. 봉해진 철 금속 분말의 판은 2-3 mm 크기의 조각으로 나뉘어져 950 W의 마이크로웨이브 오븐에서 10분 동안 가열되었다. 그런 후, 1150 ℃의 전기로에서 2 시간 동안 가열하여 산화철 촉매의 추가적인 소성을 수행하였다. X-선 회절 분석(XRD)을 위해 소성된 상기 샘플을 분쇄하였다. 도 1은 마이크로웨이브 오븐에서 합성된 산화철 샘플의 XRD 패턴을 나타낸다. 상기 XRD 상을 살펴보면 Fe 금속 상을 나타내는 부분이 없으며 이는 완전히 산화되었음을 의미한다.30 g of ferrous metal powder was flattened onto a ceramic plate and sealed with a flat plastic plate. The plate of sealed ferrous metal powder was divided into pieces of 2-3 mm size and heated in a microwave oven at 950 W for 10 minutes. Thereafter, heating in an electric furnace at 1150 ° C. for 2 hours was performed for further calcination of the iron oxide catalyst. The fired sample was ground for X-ray diffraction analysis (XRD). 1 shows an XRD pattern of iron oxide samples synthesized in a microwave oven. Looking at the XRD phase, there is no portion representing the Fe metal phase, which means that it is completely oxidized.

<실시예 5> 고온 가열로 내에서의 비담지 산화철 촉매의 제조Example 5 Preparation of Unsupported Iron Oxide Catalyst in High Temperature Heating Furnace

철 금속 분말을 담은 알루미나 도가니를 공기 분위기의 고온 가열로에 넣고 2 시간 동안 800℃로 가열하였다. 그 결과 샘플이 산화되는 동시에 소성되었다.An alumina crucible containing ferrous metal powder was placed in a high temperature furnace in an air atmosphere and heated to 800 ° C. for 2 hours. As a result, the sample was oxidized and fired at the same time.

<실시예 6> 글리신-나이트레이트 연소공정을 이용한 비담지 산화 코발트-산화철 촉매의 제조Example 6 Preparation of Unsupported Cobalt Oxide-Iron Oxide Catalyst Using Glycine-Nitrate Combustion Process

글리신-나이트레이트 공정을 이용하여 코발트와 철의 몰비를 변화시켜가며 산화 코발트-산화 철 촉매를 합성하였다. 본 공정에서, 코발트 나이트레이트/염화철 또는 염화 코발트/철 나이트레이트의 혼합물과 글리신을 포함하는 수용액을 제조하여 과량의 물이 증발하여 소진되도록 가열하였다. 잔류 물질을 계속 가열하자 자기 발화(self-ignition)하였고, 그 결과 검은색의 미세 분말이 생성되었다. 본 발명에서 글리신과 금속 염의 몰비는 1 : 1이었다. 도 6은 Co : Fe의 몰비가 0.25 내지 9인 Co-Fe 산화물 촉매의 최대 수소 유량을 나타낸다.A cobalt oxide-iron oxide catalyst was synthesized by varying the molar ratio of cobalt and iron using a glycine-nitrate process. In this process, an aqueous solution comprising glycine and a mixture of cobalt nitrate / iron chloride or cobalt chloride / iron nitrate was prepared and heated so that excess water was evaporated to run out. Continued heating of the residual material caused self-ignition, resulting in black fine powder. In the present invention, the molar ratio of glycine and metal salt was 1: 1. 6 shows the maximum hydrogen flow rate of the Co—Fe oxide catalyst having a molar ratio of Co: Fe of 0.25 to 9.

<실시예 7> 담지된 산화철-산화 코발트 촉매의 제조Example 7 Preparation of Supported Iron Oxide-Cobalt Oxide Catalysts

동일 몰수의 코발트와 철 나이트레이트를 탈이온수에 용해시켜 2 M 농도의 코발트 및 철 나이트레이트의 용액을 제조하였다. 그 결과 생성된 용액 2 ml를 분자체(molecular sieve)(Yakuri Pure Chemicals Co. LTD, Osaka, Japan) 3 g이 담긴 100 ml 비이커에 넣었다. 상기 코발트 및 철 이온이 함침된 분자체를 100 ℃의 오븐에서 1시간 동안 건조시키고 이어서 열판 위에서 최대온도로 1 시간 동안 가열하였다.Equal moles of cobalt and iron nitrate were dissolved in deionized water to prepare a solution of cobalt and iron nitrate at 2 M concentration. 2 ml of the resulting solution was placed in a 100 ml beaker containing 3 g of molecular sieve (Yakuri Pure Chemicals Co. LTD, Osaka, Japan). The molecular sieves impregnated with cobalt and iron ions were dried in an oven at 100 ° C. for 1 hour and then heated to a maximum temperature on a hotplate for 1 hour.

<실시예 8> 수소 제조 실험Example 8 Hydrogen Production Experiment

생성되는 수소의 유량을 측정하기 위해 수소 생성 실험을 수행하였다. 여러 금속 산화물 및 혼합-금속 산화물 샘플을 이용하였다. 수소 제조 실험은 금속 산화물 또는 혼합-금속 산화물 분말 샘플이 일정 분량(0.01 내지 0.3 g) 들어 있는 반응 용기에, 탈이온수 80.5 중량%, NaOH 3.5 중량%, NaBH4 16 중량% 포함하는 나트륨 보로하이드라이드 용액 20 ml를 첨가하여 상기 실험을 수행하였다. Hydrogen generation experiments were performed to measure the flow rate of the hydrogen produced. Several metal oxide and mixed-metal oxide samples were used. Hydrogen production experiments consisted of sodium borohydride containing 80.5% by weight of deionized water, 3.5% by weight of NaOH, and 16% by weight of NaBH 4 in a reaction vessel containing a predetermined amount (0.01 to 0.3 g) of a metal oxide or mixed-metal oxide powder sample. The experiment was performed by adding 20 ml of solution.

생성된 수소의 유량은 컴퓨터와 연결된 MFC(mass flow controller)를 이용하여 측정하였다. 도 2 내지 6은 여러 금속 산화물 촉매에 대해 수소 유량의 그래프를 나타낸다.The flow rate of the generated hydrogen was measured using a mass flow controller (MFC) connected to a computer. 2-6 show graphs of hydrogen flow rates for various metal oxide catalysts.

도 2 내지 도 5는 다양한 금속 산화물 촉매에 대한 수소 유량과 시간의 관계이다. 본 발명의 글리신-나이트레이트 공정을 이용하여 제조한 Co3Fe2-산화물 촉매의 경우에 있어서, 수소의 유량이 온도 조절 없이 약 50,000 ml/분·g의 정점을 이 루었다(도 2 참조). 반면, 마이크로웨이브를 이용하여 열 산화공정에 의해 제조된 CoFe4-산화물 촉매의 경우는 3065 ml/분·g의 최대 수소 유량을 보였지만, 활성화가 빨리 일어났다(도 3 참조). 철 산화물 샘플의 최대 수소 유량은 부분적으로 소성된 철 산화물(마이크로웨이브 가열) 및 소성된 철 산화물(마이크로웨이브 가열 및 1150 ℃에서 추가 가열)에 대하여 각각 2193 ml/분·g 및 2473 ml/분·g이었다(도 4 및 도 5 참조). 추가적인 열처리가 수소 유량에 있어서 큰 차이를 만들지 않았지만, 소성된 촉매는 사용의 편리성 및 기계적 강도 측면에서 더 바람직하였다. 글리신-나이트레이트 공정으로부터 제조된 Co-Fe 산화물 시스템에서, 철 함량을 감소시키면 최대 수소 유량을 증가시키지만 Co/Fe 몰비가 1.5 이상인 경우에는 일정하였다(도 6 참조). 상기 수소 유량은 나트륨 보로하이드라이드의 농도, 촉매의 입자 크기 및 양, 헤테로 금속의 조성 등에 의존할 수 있다. 다양한 혼합 금속 산화물의 최대 수소 유량을 표 1에 요약하였다. Co-Fe 산화물 시스템과는 달리, 산화아연과 결합된 산화철 또는 산화코발트는 수소 생성에 있어서 촉매 활성이 없었다. 산화 코발트와 결합된 다른 금속 산화물은 수소 생성에 있어서 비교적 약한 활성을 보였다.2-5 are relationships of hydrogen flow rate and time for various metal oxide catalysts. In the case of the Co 3 Fe 2 -oxide catalyst prepared using the glycine-nitrate process of the present invention, the flow rate of hydrogen peaked at about 50,000 ml / min · g without temperature control (see FIG. 2). . On the other hand, the CoFe 4 -oxide catalyst prepared by the thermal oxidation process using a microwave showed a maximum hydrogen flow rate of 3065 ml / min. G, but activation occurred quickly (see Figure 3). The maximum hydrogen flow rates of the iron oxide samples were 2193 ml / min g and 2473 ml / min respectively for partially calcined iron oxide (microwave heating) and calcined iron oxide (microwave heating and further heating at 1150 ° C.). g (see FIGS. 4 and 5). Although additional heat treatment did not make a big difference in hydrogen flow rate, calcined catalysts were more desirable in terms of ease of use and mechanical strength. In Co-Fe oxide systems prepared from the glycine-nitrate process, decreasing the iron content increased the maximum hydrogen flow rate but was constant when the Co / Fe molar ratio was 1.5 or higher (see FIG. 6). The hydrogen flow rate may depend on the concentration of sodium borohydride, the particle size and amount of the catalyst, the composition of the heterometal, and the like. The maximum hydrogen flow rates of the various mixed metal oxides are summarized in Table 1. Unlike Co-Fe oxide systems, iron oxide or cobalt oxide combined with zinc oxide had no catalytic activity in hydrogen production. Other metal oxides combined with cobalt oxide showed relatively weak activity in hydrogen production.

[표 1] 결합된 금속 산화물 촉매의 최대 수소 유량 (ml/분·g)TABLE 1 Maximum hydrogen flow rate of bound metal oxide catalysts (ml / min.g)

V-산화물V-oxide Cu-산화물Cu-oxide Zn-산화물Zn-oxide Mo-산화물Mo-oxide Fe-산화물Fe-oxide 00 453453 00 00 Co-산화물Co-oxide 227227 1326013260 00 21532153

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although described in detail with respect to preferred embodiments of the present invention as described above, those of ordinary skill in the art, without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims Various modifications may be made to the invention. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.

본 발명의 수소 제조용 금속 산화물 촉매를 이용하면 수소 생성 효율이 우수고 가격이 저렴한 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.Use of the metal oxide catalyst for producing hydrogen of the present invention has the effect of producing hydrogen with excellent hydrogen production efficiency and low cost.

Claims (26)

하나 이상의 금속 산화물로 이루어지고(단, Fe 및 V의 산화물, Fe 및 Zn의 산화물, Fe 및 Mo의 산화물, Co 및 Zn의 산화물은 제외) 금속 보로하이드라이드로부터 수소를 제조하기 위한 수소 제조용 촉매.A catalyst for producing hydrogen for the production of hydrogen from metal borohydrides consisting of one or more metal oxides, except oxides of Fe and V, oxides of Fe and Zn, oxides of Fe and Mo, and oxides of Co and Zn. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물이 하나 이상의 전이금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.The catalyst for producing hydrogen of claim 1, wherein the metal oxide comprises one or more transition metal oxides. 삭제delete 제 2 항에 있어서, 상기 전이금속이 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.The method of claim 2, wherein the transition metal is Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Catalyst for producing hydrogen, comprising Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, or a mixture thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물이 Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Rh 또는 이들의 혼합물의 산화물을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.2. The catalyst for producing hydrogen according to claim 1, wherein the metal oxide comprises at least an oxide of Fe, Co, Cu, Ni, Ru, Rh or a mixture thereof. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물이 산화 상태가 1 또는 2 이상인 금속 산화물, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.2. The catalyst for producing hydrogen according to claim 1, wherein the metal oxide is a metal oxide having an oxidation state of 1 or 2 or more, or a mixture thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물이 Co-Fe 산화물이고, Fe에 대한 Co의 몰비가 0.001 내지 1000인 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.The catalyst for producing hydrogen according to claim 1, wherein the metal oxide is Co—Fe oxide, and the molar ratio of Co to Fe is 0.001 to 1000. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물이 비담지 형태인 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.The catalyst for producing hydrogen of claim 1, wherein the metal oxide is in an unsupported form. 제 9 항에 있어서, 상기 촉매가 분말, 칩, 디스크, 막대, 와이어, 메쉬, 비드, 모노리스(monolith), 다공질의 스트립, 또는 비다공질의 스트립 형태인 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.10. The catalyst for producing hydrogen according to claim 9, wherein the catalyst is in the form of powder, chip, disc, rod, wire, mesh, bead, monolith, porous strip, or nonporous strip. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화물이 담지체에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.The catalyst for producing hydrogen according to claim 1, wherein the metal oxide is supported on the carrier. 제 11 항에 있어서, 상기 담지체가 금속, 세라믹, 고분자, 유리, 파이 버(fiber), 패브릭(fabrics), 텍스타일(textiles), 직포(wovens), 부직포(nonwovens), 합금, 제올라이트, 분자체(molecular sieves), 이온교환 수지, 그라파이트, 금속 산화물, 금속 탄화물, 금속 붕화물, 금속 질화물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매.The method of claim 11, wherein the support is selected from metals, ceramics, polymers, glass, fibers, fabrics, textiles, wovens, nonwovens, alloys, zeolites, molecular sieves. molecular sieves), ion exchange resins, graphite, metal oxides, metal carbides, metal borides, metal nitrides, and mixtures thereof. 공기 또는 오존 분위기에서 금속을 200 ℃ 내지 1200 ℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 금속 소스(단, Fe 및 V의 소스, Fe 및 Zn의 소스, Fe 및 Mo의 소스, Co 및 Zn의 소스는 제외)로부터 금속 산화물 촉매를 제조하는, 금속 보로하이드라이드로부터 수소를 제조하기 위한 수소 제조용 촉매의 제조 방법.A metal source comprising heating the metal to a temperature of 200 ° C. to 1200 ° C. in an air or ozone atmosphere, provided that sources of Fe and V, sources of Fe and Zn, sources of Fe and Mo, sources of Co and Zn A method for producing a catalyst for producing hydrogen for producing hydrogen from a metal borohydride. 제 13 항에 있어서, 상기 가열로 인한 산화가 열 산화, 수열 산화 또는 수증기 산화인 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매의 제조 방법.The method for producing a catalyst for producing hydrogen according to claim 13, wherein the oxidation due to the heating is thermal oxidation, hydrothermal oxidation or steam oxidation. 제 13 항에 있어서, 금속 소스로부터 제조된 금속 산화물의 산화 및 소성이 마이크로웨이브 오븐, 전기 고온 가열로, 전기 가열 오븐, 힛 건(heat gun), 열판, 또는 이들의 조합에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매의 제조 방법.The method of claim 13, wherein the oxidation and firing of the metal oxide prepared from the metal source is performed by a microwave oven, an electric high temperature furnace, an electric heating oven, a heat gun, a hot plate, or a combination thereof. The method for producing a catalyst for producing hydrogen. 금속 화합물(단, Fe 및 V의 금속 화합물, Fe 및 Zn의 금속 화합물, Fe 및 Mo의 금속 화합물, Co 및 Zn의 금속 화합물은 제외)을 가열에 의해 분해하는 단계를 포함하고, 글리신 나이트레이트 공정을 포함하는, 금속 화합물로부터 금속 산화물 촉매를 제조하는 금속 보로하이드라이드로부터 수소를 제조하기 위한 수소 제조용 촉매의 제조 방법.A glycine nitrate process comprising the step of decomposing the metal compound (except for the metal compound of Fe and V, the metal compound of Fe and Zn, the metal compound of Fe and Mo, and the metal compound of Co and Zn) by heating, A method for producing a catalyst for producing hydrogen for producing hydrogen from a metal borohydride for producing a metal oxide catalyst from a metal compound comprising a. 제 16 항에 있어서, 상기 금속 화합물이 금속 불화물, 금속 염화물, 금속 브롬화물, 금속 요오드화물, 금속 나이트레이트, 금속 카보네이트, 금속 히드록시드, 금속 보레이트, 금속 아세테이트, 금속 옥살레이트, 또는 유기금속 화합물인 것을 특징으로 하는 수소 제조용 촉매의 제조 방법.17. The metal compound of claim 16, wherein the metal compound is a metal fluoride, metal chloride, metal bromide, metal iodide, metal nitrate, metal carbonate, metal hydroxide, metal borate, metal acetate, metal oxalate, or organometallic compound Method for producing a catalyst for producing hydrogen, characterized in that. 삭제delete 금속 보로하이드라이드, 염기 및 양성자 주개 용매를 포함하는 용액과 제 1 항의 금속 산화물 촉매를 접촉시키는 단계를 포함하는 수소 제조 방법.A method of producing hydrogen comprising contacting a metal oxide catalyst of claim 1 with a solution comprising a metal borohydride, a base and a proton donor solvent. 제 19 항에 있어서, 상기 금속 보로하이드라이드가 리튬 보로하이드라이드, 나트륨 보로하이드라이드, 칼륨 보로하이드라이드, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.20. The method of claim 19, wherein said metal borohydride is selected from the group consisting of lithium borohydride, sodium borohydride, potassium borohydride, and mixtures thereof. 제 19 항에 있어서, 상기 염기가 리튬 히드록시드, 나트륨 히드록시드, 칼륨 히드록시드, 암모늄 히드록시드, 나트륨 설파이드, 나트륨 징케이트(sodium zincate), 나트륨 갈레이트(sodium gallate), 나트륨 실리케이트, 및 이들의 혼합 물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.The method of claim 19, wherein the base is lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, sodium sulfide, sodium zincate, sodium gallate, sodium silicate And a mixture thereof. 제 19 항에 있어서, 상기 양성자 주개 용매가 물, 에틸렌글리콜, 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 이소부탄올, 프로판올, 프로판디올, 부탄올, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.20. The hydrogen production according to claim 19, wherein the proton donor solvent is selected from the group consisting of water, ethylene glycol, glycerol, methanol, ethanol, isopropanol, isobutanol, propanol, propanediol, butanol, and mixtures thereof. Way. 금속 보로하이드라이드 및 제 1 항의 금속 산화물 촉매를 포함하는 고체 혼합물과 양성자 주개 용매를 접촉시키는 단계를 포함하는 수소 제조 방법.A method of producing hydrogen comprising contacting a proton donor solvent with a solid mixture comprising a metal borohydride and the metal oxide catalyst of claim 1. (a) 비활성화된 금속 산화물 촉매(단, Fe 및 V의 산화물, Fe 및 Zn의 산화물, Fe 및 Mo의 산화물, Co 및 Zn의 산화물은 제외)를 용매 내에서 초음파 처리하는 단계;(a) sonicating a deactivated metal oxide catalyst (except for oxides of Fe and V, oxides of Fe and Zn, oxides of Fe and Mo, oxides of Co and Zn) in a solvent; (b) 용매를 이용하여 상기 촉매를 세척하는 단계; 및(b) washing the catalyst with a solvent; And (c) 상기 촉매를 200 ℃ 내지 1200 ℃로 가열하는 단계를 포함하는, 비활성화된 수소 제조용 금속 산화물 촉매의 재생 방법.(c) heating the catalyst to 200 ° C to 1200 ° C. 제 24 항에 있어서, 상기 가열이 마이크로웨이브 오븐, 고온 가열로, 전기 가열 오븐, 힛 건(heat gun), 열판(hot plate) 또는 이들의 조합에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 비활성화된 수소 제조용 금속 산화물 촉매의 재생 방법.25. The metal for producing deactivated hydrogen according to claim 24, wherein the heating is performed by a microwave oven, a high temperature furnace, an electric heating oven, a heat gun, a hot plate or a combination thereof. Regeneration method of oxide catalyst. 제 24 항에 있어서, 상기 용매가 탈이온수(deionized water)인 것을 특징으 로 하는 비활성화된 수소 제조용 금속 산화물 촉매의 재생 방법.25. The method of claim 24, wherein the solvent is deionized water.
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