KR102208787B1 - 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 초음파 분무열분해법으로 촉매 지지체를 제조하고 상기 촉매 지지체에 금속을 담지시켜, 저온에서 이온성 액체 단일추진제를 분해할 수 있는 금속 촉매 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물 및 이의 제조방법 {Metal catalyst composition for the decomposition of ionic liquid monopropellant and preparation method thereof}
본 발명은 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 고내열성이면서 동시에 활성이 향상되어 저온에서 이온성 액체 단일추진제를 분해할 수 있는 금속 촉매 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이온성 물질인 암모늄디니트르아미드(ammonium dinitramide, ADN) 및 질산하이드록실암모늄(hydroxylammonium nitrate, HAN)에 열을 가하면 이산화탄소, 수증기 및 질소 등으로 분해되며, 이때 열과 압력을 발생시켜 추진력을 제공한다. 이에 상기 이온성 물질은 인공위성 추력기, 추진기 등에 사용될 수 있는 이온성 액체 단일추진제에 연료로써 주로 사용되고 있다. 암모듐디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄을 주성분으로 하는 이온성 액체 단일추진제는 분해 시 반응 생성물이 환경친화적이기 때문에 친환경적인 추진제로 각광받고 있다. 또한, 상기 이온성 액체 단일추진제는 추진제 자체로써 독성도 적어 취급이 용이하고, 다른 종류의 독성 추진제 취급 시 요구되는 특별한 안전장치가 요구되지 않아 저렴한 비용으로 취급할 수 있다. 이러한 이온성 액체 단일추진제는 보통 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 수용액, 연료 및 용액 안정제로 구성되어 있으며, 고성능 녹색 추진제(High Performance Green Propellant, HPGP)라고 부른다.
그러나 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제는 수분 함량이 높아 점화가 매우 어렵다는 단점이 존재한다. 따라서 상기 이온성 액체 단일추진제를 사용하는 추력기에서 점화하기 위해서는 일정 온도 이상으로 가열하여 이온성 액체 단일추진제를 분해하여야 한다. 이에 분해 온도를 가능한 낮추는 것이 유리하다. 또한, 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제가 분해되어 점화되면 촉매 베드의 온도가 고온으로 올라가게 된다. 따라서 상기 이온성 액체 단일추진제 분해 방법이 우주선 또는 인공위성 등에서 일련의 간헐적인 분해를 위해 사용되는 경우, 저온에서 촉매 활성을 발현해야 하는 것은 물론이고 고온에서의 열적 저항을 갖추어야 하는 것이 필수적이며, 이를 위해 촉매가 사용되고 있다.
종래 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제 분해 시 사용되는 촉매 물질로서, 알루미나 등의 지지체에 이리듐, 백금, 로듐 및 구리 등의 금속 산화물이 담지된 촉매가 주로 사용되어 왔으며, 이와 같은 촉매를 이용하여 상기 이온성 액체 단일추진제를 분해하는 방법에 관한 많은 기술이 알려져 있다. 예를 들어 미국특허 제7,137,244호에 이리듐 또는 백금-로듐을 헥사알루미네이트에 담지한 촉매를 사용하여 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제를 분해하는 방법이 공지되어 있으며, 또한 Appl Catal B 127, 121, 2012에 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제 분해용 촉매로써 백금이 알루미나에 담지된 촉매를 사용한 연구결과도 발표되었다. 그러나 상기의 경우 헥사알루미네이트 제조과정이 복합하고, 분해 효율이 높지 못하다는 단점이 있다.
최근, 메조 기공 구리-세륨계 산화물 및 메조 기공 구리-망간 촉매를 사용하여 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제를 저온에서 분해할 수 있는 연구결과(J Nanosci Nanotechnol 18, 1427, 2018 및 J Nanosci Nanotechnol 18, 353, 2018)도 보고되었으나, 상기 역시 고온에서 내열성이 높지 않다는 단점을 안고 있다.
이에 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제를 분해하는 데 있어서, 기존 촉매의 내열성을 향상시키고 저온 활성을 개선시킬 수 있는 새로운 방안이 필요한 상황이며, 이를 연구하던 중 본 발명자들은 간단하고 용이한 방법으로 헥사알루미네이트 담체를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 내열성 및 저온 활성을 개선할 수 있는 백금/헥사알루미네이트 성형체 촉매의 제조방법을 개발하게 되었다.
미국특허 제7,137,244호
Appl Catal B 127, 121, 2012 J Nanosci Nanotechnol 18, 1427, 2018 J Nanosci Nanotechnol 18, 353, 2018
본 발명의 목적은 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 저온 분해 활성 및 내열성을 향상시킬 수 있는 백금/헥사알루미네이트 성형체 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 통해 제조된 백금/헥사알루미네이트 촉매를 사용하여 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제를 분해하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (1단계) 알루미늄염, 란타늄염, 망간염 및 스트론튬염이 혼합된 전구체 수용액을 초음파 분무열분해법를 통해 헥사알루미네이트 분말을 제조하는 단계;
(2단계) 상기 헥사알루미네이트 분말에 무기바인더 및 유기바인더를 혼합하여 헥사알루미네이트 성형체를 제조하는 단계;
(3단계) 상기 헥사알루미네이트 성형체에 백금 전구체를 담지시켜 백금/헥사알루미네이트 성형체를 제조하는 단계; 및
(4단계) 상기 백금/헥사알루미네이트 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 1단계에서 초음파 분무열분해법은 (a단계) 상기 전구체 수용액을 초음파 분무 장치로 분무하여 액적을 발생시키는 단계;
(b단계) 상기 a단계에서 발생된 액적을 관형 반응기로 이송시키는 단계;
(c단계) 상기 관형 반응기에서 상기 액적을 열분해시키는 단계; 및
(d단계) 상기 c단계의 열분해 후 생성된 헥사알루미네트 분말을 포집하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 b단계 및 c단계에서 관형 반응기는 건조구간 및 가열구간을 포함하며, 상기 건조구간은 100~200℃ 온도 범위로 설정되는 것이, 가열구간은 500~1000℃ 온도 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 금속 촉매 제조방법의 상기 3단계에서 백금은 헥사알루미네이트 성형체 100 중량부 대비 5~10 중량부가 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 이 방법의 상기 4단계에서 백금/헥사알루미네이트 성형체의 열처리 온도는 500~1200℃인 것이 바람직하다.
본 발명을 통해 빠른 시간 내 헥사알루미네이트 분말을 제조할 수 있어 경제적이며, 상기에서 제조된 헥사알루미네이트 분말을 이용하여 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 저온 분해 활성 및 내열성을 향상시킬 수 있는 백금/헥사알루미네이트 성형체 촉매를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의거하여 좀 더 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
본 발명은 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 저온 분해 활성을 향상시킬 수 있는 금속 촉매 조성물에 관한 것으로서, 상기 금속 촉매 조성물의 제조방법은 하기와 같다.
먼저 알루미늄염, 란타늄염, 망간염 및 스트론튬염이 혼합된 전구체 수용액을 초음파 분무열분해법을 통해 헥사알루미네이트 분말을 제조한다(1단계).
이때, 상기 알루미늄염은 질산알루미늄(Al(NO3)3), 초산알루미늄(Al(CH3COO)3), 염화알루미늄(AlCl3) 및 황산알루미늄(Al2(SO4)3)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 란타늄염은 질산라탄늄(La(NO3)3), 초산라탄늄(La(CH3COO)3), 염화라탄늄(LaCl3) 및 황산라탄늄(La2(SO4)3)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 망간염은 질산망간(Mn(NO3)2), 초산망간(Mn(CH3COO)2), 염화망간(MnCl2) 및 황산망간(MnSO4)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 스트론튬염은 질산스트론튬(Sr(NO3)2), 초산스트론튬(Sr(CH3COO)2), 염화스트론튬(SrCl2) 및 황산스트론튬(SrSO4)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 초음파 분무열분해법은 상기 전구체 수용액을 초음파 분무 장치로 분무하여 액적을 발생시킨 후, 발생한 액적을 압축공기를 통해 관형 반응기로 이송시키고, 상기 관형 반응기에서 액적을 열분해하여 헥사알루미네이트 분말을 생성할 수 있으며, 생성된 헥사알루미네이트 분말을 포집한 후 소성시켜 촉매 지지체를 제조한다.
이때, 상기 압축공기는 30~50L/min의 유량으로 조절되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 관형 반응기는 초음파 분무 장치에 의해 발생된 다량의 액적이 건조, 석출, 열분해 및 치밀화가 원활하게 일어날 수 있도록 건조구간 및 가열구간으로 나뉘어져 있는 것 바람직하며, 상기 건조구간은 100~200℃의 온도 범위, 상기 가열구간은 500~1000℃의 온도 범위로 설정되는 것일 수 있다.
또한, 포집된 헥사알루미네이트 분말은 질소, 공기 또는 산소 분위기 하에서 400~1400℃의 온도로 3~5시간 소성될 수 있다.
상기 초음파 분무열분해법을 이용하면 촉매 지지체인 헥사알루미네이트 분말을 몇 초의 시간만으로 제조할 수 있기에, 기존의 액상합성법보다 훨씬 빠른 시간에 더 많은 지지체를 제조할 수 있다. 또한, 상당히 넓은 비표면적을 갖는 지지체를 제조할 수 있어 공학적인 측면에서 액상합성법보다 더 유리하다.
또한, 상기 초음파 분무열분해법을 통해 제조된 헥사알루미네이트 분말은 비표면적이 5~15m2/g이고, 메조 기공을 보유하는 촉매 지지체인 것을 특징으로 한다. 메조 기공을 갖는 촉매 지지체를 이용하여 제조된 촉매를 사용해 이온성 액체 단일추진제를 분해하면, 세공의 크기가 크기 때문에, 분해 시 이온성 액체 단일추진제의 기공 내 확산이 원활하여 분해 반응에 있어서 유리하다는 장점이 있다.
이와 같이 헥사알루미네이트 분말을 제조한 이후에는 상기 헥사알루미네이트 분말에 무기바인더 및 유기바인더를 혼합하여 헥사알루미네이트 성형체를 제조한 후 400~600℃ 온도 범위에서 소성시킨다(2단계).
이때, 상기 무기바인더는 콜로이드 실리카, 보에마이트(boehmite) 및 슈도보에마이트(pseudo-boehmite)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 헥사알루미네이트 분말 100 중량부 대비 5~20 중량부가 포함되는 것일 수 있다. 상기 무기바인더의 함량이 헥사알루미네이트 분말 100 중량부 대비 5 중량부 미만이면 강도가 저하되며, 20 중량부를 초과하면 촉매 특성이 저하되므로 바람직하지 않다. 또한, 상기 무기바인더는 질산 수용액에 혼합된 상태일 수 있다.
상기 유기바인더는 메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸메틸셀룰로오스, 메틸에틸셀룰로오스 및 하이드록시프로필셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 헥사알루미네이트 분말 100 중량부 대비 5~10 중량부가 포함되는 것일 수 있다. 상기 유기바인더의 함량이 헥사알루미네이트 분말 100 중량부 대비 5 중량부 미만이면 헥사알루미네이트 성형체를 제조하는데 어려움이 있으며, 10 중량부를 초과하면 촉매 특성이 저하되므로 바람직하지 않다.
이어서 헥사알루미네이트 성형체를 소성한 이후 상기 헥사알루미네이트 성형체에 백금 전구체를 담지시켜 백금/헥사알루미네이트 성형체를 제조한다(3단계).
이때, 백금은 헥사알루미네이트 성형체 100 중량부 대비 5~10 중량부가 포함되는 것이 바람직하며, 상기 백금의 함량이 헥사알루미네이트 성형체 100 중량부 대비 5 중량부 미만이면 촉매 특성이 저하되며, 10 중량부를 초과하면 경제적이지 못해 바람직하지 않다.
마지막으로 상기 백금/헥사알루미네이트 성형체를 500~1200℃에서 열처리하여 백금/헥사알루미네이트 성형체 촉매를 완성한다(4단계). 상기 열처리 온도가 500℃ 미만이면 불순물이 충분히 제거되지 않으며, 1200℃를 초과하면 경제적이지 못해 바람직하지 않다.
실시예 및 비교예. 촉매 제조
실시예 1. 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매(500℃ 소성)
먼저 분무 열분해 장치를 통해 헥사알루미네이트 분말을 제조하였다. 이를 보다 자세히 설명하면, 질산알루미늄 82.6g, 질산스트론튬 3.39g, 질산란타늄 1.73g 및 질산망간 3.58g을 증류수 350ml에 용해시켜 전구체 혼합수용액을 제조한 후, 상기 혼합수용액을 분무 열분해 장치 내 액적 발생부를 이용해 초음파를 발생하여 액적 상태로 만들었다. 이때 액적 발생부는 산업용 가습기를 사용하였으며, 온도 상승을 막고 반응 온도를 유지하기 위해 냉각수를 연속적으로 진동자 주위에 흘려주었다. 이어서 액적 발생부에서 발생한 액적을 압축공기를 통해 관형 반응기로 운반하였다. 압축공기의 유량은 상온에서 40L/min으로 조절하였으며, 관형 반응기는 건조구간(150℃) 및 가열구간(900℃)으로 나뉘어진, 길이 1200mm, 외경 55mm인 석영관을 사용하였다. 이후 관형 반응기를 통과하여 얻어진 입자들을 다공성의 테프론 여과포를 이용하여 포집함으로써, 분말 형태의 헥사알루미네이트를 얻었다. 이때, 분말은 산화물 형태로 얻어지며 각 성분의 조성비는 Sr0.8La0.2MnAl11O19였다. 다음으로 상기 분말 형태의 헥사알루미네이트를 1200℃의 온도에서 공기 분위기에서 4시간 동안 소성시켰다. 이때, 질소 흡착-탈착 등온선 분석(Nitrogen adsorption-desorption isotherm analysis) 결과를 통해 헥사알루미네이트 분말의 비표면적이 10.5m2/g을 갖는 것을 확인하였다.
다음으로 슈도보에마이트(pseudoboehmite) 27.8g을 증류수 56.8g과 혼합한 후 30분간 저어서 슈도보에마이트 용액을 제조하였다. 이어서 질산(60%) 1.17g을 증류수 14.2g에 혼합하여 질산 수용액을 제조하였다. 이후 슈도보에마이트 용액과 질산 수용액을 혼합하고 충분히 저어서 무기바인더 용액을 제조하였다. 상기 분말 형태의 헥사알루미네이트 10g에 무기바인더 용액 4.2g과 메틸셀룰로오스 0.5g을 혼합하고 증류수 10g을 섞어서 반죽한 후, 이 반죽을 쌍축 압출기를 이용하여 직경 2mm의 펠렛 형태의 헥사알루미네이트 지지체를 제조하였다. 상기 펠렛 형태의 헥사알루미네이트 지지체를 건조시킨 후, 500℃에서 4시간 동안 소성시켜 헥사알루미네이트 펠렛을 제조하였다.
다음으로 디클로리도테트라아민플래티넘(dichloridotetraammineplatinum) 5.8g을 증류수 10.0g에 용해하여 백금 전구체 수용액을 제조하였다. 백금 전구체 수용액에 상기 헥사알루미네이트 펠렛 10.0g을 담지한 후 증류수를 증발건조시키고 500℃에서 4시간 동안 열처리하여 백금이 전체 조성물의 10중량%로 함유된 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매를 제조하였다.
실시예 2. 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매(1200℃ 소성)
실시예 1과 동일한 방법으로 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매를 제조하되, 백금/헥사알루미네이트 펠렛을 1200℃에서 열처리하여 제조하였다.
비교예 1. 헥사알루미네이트 펠렛 촉매
백금을 담지하지 않은 것 이외에 실시예 1과 동일한 방법으로 헥사알루미네이트 펠렛 촉매를 제조하였다.
비교예 2. 백금/알루미나 비드 촉매(500℃ 소성)
디클로리도테트라아민플래티넘(dichloridotetraammineplatinum) 5.8g을 증류수 10g에 용해시켜 백금 전구체 수용액을 제조하였다. 이어서 백금 전구체 수용액에 알루미나 비드(직경 1mm) 10.0g을 담지한 후, 증류수를 증발건조시키고 500℃에서 4시간 동안 열처리하여 백금이 전체 조성물에 10중량%로 함유된 백금/알루미나 비드 촉매를 제조하였다.
비교예 3. 백금/알루미나 비드 촉매(1200℃ 소성)
비교예 2와 동일한 방법으로 백금/알루미나 비드 촉매를 제조하되, 1200℃에서 열처리하여 제조하였다.
이온성 액체 단일추진제의 분해 온도 측정평가
실시예 및 비교예에서 제조한 촉매를 이용하여 이온성 액체 단일추진제를 분해하였다.
평가예 1. 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제 분해 온도 측정
암모늄디니트르아미드 65중량%, 메탄올 20중량%, 물 10중량% 및 암모니아 5중량%의 혼합물을 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제로 사용하여, 분해 온도를 측정하였다.
이를 자세히 설명하면, 먼저 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매 80mg을 incone1600으로 제작된 부피 100ml 반응기에 채워 넣고 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제 50㎕를 투입하였다. 이어서 분당 10℃의 가열 속도로 반응기를 가열하면서 반응기 내의 온도 및 압력을 지속적으로 측정하여 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도를 측정하였고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 분해 온도를 비교하기 위해 촉매를 사용하지 않았을 때의 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도를 참고예로 기재하였다.
이온성 액체 추진제 촉매 촉매 소성
온도(℃)		 추진제 분해 개시 온도
(℃)
참고예 암모늄디니트르아미드 기반 - - 170.2
실시예 1 암모늄디니트르아미드 기반 백금/헥사알루미네이트 펠렛 500 102.3
실시예 2 암모늄디니트르아미드 기반 백금/헥사알루미네이트 펠렛 1200 102.4
비교예 1 암모늄디니트르아미드 기반 헥사알루미네이트 펠렛 1200 123.2
비교예 2 암모늄디니트르아미드 기반 백금/알루미나 비드 500 151.9
비교예 3 암모늄디니트르아미드 기반 백금/알루미나 비드 1200 159.0
표 1을 참고하여, 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도를 측정한 결과, 500℃에서 소성한 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매의 경우(실시예 1) 분해개시 온도가 102.3℃로 나타났고, 1200℃에서 소성한 경우(실시예 2) 분해개시 온도가 102.4 ℃로 나타났다.
반면, 500℃에서 소성한 백금/알루미나 비드 촉매의 경우(비교예 2) 분해개시 온도가 151.9℃로 나타났고, 1200℃에서 소성한 경우(비교예 3) 분해개시 온도가 159.0℃로 나타났다. 또한, 백금을 담지하지 않은 헥사알루미네이트 촉매를 사용한 경우(비교예 1) 분해개시 온도가 123.2℃로 나타났다.
즉, 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매를 이용하여 암모늄디니트르아미드 기반 이온성 액체 단일추진제를 분해할 경우 분해 온도가 103℃ 이하로 현저히 낮다는 점을 확인할 수 있었다.
평가예 2. 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도 측정
질산하이드록실암모늄 70중량% 및 물 30중량%의 혼합물을 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제로 사용하여 분해 온도를 측정하였다.
이를 자세히 설명하면, 먼저 Incone1600으로 제작된 부피 100ml 반응기에 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매 160mg을 채워 넣고 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제 100㎕를 투입하였다. 이어서 분당 10℃의 가열 속도로 반응기를 가열하면서 반응기 내의 온도 및 압력을 지속적으로 측정하여 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 분해 온도를 비교하기 위해 촉매를 사용하지 않았을 때의 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도를 참고예로 기재하였다.
이온성 액체 추진제 촉매 촉매 소성
온도(℃)		 추진제 분해개시 온도
(℃)
참고예 질산하이드록실암모늄 기반 - - 142.5
실시예 1 질산하이드록실암모늄 기반 백금/헥사알루미네이트 펠렛 500 75.9
실시예 2 질산하이드록실암모늄 기반 백금/헥사알루미네이트 펠렛 1200 87.7
비교예 1 질산하이드록실암모늄 기반 헥사알루미네이트 펠렛 1200 100.5
비교예 2 질산하이드록실암모늄 기반 백금/알루미나 비드 500 102.1
비교예 3 질산하이드록실암모늄 기반 백금/알루미나 비드 1200 105.0
표 2를 참고하여, 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 분해 온도를 측정한 결과, 500℃에서 소성한 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매의 경우(실시예 1) 분해개시 온도가 75.9℃로 나타났고, 1200℃에서 소성한 경우(실시예2) 분해개시 온도가 87.7℃로 나타났다.
반면, 500℃에서 소성한 백금/알루미나 비드 촉매의 경우(비교예 2) 분해개시 온도가 102.1℃로 나타났고, 1200℃에서 소성한 경우(비교예 3) 분해개시 온도가 105.0℃로 나타났다. 또한, 백금을 담지하지 않은 헥사알루미네이트 촉매를 사용한 경우(비교예 1) 분해개시 온도가 100.5℃로 나타났다.
즉, 백금/헥사알루미네이트 펠렛 촉매를 이용하여 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제를 분해할 경우 분해 온도가 88℃ 이하로 현저히 낮다는 점을 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명은 촉매를 고온에서 열처리한 후에도 암모늄디니트르아미드 또는 질산하이드록실암모늄 기반 이온성 액체 단일추진제의 저온 분해 활성이 발현되는 결과를 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. (1단계) 알루미늄염, 란타늄염, 망간염 및 스트론튬염이 혼합된 전구체 수용액을 초음파 분무열분해법를 통해 헥사알루미네이트 분말을 제조하는 단계;
    (2단계) 상기 헥사알루미네이트 분말에 무기바인더 및 유기바인더를 혼합하여 헥사알루미네이트 성형체를 제조하는 단계;
    (3단계) 상기 헥사알루미네이트 성형체에 백금 전구체를 담지시켜 백금/헥사알루미네이트 성형체를 제조하는 단계; 및
    (4단계) 상기 백금/헥사알루미네이트 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 2단계에서,
    무기바인더는 헥사알루미네이트 분말 100 중량부 대비 5~20 중량부가 포함되고,
    상기 무기바인더는,
    콜로이드 실리카, 보에마이트 및 슈도보에마이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1단계에서 초음파 분무열분해법은
    (a단계) 상기 전구체 수용액을 초음파 분무 장치로 분무하여 액적을 발생시키는 단계;
    (b단계) 상기 a단계에서 발생된 액적을 관형 반응기로 이송시키는 단계;
    (c단계) 상기 관형 반응기에서 상기 액적을 열분해시키는 단계; 및
    (d단계) 상기 c단계의 열분해 후 생성된 헥사알루미네트 분말을 포집하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 관형 반응기는 건조구간 및 가열구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 건조구간은 100~200℃ 온도 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가열구간은 500~1000℃ 온도 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 d단계에서 포집된 헥사알루미네이트 분말은 400~1400℃ 온도 범위에서 소성되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 1단계에서 알루미늄염은 질산알루미늄(Al(NO3)3), 초산알루미늄(Al(CH3COO)3), 염화알루미늄(AlCl3) 및 황산알루미늄(Al2(SO4)3)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 1단계에서 란타늄염은 질산라탄늄(La(NO3)3), 초산라탄늄(La(CH3COO)3), 염화라탄늄(LaCl3) 및 황산라탄늄(La2(SO4)3)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 1단계에서 망간염은 질산망간(Mn(NO3)2), 초산망간(Mn(CH3COO)2), 염화망간(MnCl2) 및 황산망간(MnSO4)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 1단계에서 스트론튬염은 질산스트론튬(Sr(NO3)2), 초산스트론튬(Sr(CH3COO)2), 염화스트론튬(SrCl2) 및 황산스트론튬(SrSO4)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 2단계에서 유기바인더는 헥사알루미네이트 분말 100 중량부 대비 5~10 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유기바인더는 메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸셀룰로오스, 하이드록시에틸메틸셀룰로오스, 메틸에틸셀룰로오스 및 하이드록시프로필셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 2단계에서 제조된 헥사알루미네이트 성형체는 400~600℃ 온도 범위에서 소성되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 3단계에서 백금은 헥사알루미네이트 성형체 100 중량부 대비 5~10 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 4단계에서 백금/헥사알루미네이트 성형체의 열처리 온도는 500~1200℃인 것을 특징으로 하는 이온성 액체 단일추진제 분해용 금속 촉매 조성물의 제조방법.
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