KR102467320B1 - A hydrogen generation catalyst comprising a nickel-aluminum intermetallic compound and the method for producing the same - Google Patents
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Abstract
본 명세서에서는, 니켈 기반 구조체; 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물;을 포함하며, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하고, 촉매 표면에 기공을 갖는 다공성 구조인, 수소 발생 촉매가 제공된다.In the present specification, a nickel-based structure; and a nickel-aluminum intermetallic compound, wherein the nickel-aluminum intermetallic compound includes at least one alloy phase of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni, and has pores on the surface of the catalyst. A hydrogen evolution catalyst having a porous structure is provided.
Description
본 명세서에는 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 포함하는 수소 발생 촉매 및 그 제조 방법이 개시된다.Disclosed herein is a hydrogen generation catalyst comprising a nickel-aluminum intermetallic compound and a method for preparing the same.
다양한 종류의 수소 발생반응 (암모니아 분해, 수산화 붕소 나트륨 가수분해, 전기화학적 물분해)에 귀금속 (Pt, Ru, Pd, Rh) 이 높은 활성을 가지고 있지만 가격이 비싸기 때문에, 보다 저렴한 금속으로 대체하려는 연구가 진행되고 있다. 니켈, 코발트, 철, 몰리브덴은 귀금속에 비해 가격이 저렴하고 반응에 활성을 가지는 금속으로 알려져 있다. (예, 니켈과 루테늄 가격 비교 ($14/kgNi vs. $7,909/kgRu 2019년 기준). 하지만, 이러한 금속들은 귀금속에 비해 낮은 본질적 활성(intrinsic activity)을 가지는데, 이것은 재료 표면에 다공성 특성을 부여함으로써 향상될 수 있다.Precious metals (Pt, Ru, Pd, Rh) have high activity in various hydrogen generation reactions (ammonia decomposition, sodium borohydride hydrolysis, electrochemical water decomposition), but are expensive, so research to replace them with cheaper metals is in progress Nickel, cobalt, iron, and molybdenum are inexpensive compared to noble metals and are known as reactive metals. (e.g. nickel and ruthenium price comparison ($14/kg Ni vs. $7,909/kg Ru as of 2019). However, these metals have lower intrinsic activity than noble metals, which results in a porous nature on the surface of the material. can be improved by giving
니켈의 표면을 다공성 구조로 만들기 위한 방법으로 알루미늄의 합금화(alloying)/탈합금화(dealloying) 공정을 적용할 수 있으며, 일반적으로 알루미나이징은 니켈 또는 철 기반의 재료에 고온 내산화성을 증대시키기 위한 방안으로써 널리 적용되고 있다.Aluminum alloying/dealloying process can be applied as a method to make the surface of nickel porous As such, it is widely applied.
한편, 기존의 니켈-알루미늄 합금 제작 방법은 목적에 따라 합금 파우더 제작을 위한 방법과 구조체 합금층 코팅을 위한 방법 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 이 두 방식들은 아래와 같은 문제점을 가지고 있다.On the other hand, existing nickel-aluminum alloy manufacturing methods can be largely divided into two methods: a method for manufacturing alloy powder and a method for coating an alloy layer on a structure, depending on the purpose. These two methods have the following problems.
i) 합금 파우더 제작 공정 i) alloy powder manufacturing process
기존 합금 파우더 제작을 위한 방식은 주로 cast-and-crush process, rapid solidification, mechanical alloying with ball-milling 공정이 있다. 이 공정들은 각각 장단점을 가지고 있다. 두 금속이 모두 용융될 수 있는 고온이 요구되거나, 그 공정 중 금속의 산화를 방지하기 위한 수소가스 분위기가 요구된다. 또한 괴 형태로 얻어지는 합금을 파우더 형태로 만들기 위한 비용 소모적인 분쇄공정이 추가로 필요하다. 뿐만 아니라 용융되고 식는 과정에서의 재료 고유의 특성으로 인해 니켈-알루미늄 합금상을 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 이와 더불어 제조된 합금상 파우더의 크기 분포가 넓은 것이 종래 기술의 문제점이다. Existing methods for manufacturing alloy powder are mainly cast-and-crush process, rapid solidification, and mechanical alloying with ball-milling process. Each of these processes has advantages and disadvantages. A high temperature at which both metals can be melted is required, or a hydrogen gas atmosphere is required to prevent oxidation of the metal during the process. In addition, a cost-consuming grinding process is additionally required to make the alloy obtained in the form of a block into a powder form. In addition, there is a disadvantage in that it is difficult to control the nickel-aluminum alloy phase due to the inherent characteristics of the material in the process of melting and cooling. In addition, it is a problem of the prior art that the size distribution of the alloy phase powder produced is wide.
ii) 구조체 합금층 코팅 공정ii) Structure alloy layer coating process
고온 내산화성에 요구되는 구조체(예: 터빈 블레이드)에 pack cementation process를 적용하여 알루미나이드 코팅을 진행하는 것이 일반적인 알루미나이징 기술이다. 이 pack cementation process는 적어도 800°C 이상의 고온과 산화방지를 위한 수소 분위기가 요구된다. 또한 660°C 의 용융점을 가지는 알루미늄 파우더가 공정 중 녹기 때문에 코팅층의 불균일성이 심화될 수 있다. 결과적으로 이 공정을 통해 Ni3Al, NiAl과 같은 Ni의 함량이 상대적으로 높은 합금상이 수십~수백 um의 두께로 형성된다. 이러한 공정을 파우더나 두께가 얇은 니켈 지지체에 적용하면, 소결 효과로 인하여 그 형태를 유지하지 못하게 되는 문제점이 있다. 예를 들어 기존 방법을 20 um 이하의 strut wall thickness를 가지는 니켈 폼에 적용하면 너무 빠른 알루미늄 확산속도로 인하여 구조체 전체가 NiAl3으로 변할 수 있고, 기계적 강도가 약한 NiAl3의 특성으로 인해 구조체 형상이 유지되지 못하고 바스러진다. 이러한 이유로 얇은 두께의 니켈 폼이 촉매로써 활성화되기 위해서는, 종래에 기술보다 세밀한 공정 제어가 필요하다.It is a common aluminizing technology to apply aluminide coating by applying a pack cementation process to structures (eg turbine blades) that require high temperature oxidation resistance. This pack cementation process requires a high temperature of at least 800°C and a hydrogen atmosphere to prevent oxidation. In addition, since aluminum powder with a melting point of 660°C melts during the process, the non-uniformity of the coating layer can be intensified. As a result, through this process, an alloy phase having a relatively high content of Ni, such as Ni 3 Al and NiAl, is formed with a thickness of tens to hundreds of μm. When this process is applied to powder or a thin nickel support, there is a problem in that the shape cannot be maintained due to the sintering effect. For example, if the existing method is applied to nickel foam with a strut wall thickness of 20 um or less, the entire structure may change to NiAl 3 due to the too fast aluminum diffusion rate, and the structure shape may change due to the characteristics of NiAl 3 with weak mechanical strength. It is not maintained and crumble. For this reason, in order to activate the thin nickel foam as a catalyst, more detailed process control is required than in the prior art.
또한 위와 같은 니켈-알루미늄 합금 형성 공정의 문제뿐만 아니라 기존 구조 촉매 합성 기술에도 여러 문제점이 있을 수 있다. 화학 반응의 흡열/발열 특성으로 인한 열구배를 줄이기 위한 목적으로 금속 구조체가 촉매의 지지체로 사용될 때, 그 구조체에 촉매능을 부여하기 위한 방법으로 워시코팅, 솔-젤 코팅, 잉크 젯 코팅, 에어로졸 코팅, 물리/화학 증착법 등의 방법을 적용한다. 하지만 이러한 코팅법을 이용하여 구조체 표면에 촉매층을 형성한 후 반응에 적용하였을 때 담지체 및 촉매 물질의 열팽창 특성 차이에 의해 촉매층의 탈리 현상이 발생할 수 있다. 특히 이러한 문제는 수소가 격렬하게 생성되는 삼상 반응(예, 수소화 붕소 나트륨 가수분해)에 촉매가 적용되었을 때 두드러지게 나타난다. 촉매층의 탈리는 곧 촉매의 내구성 저하로 이어질 수 있고, 이는 촉매의 교체 주기를 짧게 하여 시스템 운영 비용을 증가시키는 요인이 될 수 있다.In addition, there may be various problems in the existing structural catalyst synthesis technology as well as the above problems in the nickel-aluminum alloy formation process. When a metal structure is used as a catalyst support for the purpose of reducing the thermal gradient due to endothermic/exothermic characteristics of chemical reactions, wash coating, sol-gel coating, ink jet coating, and aerosol are methods for imparting catalytic function to the structure. Methods such as coating and physical/chemical vapor deposition are applied. However, when the catalyst layer is formed on the surface of the structure using such a coating method and then applied to the reaction, the catalyst layer may be detached due to a difference in thermal expansion characteristics between the support and the catalyst material. This problem is especially noticeable when the catalyst is applied to a three-phase reaction in which hydrogen is vigorously produced (eg hydrolysis of sodium borohydride). Separation of the catalyst layer may lead to deterioration in durability of the catalyst, which may shorten the replacement cycle of the catalyst and thus increase system operating costs.
본 발명의 일 측면은, 종래의 합금 형성 방법에서 합금이 용융되고 식는 과정에서의 재료 고유의 특성으로 인하여 니켈-알루미늄 합금상을 제어하기 어려운 문제점을 해결하고자 한다.One aspect of the present invention is to solve the problem of difficulty in controlling the nickel-aluminum alloy phase due to the inherent characteristics of the material in the melting and cooling process of the alloy in the conventional alloy forming method.
또한 종래의 알루미나이징법에서 지나치게 빠른 알루미늄 확산속도로 인하여 구조체 전체가 NiAl3으로 변할 수 있고, 기계적 강도가 약한 NiAl3의 특성으로 인해 구조체 형상이 유지되지 못하는 문제점을 해결하고자 한다.In addition, in the conventional aluminizing method, the entire structure may be changed to NiAl 3 due to an excessively fast aluminum diffusion rate, and the structure shape is not maintained due to the characteristics of NiAl 3 having weak mechanical strength.
또한 종래의 구조 촉매 코팅법을 이용하는 경우 담지체 및 촉매 물질의 열팽창 특성 차이에 의해 촉매층의 탈리 현상이 발생하고 이로 인하여 촉매 내구성이 저하되는 문제를 해결하고자 한다.In addition, in the case of using the conventional structural catalyst coating method, the separation phenomenon of the catalyst layer occurs due to the difference in thermal expansion characteristics of the support and the catalyst material, thereby solving the problem of deterioration in durability of the catalyst.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예에서, 니켈 기반 구조체; 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물;을 포함하며, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하고, 촉매 표면에 기공을 갖는 다공성 구조인, 수소 발생 촉매를 제공한다.In one embodiment of the present invention to achieve the above object, a nickel-based structure; and a nickel-aluminum intermetallic compound, wherein the nickel-aluminum intermetallic compound includes at least one alloy phase of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni, and has pores on the surface of the catalyst. A hydrogen evolution catalyst having a porous structure is provided.
일 구현예에서, 상기 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 NiAl, Ni3Al, 및 Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the nickel-aluminum intermetallic compound may include at least one alloy phase of NiAl, Ni 3 Al, and Ni.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매에서 Ni:Al의 중량비는 1:9 내지 9:1일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of Ni:Al in the hydrogen generating catalyst may be 1:9 to 9:1.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매에서 Ni:Al의 중량비는 4:6 내지 6:4일 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of Ni:Al in the hydrogen generating catalyst may be 4:6 to 6:4.
일 구현예에서, 상기 니켈 기반 구조체는 분말, 폼, 판, 선, 띠, 및 관으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형태를 가질 수 있다.In one embodiment, the nickel-based structure may have one or more shapes selected from the group consisting of powder, foam, plate, wire, strip, and tube.
일 구현예에서, 니켈 분말인 니켈 기반 구조체를 포함하는 코어, 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 포함하는 쉘의 코어-쉘 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, it may have a core-shell structure of a core including a nickel-based structure of nickel powder and a shell including a nickel-aluminum intermetallic compound.
일 구현예에서, 상기 니켈 기반 구조체는 니켈 분말이고, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 단일 합금상을 가질 수 있다.In one embodiment, the nickel-based structure is nickel powder, and the nickel-aluminum intermetallic compound may have a single alloy phase.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매의 표면 및 기공에 존재하는 알루미나;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, alumina present in the surface and pores of the hydrogen generating catalyst; may further include.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매는 40 내지 150 m2/g의 BET 비표면적을 가질 수 있다.In one embodiment, the hydrogen generating catalyst may have a BET specific surface area of 40 to 150 m 2 /g.
본 발명의 다른 구현예에서, 니켈 기반 구조체, 알루미늄 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하여 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하는 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 형성하는 단계; 및 염기성 수용액으로 리칭 처리하는 단계;를 포함하는, 수소 발생 촉매 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, mixing the nickel-based structure and aluminum powder; heat-treating the mixture to form a nickel-aluminum intermetallic compound including at least one alloy phase of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni; And a step of leaching with a basic aqueous solution; a method for preparing a hydrogen generating catalyst is provided.
일 구현예에서, 상기 제조 방법은 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 열처리 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the manufacturing method may further include heat-treating the nickel-aluminum intermetallic compound.
일 구현예에서, 상기 혼합 단계에서 니켈 기반 구조체:알루미늄 분말의 중량비를 1:9 내지 9:1로 혼합할 수 있다.In one embodiment, in the mixing step, the nickel-based structure:aluminum powder may be mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1.
일 구현예에서, 상기 혼합 단계에서 염화 알루미늄을 함께 첨가할 수 있다.In one embodiment, aluminum chloride may be added together in the mixing step.
일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 니켈-알루미늄 금속간 화합물에 포함된 합금상의 조성 및 분포가 변화할 수 있다.In one embodiment, the composition and distribution of the alloy phase included in the nickel-aluminum intermetallic compound may be changed in the heat treatment step.
일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 400 내지 600℃ 온도로 열처리 할 수 있다.In one embodiment, heat treatment may be performed at a temperature of 400 to 600 ° C in the heat treatment step.
일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 30 내지 1200 분 간 열처리 할 수 있다.In one embodiment, heat treatment may be performed for 30 to 1200 minutes in the heat treatment step.
일 구현예에서, 상기 리칭 단계에서 니켈-알루미늄 금속간 화합물에 포함된 합금상으로부터 알루미늄을 선택적으로 침출하여 기공을 형성할 수 있다.In one embodiment, pores may be formed by selectively leaching aluminum from the alloy phase included in the nickel-aluminum intermetallic compound in the leaching step.
본 발명의 일 구현예에 따른 수소 발생 촉매는 다양한 형태(분말, 폼, 판, 선, 관 등)의 니켈 구조체에 알루미늄 및 염화알루미늄 분말로부터 니켈 알루미늄 합금체를 구조체의 변형없이 간단하게 저온에서 대량으로 제조하여 다양한 종류 및 분포를 갖는 니켈 알루미늄 합금을 유도할 수 있다.The hydrogen generating catalyst according to an embodiment of the present invention is a nickel-aluminum alloy body from aluminum and aluminum chloride powder to a nickel structure in various forms (powder, foam, plate, wire, tube, etc.) in a large amount at low temperature simply without deformation of the structure can lead to nickel-aluminum alloys having various types and distributions.
또한, 탈합금화 (dealloying)을 통해서, 다양한 수소 발생 반응에 대한 성능과 내구성을 갖는 다공성 니켈을 얻을 수 있으며 이는 열관리가 필요한 화학반응에 적용될 수 있는 금속 기반 구조촉매 합성에 용이할 수 있다.In addition, through dealloying, porous nickel having performance and durability for various hydrogen generation reactions can be obtained, which can be easily synthesized as a metal-based structure catalyst that can be applied to chemical reactions requiring thermal management.
또한, 열처리 온도와 시간 제어과 후처리 조건 제어를 통하여 여러 Ni-Al 합금상을 촉매 표면에 형성할 수 있으며 후속 열처리 공정을 통하여 표면 합금층과 기판 사이의 상호확산으로 기계적 강도가 강한 합금상을 형성하여 촉매의 내구성을 확보할 수 있다.In addition, various Ni-Al alloy phases can be formed on the catalyst surface by controlling the temperature and time of heat treatment and post-treatment conditions, and through the subsequent heat treatment process, mutual diffusion between the surface alloy layer and the substrate forms an alloy phase with strong mechanical strength. Thus, the durability of the catalyst can be secured.
도 1a는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 Ni-50wt.% Al 중량비의 조건에서 저온 알루미나이징의 온도, 시간 제어를 통하여 제조하여 파우더의 단면에 대하여 SEM 분석한 결과를 도시한다.
도 1b는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 Ni-50wt.% Al 중량비의 조건에서 저온 알루미나이징의 온도, 시간 제어를 통하여 제조하여 파우더의 단면에 대하여 EDS-line scanning 분석한 결과를 도시한다.
도 2a는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 XRD 분석한 결과를 도시한다.
도 2b는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 입도 분석한 결과를 도시한다.
도 3a는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 SEM 표면 분석한 결과를 도시한다.
도 3b는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 단면 분석한 결과를 도시한다.
도 4a는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 XRD 분석한 결과를 도시한다.
도 4b는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 SEM 분석한 결과를 도시한다.
도 4c는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 입도 분석한 결과를 도시한다.
도 4d는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 단면 분석한 결과를 도시한다.
도 5a는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 후, 시간 별 BET 표면적 변화 추이를 도시한다.
도 5b는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 후 입자 크기 변화 추이를 도시한다.
도 6a는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 후 암모니아 분해반응 적용 결과를 도시한다.
도 6b는 Ni-50wt% Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 시간에 따른 암모니아 분해반응 적용 결과를 도시한다.
도 7a는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 제조 방법의 모식도를 나타낸다.
도 7b는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 XRD 분석 결과를 도시한다.
도 7c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 SEM과 EDS 분석 결과를 도시한다.
도 8a는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 알루미늄 리칭 후, 수산화붕소 가수분해 반응에 대한 활성 측정 결과를 도시한다.
도 8b는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 초음파로 1시간 동안 가속화 모사 실험 후에 수산화붕소 가수분해 반응에 대한 활성 측정 결과를 도시한다.
도 8c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 초음파로 1시간 동안 가속화 모사 실험 전/후의 촉매 표면적 변화를 도시한다.
도 8d는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체에서 촉매 표면적에 따른 수소 발생 속도 그래프를 도시한다.
도 9a는 열처리 시간에 따른 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 제조 방법의 모식도를 나타낸다.
도 9b는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체에서 열처리 시간에 따른 구조체의 단면 구조를 SEM 및 EDS 분석한 결과를 나타낸다.
도 9c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체에서 열처리 시간에 따른 구조체의 단면 구조를 XRD 분석한 결과를 나타낸다.
도 10a는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 각 샘플에 대한 온도별 암모니아 특성을 평가한 결과이다.
도 10b는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 각 샘플에 대한 500℃에서의 암모니아 전환율을 나타낸다.
도 10c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 20h-L 샘플에 대한 GHSV별 암모니아 전환율을 도시한다.
도 10d는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 20h-L 샘플에 대한 600°C에서의 촉매 내구성 평가 결과를 도시한다.
도 11a는 LOHC (액상유기화합물기반 수소저장물질) 수소화 반응에서 사용하는 반응물의 H-NMR 측정 결과를 도시한다.
도 11b는 실험예 3에서 시간에 따른 반응기 운전 결과를 도시한다.Figure 1a shows the results of SEM analysis on the cross-section of the nickel aluminum alloy powder of Example 1 prepared through temperature and time control of low-temperature aluminizing under conditions of Ni-50wt.% Al weight ratio.
Figure 1b shows the results of EDS-line scanning analysis on the cross section of the powder prepared by controlling the temperature and time of low-temperature aluminizing under the condition of Ni-50wt.% Al weight ratio of the nickel aluminum alloy powder of Example 1.
Figure 2a shows the results of XRD analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1.
Figure 2b shows the results of particle size analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1.
Figure 3a shows the results of SEM surface analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1.
Figure 3b shows the results of cross-sectional analysis of the nickel-aluminum alloy powder of Example 1.
Figure 4a shows the results of XRD analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions.
Figure 4b shows the results of SEM analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions.
Figure 4c shows the results of particle size analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions.
Figure 4d shows the results of cross-sectional analysis of the nickel-aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions.
Figure 5a shows the time-dependent BET surface area change trend after aluminum leaching of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under high Al conditions.
Figure 5b shows the particle size change trend after aluminum leaching of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under high Al conditions.
Figure 6a shows the result of applying the ammonia decomposition reaction after aluminum leaching of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under high Al conditions.
Figure 6b shows the result of applying the ammonia decomposition reaction according to the aluminum leaching time of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under Ni-50wt% Al conditions.
Figure 7a shows a schematic diagram of the manufacturing method of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 7b shows the XRD analysis results of the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 7c shows the results of SEM and EDS analysis of the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 8a shows the results of activity measurement for the boron hydroxide hydrolysis reaction after aluminum leaching of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 8b shows the activity measurement results for the boron hydroxide hydrolysis reaction after an accelerated simulation experiment for 1 hour with ultrasound of the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 8c shows the change in the surface area of the catalyst before and after the acceleration simulation experiment for 1 hour with ultrasound of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 8d shows a graph of the hydrogen evolution rate according to the catalyst surface area in the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 9a shows a schematic diagram of the manufacturing method of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3 according to the heat treatment time.
Figure 9b shows the results of SEM and EDS analysis of the cross-sectional structure of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3 according to the heat treatment time.
Figure 9c shows the results of XRD analysis of the cross-sectional structure of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3 according to the heat treatment time.
Figure 10a is a result of measuring the activity of the ammonia decomposition reaction of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3, and is a result of evaluating the ammonia characteristics by temperature for each sample.
Figure 10b shows the ammonia conversion rate at 500 ℃ for each sample as a result of measuring the activity of the ammonia decomposition reaction of the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
Figure 10c shows the ammonia conversion rate by GHSV for the 20h-L sample as a result of measuring the activity of the nickel aluminum alloy structure of Example 3 for the ammonia decomposition reaction.
Figure 10d shows the result of evaluating the catalyst durability at 600 ° C for the 20h-L sample as a result of measuring the activity of the nickel aluminum alloy structure of Example 3 for the ammonia decomposition reaction.
11A shows H-NMR measurement results of reactants used in the LOHC (liquid phase organic compound-based hydrogen storage material) hydrogenation reaction.
Figure 11b shows the results of reactor operation over time in Experimental Example 3.
이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for purposes of explanation only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention can have various changes and can have various forms, the embodiments are not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention It will be understood to include.
수소 발생 촉매hydrogen evolution catalyst
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예에서, 니켈 기반 구조체; 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물;을 포함하며, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하고, 촉매 표면에 기공을 갖는 다공성 구조인, 수소 발생 촉매를 제공한다.In one embodiment of the present invention to achieve the above object, a nickel-based structure; and a nickel-aluminum intermetallic compound, wherein the nickel-aluminum intermetallic compound includes at least one alloy phase of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni, and has pores on the surface of the catalyst. A hydrogen evolution catalyst having a porous structure is provided.
일 구현예에서, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 NiAl, Ni3Al, 및 Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함할 수 있다. 니켈-알루미늄 금속간 화합물의 표면은 알루미늄을 용출시켜 기공을 갖도록 리칭(leaching) 처리될 수 있다. 이때, 니켈이 우세한 합금상(예컨대 NiAl나 Ni3Al와 같은 합금상)의 경우에는 구조적 안정성이 높아 리칭이 이루어지기 어려울 수 있다. 반면, 알루미늄이 우세한 합금상(예컨대 NiAl3, Ni2Al3와 같은 합금상)의 경우에는 강알칼리 용액에서 선택적으로 Al 만을 선택적으로 침출이 가능하고 이를 통하여 촉매 표면에 다공성 특성을 부여할 수 있다. 따라서, 리칭 공정을 거친 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 NiAl, Ni3Al, 및 Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하면서 다공성 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, the nickel-aluminum intermetallic compound may include at least one alloy phase of NiAl, Ni 3 Al, and Ni. The surface of the nickel-aluminum intermetallic compound may be leached to have pores by eluting aluminum. At this time, in the case of an alloy phase in which nickel is dominant (for example, an alloy phase such as NiAl or Ni 3 Al), structural stability is high, and leaching may be difficult to achieve. On the other hand, in the case of an alloy phase in which aluminum is dominant (eg, NiAl 3 , Ni 2 Al 3 ), only Al can be selectively leached from a strong alkali solution, and through this, porous characteristics can be imparted to the catalyst surface. Accordingly, the nickel-aluminum intermetallic compound subjected to the leaching process may have a porous structure while including at least one alloy phase of NiAl, Ni 3 Al, and Ni.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매에서 Ni:Al의 중량비는 1:9 내지 9:1일 수 있다. 바람직하게, Ni:Al의 중량비는 4:6 내지 6:4일 수 있다. 저온 알루미나이징법을 활용하는 경우로서 합금화시 알루미늄의 함량 변화를 통해서 다양한 종류의 니켈 알루미늄 합금을 형성할 수 있다. 예를 들어, Ni:Al의 중량비가 1:9 미만인 경우(즉, Al을 과량 함유하는 경우)는 NiAl3, Ni2Al3와 같이 합금상에서 알루미늄의 함량이 우세하나 내구성이 떨어질 수 있고, 9:1 초과인 경우(즉, Ni 을 과량 함유하는 경우)는 소결 효과로 인하여 그 형태를 유지하지 못할 수 있고 Al 리칭이 원활치 않아 촉매 효율이 떨어질 수 있다.In one embodiment, the weight ratio of Ni:Al in the hydrogen generating catalyst may be 1:9 to 9:1. Preferably, the weight ratio of Ni:Al may be 4:6 to 6:4. In the case of using the low-temperature aluminizing method, various types of nickel-aluminum alloys can be formed through the change in aluminum content during alloying. For example, when the weight ratio of Ni:Al is less than 1:9 (that is, when an excessive amount of Al is contained), the aluminum content is dominant in the alloy phase, such as NiAl 3 and Ni 2 Al 3 , but durability may be poor, 9 If it exceeds : 1 (that is, contains an excessive amount of Ni), the shape may not be maintained due to the sintering effect, and catalytic efficiency may decrease due to poor Al leaching.
일 구현예에서, 상기 니켈 기반 구조체는 분말, 폼, 판, 선, 띠, 및 관으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형태를 가질 수 있다. 저온 알루미나이징 방식은 염화알루미늄의 기상 화학반응으로써 니켈을 기반으로한 모든 재료에 니켈-알루미늄 합금층을 형성할 수 있으므로 기판의 형태에 제약받지 않을 수 있다. 특히, 열처리 및 후속 열처리 조건 제어를 통하여 표면층과 구조체 사이에 강건한 합금층을 형성할 수 있으며, 이를 통하여 수소가 격렬하게 생성되는 삼상 반응에서도 내구성을 갖는 촉매를 제작할 수 있다.In one embodiment, the nickel-based structure may have one or more shapes selected from the group consisting of powder, foam, plate, wire, strip, and tube. The low-temperature aluminizing method can form a nickel-aluminum alloy layer on all nickel-based materials by gas-phase chemical reaction of aluminum chloride, so it may not be limited by the shape of the substrate. In particular, it is possible to form a robust alloy layer between the surface layer and the structure through control of heat treatment and subsequent heat treatment conditions, and through this, a catalyst having durability even in a three-phase reaction in which hydrogen is vigorously generated can be manufactured.
예를 들어, 구조체 중에서도 반응기 내에서 촉매와 반응물의 접촉면적을 넓히기 위하여 상대적으로 표면적이 넓은 폼 형태의 구조체가 사용될 수 있으며, 이러한 구조체는 두께가 수십 마이크로 정도로 얇기 때문에 코팅층의 제어가 중요할 수 있다. 본 발명의 구현예에 따른 촉매에서는 저온 알루미나이징을 적용하여 저온에서 합금화가 진행되기 때문에 얇은 구조체에 대한 코팅층 형성 제어가 용이할 수 있다.For example, among the structures, a foam-type structure with a relatively large surface area can be used to increase the contact area between the catalyst and the reactant in the reactor. . In the catalyst according to an embodiment of the present invention, since alloying proceeds at a low temperature by applying low-temperature aluminizing, it may be easy to control the formation of a coating layer for a thin structure.
일 구현예에서, 니켈 분말인 니켈 기반 구조체를 포함하는 코어, 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 포함하는 쉘의 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, Ni-Al 상평형에서 단일 합금상을 가지고 있지 않은 Ni:Al의 중량비 범위로 수소 발생 촉매를 합성하는 경우 상기 코어-쉘 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 Ni:Al의 중량비를 5:5로 하는 경우 코어-쉘 형태의 합금 파우더가 형성될 수 있다. 이때 코어에는 쉘에 비하여 Al을 더 많이 함유하는 합금이 위치할 수 있다.In one embodiment, it may have a core-shell structure of a core including a nickel-based structure of nickel powder and a shell including a nickel-aluminum intermetallic compound. Specifically, when the hydrogen generating catalyst is synthesized in the Ni:Al weight ratio range that does not have a single alloy phase in the Ni-Al phase equilibrium, it may have the core-shell structure, for example, the Ni:Al weight ratio is 5 :5, core-shell alloy powder may be formed. At this time, an alloy containing more Al than the shell may be located in the core.
일 구현예에서, 상기 니켈 기반 구조체는 니켈 분말이고, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 단일 합금상을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이 알루미나이징에서 투입되는 알루미늄 분말의 중량과 니켈 분말의 중량의 비율에 의하여 합금상이 결정될 수 있다. 이때 중량비를 특정 합금상과 일치하게 제어하면 단일 합금상 제조도 가능하다. 특히, NiAl3 합금 파우더의 경우, 일반적으로 용융 후 응고 과정에서 peritectic transformation(L→Ni2Al3+NiAl3) 특성으로 인해 단일 합금상 형성이 어려운 문제점이 있었지만, 화학적 반응과 확산으로 합금을 형성하는 저온 알루미나이징법을 적용하면 단일 합금상 제조가 가능할 수 있다.In one embodiment, the nickel-based structure is nickel powder, and the nickel-aluminum intermetallic compound may have a single alloy phase. As described above, the alloy phase may be determined by the ratio between the weight of aluminum powder and the weight of nickel powder introduced in aluminizing. At this time, if the weight ratio is controlled to match a specific alloy phase, it is possible to manufacture a single alloy phase. In particular, in the case of NiAl 3 alloy powder, it is difficult to form a single alloy phase due to peritectic transformation (L→Ni 2 Al 3 +NiAl 3 ) characteristics in the process of solidification after melting, but it is difficult to form an alloy through chemical reaction and diffusion. If a low-temperature aluminizing method is applied, it may be possible to manufacture a single alloy phase.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매의 표면 및 기공에 존재하는 알루미나;를 더 포함할 수 있다. 상기 알루미나는 리칭 후 잔존 알루미늄으로부터 형성된 것일 수 있으며, 나노 구조화된 니켈촉매 사이에 존재할 수 있기 때문에 고온의 암모니아 분해 반응에 적용되었을 때 촉매의 뭉침 현상이 방지되어 고활성의 촉매능을 유지할 수 있다.In one embodiment, alumina present in the surface and pores of the hydrogen generating catalyst; may further include. The alumina may be formed from residual aluminum after leaching, and since it may exist between nanostructured nickel catalysts, aggregation of the catalyst may be prevented when applied to high temperature ammonia decomposition reaction, and thus high activity catalytic activity may be maintained.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매는 40 내지 150 m2/g의 BET 비표면적을 가질 수 있다. 바람직하게, 80 내지 120 m2/g의 BET 비표면적을 가질 수 있다. 상기 BET 비표면적은 촉매에 함유된 알루미늄의 함량에 따라 달라질 수 있는데, 이는 리칭 공정을 통하여 형성되는 다공성 구조가 알루미늄의 함량에 따라 달라질 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 수소 발생 촉매는 전술한 범위의 넓은 BET 비표면적을 가짐으로써 우수한 촉매 효율을 나타낼 수 있다.In one embodiment, the hydrogen generating catalyst may have a BET specific surface area of 40 to 150 m 2 /g. Preferably, it may have a BET specific surface area of 80 to 120 m 2 /g. The BET specific surface area may vary depending on the content of aluminum contained in the catalyst, because the porous structure formed through the leaching process may vary depending on the content of aluminum. Accordingly, the hydrogen generating catalyst may exhibit excellent catalytic efficiency by having a wide BET specific surface area within the above range.
일 구현예에서, 상기 수소 발생 촉매는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 상기 수소 발생 촉매를 촉매 및 전극으로써 활용 가능한 예시적인 분야는 다음과 같다:In one embodiment, the hydrogen generating catalyst can be applied to various fields. Exemplary fields in which the hydrogen generating catalyst can be used as a catalyst and an electrode are as follows:
1) 탄화수소로부터 수소 추출 반응 (메탄 수증기 개질, 바이오 가스 개질, 건식 개질 등)1) Hydrogen extraction reaction from hydrocarbons (methane steam reforming, biogas reforming, dry reforming, etc.)
2) 화학적 수소 발생 반응 (암모니아 분해, 수산화붕소나트륨 가수분해)2) Chemical hydrogen generation reaction (ammonia decomposition, sodium borohydride hydrolysis)
3) 전기화학적 수소 발생 반응 (수전해)3) Electrochemical hydrogen generation reaction (water electrolysis)
4) LOHC (액상유기화합물기반 수소저장물질) 수소화 반응4) LOHC (liquid phase organic compound-based hydrogen storage material) hydrogenation reaction
5) CO2 수소화 반응 (수소저장물질인 FA로 전환 가능)5) CO 2 hydrogenation reaction (can be converted to FA, a hydrogen storage material)
수소 발생 촉매 제조 방법Method for producing hydrogen generating catalyst
본 발명의 다른 구현예에서, 니켈 기반 구조체, 알루미늄 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하여 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하는 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 형성하는 단계; 및 염기성 수용액으로 리칭 처리하는 단계;를 포함하는, 수소 발생 촉매 제조 방법이 제공된다. 구체적인 제조 방법을 도 7a 및 9a를 참고하여 설명한다.In another embodiment of the present invention, mixing the nickel-based structure and aluminum powder; heat-treating the mixture to form a nickel-aluminum intermetallic compound including at least one alloy phase of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni; And a step of leaching with a basic aqueous solution; a method for preparing a hydrogen generating catalyst is provided. A specific manufacturing method will be described with reference to FIGS. 7A and 9A.
먼저, 니켈 기반 구조체, 알루미늄 분말을 혼합할 수 있다.First, a nickel-based structure and aluminum powder may be mixed.
상기 혼합 단계에서 염화 알루미늄을 함께 첨가할 수 있다. 첨가되는 염화 알루미늄은 상온에서 분말의 형태이나 공급되는 형태는 특별히 제한되지 않으며, 미리 증발 장치에서 기화하여 다른 고순도 수소, 질소, 헬륨 등 운반 가스와 함께 반응기 안으로 도입될 수 있다. 이 경우 도입되기 전에 충분히 반응기 내부의 수분 및 산소를 제거하기 위하여 공기를 배출한 후 도입될 수 있으며 이 경우 진공 공정이 불필요할 수 있다.Aluminum chloride may be added together in the mixing step. The added aluminum chloride is in the form of powder at room temperature, but the form supplied is not particularly limited, and may be evaporated in advance in an evaporator and introduced into the reactor together with other high-purity hydrogen, nitrogen, or helium carrier gases. In this case, it may be introduced after exhausting air to sufficiently remove moisture and oxygen inside the reactor before introduction, and in this case, a vacuum process may be unnecessary.
이어서, 상기 혼합물은 반응기 내부로 도입되어 진공 처리될 수 있으며, 예를 들어 10-1 Torr 이하의 진공 상태로 처리될 수 있다.Subsequently, the mixture may be introduced into the reactor and subjected to vacuum treatment, for example, under a vacuum condition of 10 −1 Torr or less.
일 구현예에서, 상기 혼합 단계에서 니켈 기반 구조체:알루미늄 분말의 중량비를 1:9 내지 9:1로 혼합할 수 있다. 바람직하게, 니켈 기반 구조체:알루미늄 분말의 중량비는 4:6 내지 6:4일 수 있다. 저온 알루미나이징법을 활용하는 경우로서 합금화시 알루미늄의 함량 변화를 통해서 다양한 종류의 니켈 알루미늄 합금을 형성할 수 있다. 예를 들어, 니켈 기반 구조체:알루미늄 분말의 중량비가 1:9 미만인 경우(즉, Al을 과량 함유하는 경우)는 NiAl3, Ni2Al3와 같이 합금상에서 알루미늄의 함량이 우세하나 내구성이 떨어질 수 있고, 9:1 초과인 경우(즉, Ni 을 과량 함유하는 경우)는 소결 효과로 인하여 그 형태를 유지하지 못할 수 있고 Al 리칭이 원활치 않아 촉매 효율이 떨어질 수 있다.In one embodiment, in the mixing step, the nickel-based structure:aluminum powder may be mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1. Preferably, the weight ratio of the nickel-based structure to the aluminum powder may be 4:6 to 6:4. In the case of using the low-temperature aluminizing method, various types of nickel-aluminum alloys can be formed through the change in aluminum content during alloying. For example, when the weight ratio of nickel-based structure: aluminum powder is less than 1:9 (that is, when an excessive amount of Al is contained), the content of aluminum is dominant in the alloy phase, such as NiAl 3 and Ni 2 Al 3 , but durability may be poor. If the ratio exceeds 9:1 (that is, if Ni is contained in excess), the shape may not be maintained due to the sintering effect, and the Al leaching may not be smooth, resulting in a decrease in catalyst efficiency.
이어서, 상기 혼합물을 알루미나이징하여 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상을 포함하는 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미나이징 공정 과정에서의 니켈 분말끼리의 소결 현상 방지를 위해 반응기를 회전시킬 수 있다.Subsequently, the mixture may be aluminized to form a nickel-aluminum intermetallic compound including at least one alloy phase of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni. For example, the reactor may be rotated to prevent sintering of nickel powders during the aluminizing process.
한편, 좁은 크기 분포를 가지는 원재료 분말을 저온 알루미나이징법에 적용하는 경우, 파우더의 소결현상 없이 거의 유사한 크기를 가지는 합금 분말을 제조할 수 있는데, 이때 함께 넣어주는 알루미늄 분말의 중량과 니켈 분말의 중량의 비율에 의하여 합금상이 결정될 수 있다. On the other hand, when raw material powders having a narrow size distribution are applied to the low temperature aluminizing method, alloy powders having almost similar sizes can be produced without powder sintering. At this time, the weight of aluminum powder and the weight of nickel powder The alloy phase can be determined by the ratio of
다음으로, 상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 열처리할 수 있다.Next, the nickel-aluminum intermetallic compound may be heat treated.
일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 니켈-알루미늄 금속간 화합물에 포함된 합금상의 조성 및 분포가 변화할 수 있다. 열처리 단계에서 진행되는 합금 반응은 아래와 같이 알려져 있다.In one embodiment, the composition and distribution of the alloy phase included in the nickel-aluminum intermetallic compound may be changed in the heat treatment step. The alloying reaction proceeding in the heat treatment step is known as follows.
[반응식 1][Scheme 1]
AlCl3 + Al(s) ↔ AlCl(g) + AlCl2(g)AlCl 3 + Al(s) ↔ AlCl(g) + AlCl 2 (g)
[반응식 2][Scheme 2]
Ni(s) + 2AlCl(g) ↔ 2NiAl + Cl2(g)Ni(s) + 2AlCl(g) ↔ 2NiAl + Cl 2 (g)
[반응식 3][Scheme 3]
2AlCl2 + Cl2(g) ↔ 2AlCl3(g)2AlCl 2 + Cl 2 (g) ↔ 2AlCl 3 (g)
상기 반응식 1에서 보는 바와 같이, 알루미늄 금속과 기화된 염화알루미늄(AlCl3)이 반응하여 AlCl 또는 AlCl2가 생성되고 상기 반응식 2에서와 같이 직접 니켈과 반응을 하여 니켈-알루미늄 금속간 화합물이 생성이 되며 점차 반응이 확산이 된다. 이때 상기한 확산을 위해서 반응시간 및 반응 온도를 설정하여야 한다. 그리고 상기 반응식 3에서와 같이 AlCl2와 Cl2 가스가 반응을 하여 다시 AlCl3가 되면서 반응물이 고갈될 때까지 상기 반응이 지속될 수 있다.As shown in
일 구현예에서, 상기 열처리 단계를 통하여 니켈-알루미늄 금속간 화합물에 NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al, Ni 중 하나 이상의 합금상의 조성 및 분포를 변경할 수 있다.In one embodiment, the composition and distribution of at least one of NiAl 3 , Ni 2 Al 3 , NiAl, Ni 3 Al, and Ni may be changed in the nickel-aluminum intermetallic compound through the heat treatment step.
예를 들어, NiAl3 합금상은 알루미늄 리칭이 용이하여 촉매로 활용되기 좋은 합금상이지만, 기계적 강도가 약한 단점을 가지고 있다. 특히 구조체 기판 상에 중간층 없이NiAl3 상이 형성되면 알루미늄 리칭 후 촉매로 적용되었을 때 촉매층의 탈리가 발생하여 촉매의 내구성이 저하될 수 있다.For example, the NiAl 3 alloy phase is an alloy phase that can be easily used as a catalyst due to easy aluminum leaching, but has a weak mechanical strength. In particular, if the NiAl 3 phase is formed on the structure substrate without an intermediate layer, when applied as a catalyst after aluminum leaching, the catalyst layer may be detached and the durability of the catalyst may be reduced.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 저온 알루미나이징 공정과 알루미늄 리칭 공정 사이에 후속 열처리 공정을 도입하였으며, 이 열처리를 통해 NiAl3 합금층과 니켈 기판 사이에 기계적 강도가 강한 Ni2Al3 상을 형성할 수 있다.In order to solve this problem, a subsequent heat treatment process was introduced between the low-temperature aluminizing process and the aluminum leaching process, and through this heat treatment, a Ni 2 Al 3 phase with strong mechanical strength can be formed between the NiAl 3 alloy layer and the nickel substrate. .
이와 더불어 후속 열처리 공정의 온도와 시간 조건을 변경하면 표면 합금층의 조성을 Ni2Al3, NiAl, Ni3Al으로 변경할 수 있다. 특히 600°C 에서의 후속 열처리 공정을 진행하면 니켈의 함량이 상대적으로 높은 NiAl, Ni3Al 합금층이 표면에 형성되는데, 이는 종래의 기술에서 1000°C 이상의 고온이 요구되는 합금층이다. 후속 열처리는 이러한 측면에서 기존 방법에 비해 에너지 절약적인 방법이라고 할 수 있다. In addition, the composition of the surface alloy layer may be changed to Ni 2 Al 3 , NiAl, or Ni 3 Al by changing the temperature and time conditions of the subsequent heat treatment process. In particular, when the subsequent heat treatment process at 600 ° C is performed, a NiAl and Ni 3 Al alloy layer having a relatively high nickel content is formed on the surface, which is an alloy layer that requires a high temperature of 1000 ° C or more in the prior art. Subsequent heat treatment can be said to be an energy-saving method compared to conventional methods in this respect.
일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 400 내지 600℃ 온도로 열처리 할 수 있다. 구체적으로 상기 400 내지 600°C의 열처리 온도는 알루미늄의 용융점 이하의 온도이면서 염화 알루미늄이 기상으로 반응할 수 있는 온도이기 때문에, 다양한 니켈 구조체 제조에 적용할 수 있다. 다만, 400°C 미만의 온도에서는 합금층이 원활하게 형성되지 못할 수 있다.In one embodiment, heat treatment may be performed at a temperature of 400 to 600 ° C in the heat treatment step. Specifically, since the heat treatment temperature of 400 to 600 ° C is a temperature below the melting point of aluminum and a temperature at which aluminum chloride can react in the gas phase, it can be applied to the manufacture of various nickel structures. However, at a temperature of less than 400 ° C, the alloy layer may not be smoothly formed.
한편, 600°C 이상의 고온에서의 합금층 형성 공정은 알루미늄의 용융으로 인한 소결 현상, 코팅층 불균일 현상 등이 야기될 수 있다. 특히 파우더를 구조체로 했을 때, 소결 현상이 더욱 촉진되어 크기 분포가 넓은 혹은 덩어리진 생성물이 얻어지거나 소결 과정에서 내부 합금상 조성이 흐트러지는 문제점을 가질 수 있다. 또한 빠른 알루미늄 확산속도로 인하여 합금층 조성과 두께 제어가 어려워 적용 가능한 구조체 형태(특히 두께 수십 마이크로의 얇은 구조체)에 제약이 있다. On the other hand, the alloy layer formation process at a high temperature of 600 ° C or higher may cause sintering and coating layer non-uniformity due to melting of aluminum. In particular, when the powder is used as a structure, the sintering phenomenon may be further promoted, resulting in a product having a wide size distribution or a lumpy product, or the internal alloy phase composition may be disturbed during the sintering process. In addition, due to the fast aluminum diffusion rate, it is difficult to control the composition and thickness of the alloy layer, so there are restrictions on the applicable structure shape (especially thin structures with a thickness of several tens of microns).
일 구현예에서, 상기 열처리 단계에서 30 내지 1200 분 간 열처리 할 수 있다. 구체적으로, 열처리 시간에 따라서 형성되는 합금 합금상이 달라질 수 있으며, 예를 들어 열처리 초기 단계에서는 NiAl3이 형성될 수 있으며, 공정 시간을 조절하여 합금상 두께와 NiAl3과 Ni2Al3 합금상 조성 비율을 제어할 수 있다.In one embodiment, heat treatment may be performed for 30 to 1200 minutes in the heat treatment step. Specifically, the alloy alloy phase formed may vary according to the heat treatment time, for example, NiAl 3 may be formed in the initial stage of heat treatment, and the thickness of the alloy phase and the composition of the NiAl 3 and Ni 2 Al 3 alloy phase by adjusting the process time You can control the ratio.
다음으로, 염기성 수용액으로 리칭 처리할 수 있다. 예를 들어 상기 염기성 수용액은 NaOH 또는 KOH 등의 pH 13을 초과하는 강알칼리 수용액을 포함할 수 있다. 또한, 상기 염기성 수용액은 Al(OH)3를 킬레이팅함으로써 Al의 용해도를 증가시킬 수 있는, 예컨대 KNaC4H4O6와 같은 킬레이팅제를 포함할 수 있다. 이러한 리칭 공정은 탈합금화(dealloying) 공정으로서, 일반적으로 알루미나이징은 니켈 또는 철 기반의 재료에 고온 내산화성을 증대시키기 위한 방안으로써 널리 적용되고 있는 방법이다. 이때 주로 니켈을 상대적으로 많이 함유하고 있는 합금상(Ni3Al, NiAl)을 형성하는 것을 목적으로 한다. 하지만 알루미늄이 상대적으로 많은 합금상(Ni2Al3, NiAl3)을 형성한다면 강알칼리 용액에서 Al만을 선택적으로 침출하는 것이 가능하고, 이러한 작업을 통해 표면에 다공성 특성을 부여할 수 있다.Next, a leaching process may be performed with a basic aqueous solution. For example, the basic aqueous solution may include a strong alkali aqueous solution having a pH greater than 13, such as NaOH or KOH. In addition, the basic aqueous solution may include a chelating agent such as KNaC 4 H 4 O 6 , which may increase the solubility of Al by chelating Al(OH) 3 . This leaching process is a dealloying process, and generally aluminizing is a method widely applied as a method for increasing high-temperature oxidation resistance of nickel- or iron-based materials. At this time, the main purpose is to form an alloy phase (Ni 3 Al, NiAl) containing a relatively large amount of nickel. However, if aluminum forms relatively many alloy phases (Ni 2 Al 3 , NiAl 3 ), it is possible to selectively leach only Al from the strong alkali solution, and through this operation, porous characteristics can be imparted to the surface.
일 구현예에서, 상기 리칭 단계에서 니켈-알루미늄 금속간 화합물에 포함된 합금상으로부터 알루미늄을 선택적으로 침출하여 기공을 형성할 수 있다.In one embodiment, pores may be formed by selectively leaching aluminum from the alloy phase included in the nickel-aluminum intermetallic compound in the leaching step.
따라서 본 발명의 구현예에 따른 제조 방법을 통하여 뛰어난 분말/구조촉매 합성 방법의 간소화를 이룰 수 있으며, 이는 수소 방출 시스템 제작 비용을 낮추는데 큰 역할을 하여 수소에너지 상용화를 앞당길 수 있는 핵심기술로 활용될 수 있다.Therefore, through the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, it is possible to achieve an excellent simplification of the powder / structure catalyst synthesis method, which plays a large role in lowering the cost of hydrogen emission system production, which will be used as a key technology that can advance the commercialization of hydrogen energy. can
실시예Example
이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail by way of examples. However, these examples are provided only for illustrative purposes to aid understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention are not limited by the following examples.
실시예 1: 니켈 알루미늄 합금 파우더 제조Example 1: Preparation of nickel aluminum alloy powder
석영 앰플에 니켈 분말 (2.2-2.8um, Hart materials)과 알루미늄 분말 (23.0um, Ecka granules) 및 AlCl3 (Junsei Chemistry)를 혼합하였다. Ni 분말과 Al 분말의 혼합물의 중량을 10 내지 20g으로 하였고, AlCl3의 함량을 0.6 내지 1.8 wt%로 일정하게 하면서, Ni-x wt% Al (x = 0, 5, 15, 30, 40, 50, 60)으로 Al의 함량 비율의 변화를 통하여 다양한 종류의 니켈-알루미늄 합금을 형성하였다. 재료들을 혼합한 후 진공 펌프을 이용하여 진공도 10-3 Torr 이하에 도달한 후 밀폐하였다. 이렇게 준비된 석영 앰플은 열처리 온도를 각각 450℃, 500℃로 하여 0h, 5h, 20h 동안 열처리하여 니켈 알루미늄 합금 파우더를 제조하였다.Nickel powder (2.2-2.8um, Hart materials), aluminum powder (23.0um, Ecka granules), and AlCl 3 (Junsei Chemistry) were mixed in a quartz ampoule. The weight of the mixture of Ni powder and Al powder was 10 to 20 g, and the content of AlCl 3 was kept constant at 0.6 to 1.8 wt%, while Ni-x wt% Al (x = 0, 5, 15, 30, 40, 50 and 60), various types of nickel-aluminum alloys were formed through changes in the Al content ratio. After mixing the materials, the vacuum was reached to 10 -3 Torr or less using a vacuum pump, and then sealed. The prepared quartz ampoule was heat-treated for 0h, 5h, and 20h at heat treatment temperatures of 450°C and 500°C, respectively, to prepare nickel-aluminum alloy powder.
실험예 1: 니켈 알루미늄 합금 파우더 특성Experimental Example 1: Nickel Aluminum Alloy Powder Characteristics
도 1a와 도 1b는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 Ni-50 wt% Al 중량비의 조건에서 저온 알루미나이징의 온도, 시간 제어를 통하여 제조하여 SEM와 EDS-line scanning 분석한 결과를 도시한다. 450℃까지 승온하여 합성한 샘플에 비하여 500℃까지 승온하여 합성한 샘플의 경우 분말 표면의 합금상이 달라지며, 열처리 시간에 따라서도 이러한 표면의 조성이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 또한 열처리 온도 제어를 통해 Al의 니켈 내부로의 확산 속도를 제어할 수 있으며, 열처리 시간 제어를 통해 니켈 파우더의 합금 조성 및 구조 변경이 가능하다.1a and 1b show the results of SEM and EDS-line scanning analysis by preparing the nickel-aluminum alloy powder of Example 1 through temperature and time control of low-temperature aluminizing under the condition of Ni-50 wt% Al weight ratio. Compared to the sample synthesized by raising the temperature to 450 ° C, in the case of the sample synthesized by raising the temperature to 500 ° C, the alloy phase of the powder surface is different, and it can be seen that the composition of this surface changes according to the heat treatment time. In addition, the diffusion rate of Al into the nickel can be controlled by controlling the heat treatment temperature, and the alloy composition and structure of the nickel powder can be changed by controlling the heat treatment time.
도 2a는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 XRD 분석한 결과를 도시한다. 500℃ 온도에서 20시간 열처리 하고 Al의 함량을 각각 5 wt%, 15 wt%, 30 wt%, 50 wt%로 달리한 경우 제조된 니켈 알루미늄 합금 파우더의 조성에 변화가 있는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 도 1에서의 합성 온도 조건(알루미나이징, 열처리)뿐 아니라 함유되는 니켈과 알루미늄의 함량에 따라서도 합금상의 조성이 변화하는 것을 확인할 수 있다.Figure 2a shows the results of XRD analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1. It can be seen that there is a change in the composition of the prepared nickel aluminum alloy powder when heat treatment is performed at 500 ° C. for 20 hours and the Al content is changed to 5 wt%, 15 wt%, 30 wt%, and 50 wt%, respectively. Through this, it can be seen that the composition of the alloy phase changes not only according to the synthesis temperature conditions (aluminizing, heat treatment) in FIG. 1 but also according to the contents of nickel and aluminum contained.
도 2b는 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 입도 분석한 결과를 도시한다. Al의 함량 변화에 따라서 대체로 입도 분석 결과는 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, Ni-30wt%의 경우는 니켈 알루미늄 합금 파우더의 평균 직경과 편차가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Figure 2b shows the results of particle size analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1. Depending on the Al content change, it can be seen that the particle size analysis results are generally similar, and in the case of Ni-30wt%, it can be seen that the average diameter and deviation of the nickel aluminum alloy powder appear larger.
도 3a와 3b는 500℃ 온도에서 20시간 열처리하여 제조한 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 SEM 표면 및 단면 분석한 결과를 도시한다. 이를 통하여 Al의 함량이 변화함에 따라서 제조된 니켈 알루미늄 합금 파우더의 표면 조성 뿐 아니라, 내부 구조와 조성 까지도 변화하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 합금 공정을 거치면 합금이 열역학적 평형상태로 존재하여 상평형도에서 시작 물질의 중량비 조성에 해당하는 단일 합금상 또는 코어-쉘 구조로 존재할 수 있다.3a and 3b show the results of SEM surface and cross-section analysis of the nickel-aluminum alloy powder of Example 1 prepared by heat treatment at 500 ° C. for 20 hours. Through this, it can be confirmed that not only the surface composition of the nickel-aluminum alloy powder produced as the Al content changes, but also the internal structure and composition change. On the other hand, after the alloying process, the alloy exists in a thermodynamic equilibrium state and may exist in a single alloy phase or core-shell structure corresponding to the weight ratio composition of the starting material in the phase equilibrium diagram.
도 4a와 4b 는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 XRD 분석한 결과와 SEM 분석한 결과를 각각 도시한다. Al를 고함량으로 하는 경우도 앞선 결과와 마찬가지로 함량 변화에 따라 합금상의 조성이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 특히, Ni-60wt%AL 샘플의 경우 NiAl3의 단일 합금상을 갖는 것을 확인하였다.Figures 4a and 4b show the results of XRD analysis and SEM analysis of the nickel-aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions, respectively. Even when the Al content is high, it can be confirmed that the composition of the alloy phase changes according to the change in the content, as in the previous results. In particular, in the case of the Ni-60wt% AL sample, it was confirmed that it had a single alloy phase of NiAl 3 .
도 4c는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 입도 분석한 결과를 도시한다. 그 결과, 비교 대상인 일반적인 상업 Ni-Al 파우더('Commercial Ni-Al powder')에 비하여 본 발명의 실시예에 따른 합금 파우더의 직경이 현저하게 더 작은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예에 따른 합금 파우더는 그 크기가 시작 물질인 Ni 파우더의 크기와 비슷하거나 조금 증대된 크기를 보이며 이를 통하여 Template의 크기변형이 최소화된 상태로 Ni-Al 합금상을 형성함을 알 수 있다. Figure 4c shows the results of particle size analysis of the nickel aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions. As a result, it was confirmed that the diameter of the alloy powder according to the embodiment of the present invention was significantly smaller than that of the general commercial Ni-Al powder ('Commercial Ni-Al powder') to be compared. In addition, it can be seen that the alloy powder according to the embodiment has a size similar to or slightly increased in size to that of the Ni powder, which is the starting material, and through this, the Ni-Al alloy phase is formed with the size deformation of the template minimized. have.
도 4d는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 1의 니켈 알루미늄 합금 파우더를 단면 분석한 결과를 도시한다. 앞선 결과와 마찬가지로 Al를 고함량으로 하는 경우도 앞선 결과와 마찬가지로 함량 변화에 따라 합금상의 조성이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 특히, Ni-40wt%AL 샘플의 경우 Ni2Al3의 단일 합금상을 가지고, Ni-60wt%AL 샘플의 경우 NiAl3의 단일 합금상을 갖는 것을 확인하였다.Figure 4d shows the results of cross-sectional analysis of the nickel-aluminum alloy powder of Example 1 prepared under high Al conditions. As in the previous results, it can be confirmed that the composition of the alloy phase changes according to the change in the content, as in the previous results, even when the Al content is high. In particular, it was confirmed that the Ni-40wt% AL sample had a single alloy phase of Ni 2 Al 3 and the Ni-60wt% AL sample had a single alloy phase of NiAl 3 .
실시예 2: 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더 제조Example 2: Preparation of Porous Nickel Aluminum Alloy Powder
실시예 1에서 제조한 니켈 알루미늄 합금 파우더에 리칭 공정을 통하여 다공성을 부여하였다. Porosity was imparted to the nickel-aluminum alloy powder prepared in Example 1 through a leaching process.
30 wt.%의 수산화 칼륨(KOH, Sigma Aldrich, ≥85 %)과 10 wt.%의 나트륨칼륨타르트르산염(KNaC4H4O6ㆍ4H2O, Sigma Aldrich, 99%)를 함유하는 알칼리 용액을 리칭제로 사용하였다. 구체적인 Al 리칭 과정은 아래 화학식으로 표현할 수 있으며, 80℃에서 리칭 시간을 5 내지 240 분으로 달리하여 수행하였으며, 리칭 처리된 샘플은 탈이온수로 여러 번 헹구었다. Alkali containing 30 wt.% potassium hydroxide (KOH, Sigma Aldrich, ≥85%) and 10 wt.% sodium potassium tartrate (KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O, Sigma Aldrich, 99%) The solution was used as a leaching agent. A specific Al leaching process can be expressed by the chemical formula below, and was performed at 80° C. by varying the leaching time from 5 to 240 minutes, and the leached sample was rinsed several times with deionized water.
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2 2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O → 2 Na[Al(OH) 4 ] + 3 H 2
Al(OH)- 4 → Al(OH)3 + OH- Al(OH) - 4 → Al(OH) 3 + OH -
Al(OH)- 4 + n(C4H4O6)n 2 - → Al(OH)3(C4H4O6)n 2 - + OH- Al(OH) - 4 + n(C 4 H 4 O 6 ) n 2 - → Al(OH) 3 (C 4 H 4 O 6 ) n 2 - + OH -
실험예 2: 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더 특성Experimental Example 2: Characteristics of Porous Nickel Aluminum Alloy Powder
도 5a는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 후 BET 표면적 변화 추이를 도시한다. 그 결과, 리칭 전 물질의 합금상에 따라 비표면적 증대 되는 정도가 결정되고, 알루미늄의 함량에 따라서 BET 표면적이 변화하는 것을 확인할 수 있었으며 Al의 함량이 높아질수록 리칭될 수 있는 Al의 양이 증가하여 결과적으로 제조된 촉매의 BET 비표면적이 커지는 것을 확인할 수 있었다.Figure 5a shows the BET surface area change trend after aluminum leaching of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under high Al conditions. As a result, it was confirmed that the degree of increase in the specific surface area was determined according to the alloy phase of the material before leaching, and that the BET surface area changed according to the aluminum content. As a result, it was confirmed that the BET specific surface area of the prepared catalyst was increased.
또한, 리칭 시간이 길어짐에 따라서 BET 비표면적은 또한 커지는데 일정 시간 이상을 리칭하는 경우 더 이상 BET 비표면적이 커지지 않는 것을 확인 하였으며, 이를 'optimal point'로 표시하였다. 아래의 표 1은 리칭 시간에 따른 구체적인 BET 비표면적 값을 나타낸다.In addition, as the leaching time increases, the BET specific surface area also increases, and it was confirmed that the BET specific surface area does not increase any more when leaching for a certain period of time or more, and this is indicated as the 'optimal point'. Table 1 below shows specific BET specific surface area values according to the leaching time.
(분)leaching time
(minute)
도 5b는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 후 입자 크기 변화 추이를 도시한다. 변화 추이를 피팅한 결과를 보면 Al 함량이 높아짐에 따라서 리칭에 따른 입자 사이즈의 감소 추이가 더 커지는 것을 확인할 수 있었다.Figure 5b shows the particle size change trend after aluminum leaching of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under high Al conditions. As a result of fitting the change trend, it was confirmed that the trend of decreasing the particle size due to leaching became larger as the Al content increased.
실험예 3: 암모니아 분해 반응 및 LOHC 수소화 반응 활성 측정Experimental Example 3: Measurement of ammonia decomposition reaction and LOHC hydrogenation activity
먼저, 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 암모니아 분해반응 활성을 측정하였다.First, the ammonia decomposition activity of the porous nickel aluminum alloy powder of Example 2 was measured.
도 6a 및 6b는 고 Al 조건으로 제조된 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 알루미늄 리칭 후 암모니아 분해반응 적용 결과를 도시한다. 그 결과 Ni-50wt% Al의 함량으로 제조된 샘플로서 약 120분동안 리칭하여 제조한 촉매가 가장 우수한 촉매 효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.Figures 6a and 6b show the result of applying the ammonia decomposition reaction after aluminum leaching of the porous nickel-aluminum alloy powder of Example 2 prepared under high Al conditions. As a result, it was confirmed that the catalyst prepared by leaching for about 120 minutes as a sample prepared with a Ni-50wt% Al content had the best catalytic efficiency.
다음으로, 실시예 2의 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더의 LOHC 수소화 반응 활성을 측정하였다. 다공성 니켈 알루미늄 합금 파우더는 240분 동안 리칭한 샘플을 사용하였다.Next, the LOHC hydrogenation activity of the porous nickel aluminum alloy powder of Example 2 was measured. Porous nickel aluminum alloy powder was used for samples leached for 240 minutes.
LOHC 반응물은 biphenyl와 diphenylmethane을 35:65 중량비로 혼합한 공융혼합물(eutectic mixture)을 20.0g 사용하였으며, 사용한 LOHC 반응물의 H-NMR 결과는 도 11a와 같다.As the LOHC reactant, 20.0 g of a eutectic mixture in which biphenyl and diphenylmethane were mixed in a weight ratio of 35:65 was used, and the H-NMR result of the used LOHC reactant is shown in FIG. 11a.
반응 조건(온도: 120 ℃, H2 압력: 50 bar, 반응기: batch type, 지속시간: 약 66h, 전환율: 100%)에서 도 11b과 같이 LOHC 수소화 반응을 수행하였다.Under the reaction conditions (temperature: 120 °C, H 2 pressure: 50 bar, reactor: batch type, duration: about 66 h, conversion rate: 100%), the LOHC hydrogenation reaction was performed as shown in FIG. 11b.
실시예 3: 니켈 알루미늄 합금 구조체 제조Example 3: Fabrication of a nickel aluminum alloy structure
석영 앰플에 니켈 폼(#12, Alantum, nominal cell size: 1200 μm, Strut thickness: 16 μm)과 알루미늄 분말 (23.0um, Ecka granules) 및 AlCl3 (Junsei Chemistry)를 혼합하였다. AlCl3의 함량을 0.6-1.8 wt%로 일정하게 하면서, Ni-x wt% Al (x = 0, 5, 15, 30, 40, 50, 60)으로 Al의 함량 비율의 변화를 통하여 다양한 종류의 니켈-알루미늄 합금을 형성하였다. 재료들을 혼합한 후 진공 펌프을 이용하여 진공도 10-3 Torr 이하에 도달한 후 밀폐하였다. 이렇게 준비된 석영 앰플은 열처리 온도를 각각 400℃로 하여 5h, 10h, 20h 동안 열처리하여 니켈 알루미늄 합금 파우더를 제조하였다.Nickel foam (#12, Alantum, nominal cell size: 1200 μm, strut thickness: 16 μm), aluminum powder (23.0um, Ecka granules), and AlCl 3 (Junsei Chemistry) were mixed in a quartz ampoule. While keeping the AlCl 3 content constant at 0.6-1.8 wt%, various types of A nickel-aluminum alloy was formed. After mixing the materials, the vacuum was reached to 10 -3 Torr or less using a vacuum pump, and then sealed. The prepared quartz ampoule was heat-treated for 5h, 10h, and 20h at a heat treatment temperature of 400° C., respectively, to prepare nickel-aluminum alloy powder.
실시예 4: 다공성 니켈 알루미늄 합금 구조체 제조Example 4: Fabrication of a porous nickel aluminum alloy structure
실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체를 80℃에서 1 시간동안 리칭한 것을 제외하고 실시예 2와 같은 방법으로 Al 리칭하여 다공성 니켈 알루미늄 합금 구조체를 제조하였다.A porous nickel-aluminum alloy structure was prepared by Al leaching in the same manner as in Example 2, except that the nickel-aluminum alloy structure of Example 3 was etched at 80° C. for 1 hour.
실험예Experimental example 4: 니켈 알루미늄 합금 구조체 및 다공성 니켈 알루미늄 합금 구조체 특성 4: Nickel-aluminum alloy structure and porous nickel-aluminum alloy structure properties
도 7b 및 7c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 XRD 분석 결과, SEM과 EDS 분석 결과를 도시한다. 이를 통하여 알루미나이징하여 합성한 니켈 알루미늄 합금 구조체를 열처리 하여 구조체의 표면상에 형성된 합금상의 조성을 변경할 수 있음을 확인할 수 있다.7b and 7c show XRD analysis results, SEM and EDS analysis results of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3. Through this, it can be confirmed that the composition of the alloy phase formed on the surface of the structure can be changed by heat-treating the nickel-aluminum alloy structure synthesized by aluminizing.
도 8a는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 알루미늄 리칭 직후 수산화붕소 가수분해 반응에 대한 활성 측정 결과를 도시한다.Figure 8a shows the results of activity measurement for the boron hydroxide hydrolysis reaction immediately after aluminum leaching of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3.
도 8b는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 초음파로 1시간 동안 가속화 모사 실험 후에 수산화붕소 가수분해 반응에 대한 활성 측정 결과를 도시한다.Figure 8b shows the activity measurement results for the boron hydroxide hydrolysis reaction after an accelerated simulation experiment for 1 hour with ultrasound of the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
도 8c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 초음파로 1시간 동안 가속화 모사 실험 전/후의 촉매 표면적 변화를 도시한다.Figure 8c shows the change in the surface area of the catalyst before and after the acceleration simulation experiment for 1 hour with ultrasound of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3.
도 8d는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체에서 촉매 표면적에 따른 수소 발생 속도 그래프를 도시한다.Figure 8d shows a graph of the hydrogen evolution rate according to the catalyst surface area in the nickel aluminum alloy structure of Example 3.
도 9b 및 9c는 실시예 3의 니켈 알루미늄 합금 구조체에서 열처리 시간에 따른 구조체의 단면 구조를 XRD, SEM 및 EDS 분석한 결과를 나타낸다. 이를 통하여 알루미나이징 시간에 따라서 합성된 니켈 알루미늄 합금 구조체를 열처리 하여 구조체의 표면상에 형성된 합금 합금상의 구성비를 합금상 변경할 수 있음을 확인할 수 있다.9b and 9c show the results of XRD, SEM and EDS analysis of the cross-sectional structure of the nickel-aluminum alloy structure of Example 3 according to the heat treatment time. Through this, it can be confirmed that the composition ratio of the alloy phase formed on the surface of the structure can be changed in the alloy phase by heat-treating the synthesized nickel-aluminum alloy structure according to the aluminizing time.
실험예 5: 암모니아 분해 반응 활성 측정Experimental Example 5: Measurement of ammonia decomposition reaction activity
도 10a는 실시예 4의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 각 샘플에 대한 온도별 암모니아 특성을 평가한 결과이다.Figure 10a is a result of measuring the activity of the ammonia decomposition reaction of the nickel-aluminum alloy structure of Example 4, and is a result of evaluating the ammonia characteristics by temperature for each sample.
도 10b는 실시예 4의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 각 샘플에 대한 500℃에서의 암모니아 전환율을 나타낸다.Figure 10b shows the ammonia conversion rate at 500 ℃ for each sample as a result of measuring the activity of the ammonia decomposition reaction of the nickel aluminum alloy structure of Example 4.
도 10c는 실시예 4의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 20h 열처리 후 리칭 한 20h-L 샘플에 대한 GHSV별 암모니아 전환율을 도시한다.Figure 10c shows the ammonia conversion rate by GHSV for the 20h-L sample leached after 20h heat treatment, as a result of measuring the activity of the nickel aluminum alloy structure of Example 4 for the ammonia decomposition reaction.
도 10d는 실시예 4의 니켈 알루미늄 합금 구조체의 암모니아 분해 반응에 대한 활성 측정 결과로서, 20h 열처리 후 리칭 한 20h-L 샘플에 대한 600℃에서의 촉매 내구성 평가 결과를 도시한다.Figure 10d is a result of measuring the activity of the ammonia decomposition reaction of the nickel aluminum alloy structure of Example 4, and shows the results of evaluating the catalyst durability at 600 ° C for the 20h-L sample leached after 20h heat treatment.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, these improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.
Claims (18)
상기 니켈-알루미늄 금속간 화합물은 Ni2Al3, NiAl, 및 Ni3Al 중 하나 이상의 합금상으로 구성되고, 촉매 표면에 기공을 갖는 다공성 구조이고,
수소 발생 촉매에서 Ni:Al의 중량비는 4:6 내지 6:4인, 수소 발생 촉매.a core comprising a nickel-based structure; And a shell containing a nickel-aluminum intermetallic compound; having a core-shell structure including,
The nickel-aluminum intermetallic compound is composed of at least one alloy phase of Ni 2 Al 3 , NiAl, and Ni 3 Al and has a porous structure having pores on the surface of the catalyst,
The hydrogen evolution catalyst, wherein the weight ratio of Ni:Al in the hydrogen evolution catalyst is 4:6 to 6:4.
상기 다공성 구조는 니켈-알루미늄 금속간 화합물이 리칭(leaching)되어 형성된 것인, 수소 발생 촉매.According to claim 1,
Wherein the porous structure is formed by leaching a nickel-aluminum intermetallic compound.
상기 니켈 기반 구조체는 분말, 폼, 판, 선, 띠, 및 관으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 형태를 갖는, 수소 발생 촉매.According to claim 1,
The nickel-based structure has at least one form selected from the group consisting of powder, foam, plate, wire, strip, and tube, hydrogen generating catalyst.
상기 수소 발생 촉매의 표면 및 기공에 존재하는 알루미나;를 더 포함하는, 수소 발생 촉매.According to claim 1,
Alumina present in the surface and pores of the hydrogen generating catalyst; further comprising a hydrogen generating catalyst.
상기 수소 발생 촉매는 40 내지 150 m2/g의 BET 비표면적을 갖는, 수소 발생 촉매.According to claim 1,
The hydrogen generating catalyst has a BET specific surface area of 40 to 150 m 2 /g.
상기 혼합물을 진공 조건에서 알루미나이징하여 NiAl3 합금상을 포함하는 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 형성하는 단계;
형성된 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 후속 열처리 하여 상기 NiAl3 합금상을 Ni2Al3, NiAl, 및 Ni3Al 중 하나 이상의 합금상으로 모두 전환하는 단계; 및
후속 열처리된 니켈-알루미늄 금속간 화합물을 염기성 수용액으로 리칭 처리하는 단계;를 포함하며,
상기 혼합 단계에서 니켈 기반 구조체:알루미늄 분말의 중량비를 4:6 내지 6:4로 혼합하고,
상기 후속 열처리 단계에서 500 내지 600℃ 온도로 열처리 하는, 수소 발생 촉매 제조 방법.Mixing a nickel-based structure and aluminum powder;
forming a nickel-aluminum intermetallic compound including a NiAl 3 alloy phase by aluminizing the mixture under vacuum conditions;
converting all of the NiAl 3 alloy phase into at least one alloy phase of Ni 2 Al 3 , NiAl, and Ni 3 Al by subsequent heat treatment of the formed nickel-aluminum intermetallic compound; and
A step of leaching the subsequent heat-treated nickel-aluminum intermetallic compound with a basic aqueous solution;
In the mixing step, the weight ratio of nickel-based structure: aluminum powder is mixed at 4:6 to 6:4,
Heat treatment at a temperature of 500 to 600 ℃ in the subsequent heat treatment step, hydrogen generating catalyst manufacturing method.
상기 혼합 단계에서 염화 알루미늄을 함께 첨가하는, 수소 발생 촉매 제조 방법.According to claim 11,
A method for producing a hydrogen generating catalyst in which aluminum chloride is added together in the mixing step.
상기 후속 열처리 단계에서 30 내지 1200 분 간 열처리 하는, 수소 발생 촉매 제조 방법.According to claim 11,
In the subsequent heat treatment step, heat treatment for 30 to 1200 minutes, hydrogen generating catalyst manufacturing method.
상기 리칭 단계에서 니켈-알루미늄 금속간 화합물에 포함된 합금상으로부터 알루미늄을 선택적으로 침출하여 기공을 형성하는, 수소 발생 촉매 제조 방법.According to claim 11,
In the leaching step, the hydrogen generation catalyst manufacturing method of forming pores by selectively leaching aluminum from the alloy phase included in the nickel-aluminum intermetallic compound.
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KR1020200123627A KR102467320B1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | A hydrogen generation catalyst comprising a nickel-aluminum intermetallic compound and the method for producing the same |
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