KR20020040606A - 탄소-금속 혼성 조성물을 사용한 수소 저장 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소-금속 혼성 물질내에 가역적으로 흡착 및 포획함으로써 수소를 운송 및 저장하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 탄소-금속 혼성 조성물을 온도 및 압력 조건에서 수소-함유 기체와 접촉시켜 탄소-금속 혼성 조성물이 수소 기체를 흡착시키는 단계를 포함한다. 탄소-금속 조성물내에서 흡착된 수소는 수소 기체를 탈착시키는 정도로 H2압력을 낮추고/낮추거나 온도를 높임으로써 방출된다.

Description

탄소-금속 혼성 조성물을 사용한 수소 저장{HYDROGEN STORAGE USING CARBON-METAL HYBRID COMPOSITIONS}
관련 출원의 인용
본 발명은 2000년 11월 22일자로 출원된 가명세서 특허 출원 60/252,751의 계속 출원이다.
본 발명의 배경기술
수소는 화학 및 석유 공정 산업에서 널리 사용되는 물질이다. 통상 이것은 천연 기체를 재형성함으로써 제조되고 실린더중에 액체 H2또는 고도로 압축된 기체와 같은 피펠린에 의하여 사용자의 위치까지 운반된다. 저온 액체 또는 압축된 액체로서 수소의 전달은 전달되는 기체를 위하여 상당한 고비용을 야기하는 주요한 에너지 집중 공정이다. 따라서, 일차적으로 용도면에서 주위 조건에서 수소를 효과적으로 "포획"할 수 있고 필요한 경우 기체를 방출할 수 있는 물질의 개발에 있어서, 저비용의 대체물을 찾기 위한 다량의 연구 노력이 투입되었다. 최근에 이러한노력은 유동계에 대하여 수소의 선상 저장용으로 안전하고 비용-효율적 수단을 필요로 하는 H2-추진 연료 셀의 신생 기술에 의하여 크게 자극되었다.
수소를 "함유"하는 방식의 대부분 연구는 금속 수소화물을 형성하기 위한 다양한 금속 및 금속 합금에 의하여 H2의 가역적 화학 반응 및 흡작에 집중하고 있다. 대표적 계가 LaNi5, FeTi 및 다양한 마그네슘 풍부한 합금, 예를 들면 Mg2Ni 및 Mg2Fe이다.
일반적으로, 바람직한 열동력학적 성질을 나타내는 수화물-형성 금속/합금은 불량한 H2용향을 나타내는 반면, 상대적으로 높은 H2성능을 갖는 수화물-형성 금속/합금은 일반적으로 바람직하지 않은 열동력학적 성질을 갖는다. 실질적인 연구 노력은 수소 성능의 흡착/탈착 운동성의 점진적 향상을 나타내는 비-, 트리 및 다중-금속성 합금의 신세대 합성 및 연구에 집중하고 있는 반면, 이러한 계의 기능적 특징을 개발이 감소되는 반전에 도달하여, H2대량 저장시 상업적 생존력 및 용도에 의심을 하는 있음을 주장할 수 있다.
탄소의 다양한 신규 구조 형태에 의한 수소의 흡착은 최근 널리 주의를 끌고 있다. 높은 표면적은 탄소를 활성화시키고 또한 특정 알칼리-금속 흑연 삽입 화합물은 저온 저장 온도에서만 수소의 상당량을 가역적으로 흡착할 것이다. 따라서, 상기 계는 압축된 또는 액화된 수소의 용도에 있어서 실체적 또는 경제적 이점을 제공하지 않는다. Rodriquez 등의 미국 특허 5,653,951 (1997)는 탄소 나노섬유 및탄소 나노튜브를 포함하는 다양한 적층 탄소 나노구조로 수소의 저장을 청구한다. 수소 저장 데이터는 295 K, 3.5 psia H2압력에서 ~1.22 cc H2/g으로 흡수하는 탄소 나노섬유 물질을 위하여 제시될 뿐이다. 이것은 단지 0.01 중량% H2의 흡수에 상응하며, 그 성능은 임의의 실체적 용도를 위하여 너무 작다. 벌크 흑연은 탄소 나노섬유보다 표면적이 작으며, 매우 작은 H2성능을 나타내는 것으로 예측될 것이다.
최근, 문헌[Chambers, Rodriquez 등, J. Phys.Chem B 1998, 102, 4253]에서 비특이적 특정 기원의 탄소 나노 섬유 물질이 높은 H2압력하에서 수소를 50중량% 이상의 대량으로 가역적 흡착함을 보고하였다. 이러한 결과는 다른 문헌에 의하여 확인되지 않았으며, 다수의 문헌에서 직접적으로 주장되지 않았다. 참조 Rzepka, M. 등, J. Phys Chem B. (1998) 102, 10894.
문헌[A.C. Dilon 등, Nature Vol. 386, p. 379 (1997)]은 단일-벽 탄소 나노튜브(SWNT) 물질에 의하여 거의 주위 온도에서 수소의 비통상적 흡착에 대하여 보고한다. SWNT 물질은 약 12Å의 외부 직경 및 고도의 큰 길이-직경 비율을 갖는 흑연의 권취된 단일 시트로 실질적으로 구성된 탄소의 신규한 구조적 형태임이 상대적으로 최근에야 발견되었다. SWNT는 통상 함께 다발화되어서, 전자 현미경을 통하여 단축가능한 긴 섬유로서 나타나며, 선택적 산화 방법에 의하여 다른 성질이 개질될 수 았다. SWNT 물질은 높은 표면적에 기인하여, 활성탄과 유사하게, 낮은(극저온) 온도에서 H2를 흡착하는 것으로 예상된다. 그러나, Dilon 등의 주위-온도 H2흡착 결과는 최근 공개 문헌[Ye, Y. 등, Appl. Phys Lett. (1999) 74, 2307]에서 직접 논의가 되었다.
문헌[L. Aymard 등, J. Electrochem. Sco. (1999) 146, 2015]은 탄소 첨가제가 니켈-금속 혼성 배터리를 위한 다중-금속 합금의 전기 화학적 실행에 바람직한 영향을 주는 것으로 보여진다고 보고하고 있다. 여기서, 탄소는 그중에서도 특히 합금의 체적내로 수소의 확산을 조력하는 합금 전극내 간극에 혼합되어 있다. 문헌[K. Funaki 등, J. Alloys Comp.(1998) 270, 160]은 기계적 합금에 의하여 공지의 금속 수화물 형성 조성물인 MgNi내로 흑연을 도입하여 식 MgNiCx(x ≤1.31)의 합금 조성물을 산출하는 것을 제시하고 있다. MgNiCx의 수소화에서 금속에 대한 수소와 탄소의 원자비, (H+C)/M는 불변하며, 이는 금속 합금내 수화물 위치가 탄소 원자에 의하여 단순히 대체된다는 것을 시사한다. 따라서, 수소 저장 성능의 증가는 명백하지 않다. 문헌[G. Sandrock, J. Alloys Comp. (1999) 293-55, 877]은 Ti-Mn 라베스 상 합금에 황, 셀레늄 및 탄소, 비금속 원소의 특이적 첨가가 상기 합금의 H2저장 성능을 증가시키데 발판을 열었다고 보고한다.
J.A. Schwartz의 미국 특허 제4,716,736(1988)은 "수소의 금속 보조 냉저장"을 교시하고 있다. 여기서, 활성화된 고표면적 미세공극(실질적으로 흑연은 아님) 탄소에서 저온시 H2을 물리적으로 흡착하는 공지된 성능은 첨가된 고도의 확산성 전이 금속, 예를 들면 Pd, Pt 성분의 존재에 의하여 다소 향상된다고 한다. 그러나, 이러한 계의 유용성은 저온, 즉 273 K 이하로 제한된다; 제시된 실시예는 77 K 및85 K이다. 이론적으로는, H2분자는 탄소 표면상에 "방출되는(spill)" H 원자로서 금속상에 흡착된다. 따라서, 이러한 활성화된 수소는 물리적흡착된 H2로서 "활성탄상에 이용가능한 위치를 채워준다".
수소 스필오버의 개념은 화학적 수소화 반응에 사용되는 것으로서 지지된 금속 촉매, 특히 상기 계와의 기본 연구에서 그 유래를 찾을 수 있다[참조, P.A. Sermon 및 G.C., "Hydrogen Spillover", Bond, 약t. Rev. 8(2) 211 (1973)]. 금속은 이것의 표면상에 H2를 금속-H 원자 종으로 가역적으로 해리함으로써 "활성화" 산소의 역할을 한다. 그러나, 탄소 촉매(623 K에서 Pt/C, 473-573 K에서 Pt/Al2C3, 473 K에서 Pd/C, 및 Pt/WO3)상에 분산된 Pt를 가열시킴으로써, 흡착된 H2의 양은 단지 금속의 공지된 H2-흡착 성능을 초과한다. 다수의 연구가 일부 H2를 금속에서 지지체로 "스필오버"하는 이론에 대한 지지를 제공하지만, 이러한 "전이된" 수소의 성질은 현재 공지되어 있지 않다. 지지체상에서 이러한 수소의 양은 통상 매우 소량이어서, 금속에 결합된 모든 H에 대하여 단지 수개의 H일 뿐이다.
N. Rodriguez 및 T. Baker의 미국 특허 제6159538은 상승된 온도에서 불활성 기체로 처리된 흑연, 탄소 나노섬유, 다중-벽의 탄소 나노튜브 등을 포함하는 적층된 나노구조에 의한 H2-흡착의 선행 문헌[J. Phys. Chem B 1998, 108, 4253]에 대한 추가적 데이터를 제공한다. 물질이 1000 psia 내지 3000 psia 압력에서 수소를 유동시키는 경우 H2흡착이 일어나는 것으로 주장된다. 상기 특허는 나노물질의 층간의 간격을 증가시키는데 이용되는 적절한 금속의 소량으로 삽입되는 나노구조의 용도를 개시한다.
발명의 개요
본 발명은 탄소-금속 혼성 물질내에서 가역적인 흡착과 포획에 의한 수소의 수송 및 저장 방법이다. 이 방법은 탄소-금속 혼성 조성물을 약 14 psia 내지 약 2000 psia, 바람직하게는 20 내지 500 psia로 유지되는 압력 및 약 253 K 내지 473 K의 온도, 바람직하게는 273 K 내지 328 K의 온도에서 수소-함유 기체와 접촉시켜 탄소-금속 혼성 재료가 수소 기체를 흡착함으로써 저장한다. 차후에, 탄소-금속 조성물 중에 흡착된 수소는 1 psia에서 200 psia, 바람직하게는 14에서 50 psia로 H2압력을 저하시키고/거나 온도를 273에서 573 K, 바람직하게는 293 K에서 363 K로 상승시킴으로써 방출된다.
본 발명의 방법은 특정한 탄소-금속 혼성 물질의 주의깊은 선택과 함께 상기 제시된 특정 반응 조건에 따라서 가역적으로 수소를 흡착하게 한다. 본 발명의 처리 조건하에서, 본 발명의 탄소-금속 혼성 물질은 혼성체 각각의 성분의 성능의 합에 비해 큰 H2 흡착능을 나타내며, 또한 탈착에 의해 회복되기 전 용기내에 수소의 평형 분압 이상에서 무기한 수소가 탄소-금속 혼성 재료 중에 저장될 수 있게 한다.
도 1은 박리된 흑연과 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금의 혼성 조성물 샘플(실시예 1)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 2는 메소다공성 탄소 미세비드와 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금의 혼성 조성물 샘플(실시예 2)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 3은 메소다공성 탄소 미세비드와 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금의 혼성 조성물 샘플(실시예 2)상에서 수소의 298 K 흡착/탈착 등온 사이클을 플롯한 것이다.
도 4는 다중벽 탄소 나노튜브와 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금의 혼성 조성물 샘플(실시예 3)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 5는 흑연 나노섬유와 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금의 혼성 조성물 샘플(실시예 4)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 6은 흑연과 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금의 혼성 조성물 샘플(실시예 5)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 7은 흑연 나노섬유와 티타늄 금속의 혼성 조성물 샘플(실시예 6)로부터수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 8은 흑연 나노섬유와 바나듐 금속의 혼성 조성물 샘플(실시예 7)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 9는 흑연과 니켈 금속의 혼성 조성물 샘플(실시예 8)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 10은 흑연과 백금 금속의 1:1 혼성 조성물 샘플(실시예 9)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 11은 흑연과 팔라듐 금속의 혼성 조성물 샘플(실시예 10)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 12는 흑연과 루테늄 금속의 혼성 조성물 샘플(실시예 11)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 13은 90%티타늄/4%바나듐/6%알루미늄 합금 분말 샘플(비교 실시예 1)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 14는 티타늄 금속 분말 샘플(비교 실시예 2)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 15는 바나듐 금속 분말 샘플(비교 실시예 3)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 16은 팔라듐 금속 분말 샘플(비교 실시예 4)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 17은 기계적으로 분쇄된 흑연 분말 샘플(비교 실시예 5)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 18은 흑연과 마그네슘 금속의 혼성 조성물 샘플(비교 실시예 6)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
도 19는 활성탄 상의 10% 백금 금속 샘플(비교 실시예 7)로부터 수소의 온도 계획화 탈착(TPD)을 플롯한 것이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 유효한 가역적 흡착제로서 탄소-금속 혼성 조성물을 사용하는 방법 및 기체의 실제 저장용 재료에 대한 것이다.
탄소-금속 혼성 조성물의 탄소 부분은 "실질적으로 흑연 구조", 바람직하게는 단일-시이트 흑연 구조인데, 여기서 "흑연 구조"는 공액결합된 불포화 모든 탄소 방향족 구조를 포함하는 구조로서 정의된다. "실질적으로 흑연" 탄소의 적합한 예는 흑연 자체, 단일 시이트 흑연의 느슨한 조합체로 이루어진 박리된 흑연, 단일 시이트 흑연의 적절한 "접힘"에 의해 유도된 단일 벽 탄소 나노튜브 및 나노콘, 탄소 나노셀, 권취된 흑연 동심 시이트로 이루어진 다중벽 탄소 나노튜브, 섬유의 축에 대하여 급격한 각에서 또는 수직 방향으로 적재된 작은 흑연 시이트들을 포함하는 탄소 나노섬유, 메소다공성 및 미세다공성 탄소 미세비드, 및 주사 전자 현미경에 의해 보여지는 바와 같이 실질적으로 흑연화된 탄소 그을음을 포함한다.
탄소 금속 혼성 중합체의 금속 부분은 처리되는 온도 및 압력 범위내에서 수소와 가역적으로 반응할 수 있는 능력을 가져야 한다. 수소와의 반응은 통상 표면 또는 벌크 금속 수화물이 가역적으로 생성되면서 H2분자가 해리되는 방법일 것이다. 백금 족 금속, 즉 Pt, Pd, Ir, Rh, Ru 및 Os, 및 Ni 및 Co(이들 모두는 전이 금속 원소이다)뿐 아니라 이들 금속을 포함하는 합금은 통상 표면 수화물로부터 및 매우 고도의 분산액(극도로 작은 크기)에서 약 1H/금속 원자에 달하는 수소 흡착을 보인다. 이러한 족의 원소들 중 팔라듐은 다양한 혼성 상을 형성하면서 벌크 상태에서 상당한 양의 수소를 용해시킬 수 있다. 또한, 비교적 앞에 나오는 전이 금속 족, 즉 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 및 Cr 및 이들 금속을 포함하는 합금, 예를 들어 벌크 금속 수화물을 형성할 수 있는 Ti/V, Ti/V/Al, Fe/Ti, Fe/Cr/Mn, Zr/Fe/Cr이 유용하다. 또한, 전술한 금속의 전이 원소족의 금속 수화물과 탄소의 혼성 재료가 본 발명에 포함되는데, 상기 금속과 금속 합금 조합물은 H2와의 반응에 의해 수화되어 벌크 금속 수화물을 형성한 후 흑연 탄소와 결합된다. 이러한 것의 예로는 리뷰[G. Sandrock in J. of Alloys and Compounds, 293(1999) 877]에 기재된 바와 같은 LaNi5H6, CaNi5H6, MmNi3.5Co0.7AAl0.8Hx(Mm=Misch 금속, 란타나이드 족 원소의 혼합물), MmNi4.15Fe0.85Hx; TiMn1.4V0.62Hx 및 Ti0.98Zr0.02V0.47Hx가 있다. 선택된 금속 수화물 또는 금속 합금은 수소의 탈착 및 재흡착에 대하여 가역적이어서 동일계내의 반응 조건에서 탄소-금속 혼성체의 금속 또는 금속 합금 성분을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄소-금속 혼성체는 압력 및 온도 스윙 흡착 주기에 의해 정의된 바와 같이 유용한 H2흡착능을 보이는데, 이것은 혼성체의 개별적인 성분의 성능의 합보다 크다.
상기 탄소-금속 혼성체는 다수의 다른 방법에 의해 제조될 수 있는데, 예를 들어 2 이상의 성분의 물리적 화합물에 직접적인 기계적 연마(예를 들어, 볼 분쇄)와 같은 비교적 강력한 처리를 하거나, 국소 열 에너지 및 압축 에너지가 있는 초음파 에너지장에서 초음파처리하는 것이 있다. 초음파처리는 액체 매질 중에서 수행된다. 매질은 유리한 특성을 가질 수 있으며, 현탁된 금속 및 탄소 성분에 대한단지 물리적 지지체 이상으로 작용한다. 그러므로, 이것은 분말화를 조력할 수 있거나, 또는 흑연의 경우 박리를 조력할 수 있거나, 또는 화학적 수소 공급원으로서 작용할 수 있다. 통상적으로, 연마는 불활성 대기중에서, 수소의 존재하에서 또는 화학적 수소 공급원의 존재하에서 수행된다. 연마시에, 흑연의 탄소는 당업계에 교시된 바와 같이 활택제로서 단독으로 작용하는 것으로 의도되지는 않지만, 생성된 탄소-금속 혼성 조성물내에 혼입되는 것이 더 좋다.
대안으로서, 탄소-금속 혼성 조성물은 탄소 및/또는 금속(들)의 화학적 증기 침착법(CVD)를 사용하여 형성될 수 있다. 메탄, 에틸렌 및 아세틸렌을 포함하지만 이것만으로 제한되지 않는 탄소를 함유하는 기체는 다양한 금속 촉매의 존재 또는 부재하에 극초단파 플라스마 또는 레이저 에너지에 의해 열적으로 분해되어 실질적으로 흑연 탄소 재료를 형성할 수 있다. 탄소-금속 혼성체의 금속 성분(들)은 탄소를 함유하는 기체 분해용 촉매로서 사용될 수 있다. 금속(들)은 또한 흑연 탄소 형성에 동반되는 휘발성 금속 화합물의 CVD에 의해 도입되거나, 또는 이전에 형성된 흑연 구조 상에 침착될 수 있다.
또한, 용액 처리 방법은 탄소-금속 혼성 조성물을 형성하는 데 사용될 수 있다. 목적하는 금속 또는 금속들의 화합물 또는 염의 수성 또는 유기 용액을 단순한 교반 및/또는 용액 중의 가열에 의해 흑연 탄소로 도입할 수 있다. 금속 염 용액으로부터 분리된 흑연 탄소는 감압하에서, 불활성 대기하에서, 또는 환원된 대기(예를 들어 수소, 메탄)하에서 가열에 의해 환원될 수 있다.
생성된 탄소-금속 혼성 조성물은 벌크 농도의 금속 또는 금속 합금을 함유할것이고, 상기 금속 또는 금속 합금은 탄소-금속 조성물의 1 내지 80%(w/w)를 구성하고, 결정성 금속 격자의 간극 부위에서 금속 카바이드 도메인 또는 탄소 원자가 실질적으로 없다. 혼성 조성물의 밸런스는 구조상으로 실질적으로 흑연인 탄소 물질로 이루어질 것이다. 두가지 중요한 필수조건은, 탄소가 실질적으로 흑연 구조를 가져야 한다는 것과, 탄소가 밀접하게 접촉해 있는 금속이 온도 및 H2압력의 처리 조건에서 수소와 가역적으로 반응할 수 있어야 한다는 것이다. 금속과 H2의 반응은 작은 금속 입자와 기체의 표면 반응이거나 또는 벌크 금속 수화물을 형성시키는 반응일 것이다.
특정한 이론에 구속되기를 바라는 것은 아니지만, H2의 이러한 가역적인 혼입을 위한 한가지 가능성있는 메커니즘은 서먼(P. A. Sermon)에 의해 기술된 바와 같은 "H2-스필오버(spillover)" 현상이다. 이 메커니즘은 금속 표면 상에 원자로서 수소를 해리적으로 흡착한 후 이를 지지체 상에서 방출하는 것을 수반한다.
우리의 H2-반응성 탄소-금속계에 대한 두번째, 그리고 더욱 한정된 가능한 메커니즘은 흑연 탄소가 실제로 금속에 의해 촉매화된 화학적 수소화를 거쳐서 그것의 공액결합된 흑연 또는 방향족계(여기서 탄소 원자는 실질적으로 sp2혼성임)를 하나의 H-원자가 각각의 탄소에 첨가되어 실질적으로 포화된 구조(sp3혼성 전자 구조를 가짐)로 전환시키는 것이다. 기본적인 예는 각각의 C 원자에 대한 1H의 첨가반응, 즉 Cn에서 (C-H)n로의 첨가 반응에 의한 흑연의 수소화이다. VASP(Vienna Ab initio Simulation Package) 및 DMol(Molecular Simulation Inc. 1990, Version 4.6)를 사용하는 고농도 ab initio 양자 역학 방법에 의한 계산치에 의해 흑연 에너지 변화, 각각 -7.3 kcal/mol H2과 -8.5 kcal/mole H2의 이러한 수소화를 예측할 수 있다. 양자의 값은 바람직한 처리, 즉 수소화된 흑연이 각각 7.3 및 8.5 kcal/mole H2각각에 의해 보다 안정할 것이지만, 너무나 불안정하여 가열에 의해 가역적인 것을 제외할 수 없음을 의미한다. 비교를 위해, 298 K에서 벤젠의 사이클로헥산으로의 수소화열(완화한 가열에 의해 용이하게 역전될 수 없는 공정)은 -16.3 kcal/mole H2이다. 우리는 흑연의 이러한 촉매적 수소화에 대한 어떤 보고도 알고 있지 않다. 그러나, 액체 암모니아 중에서 리튬 금속과의 반응에 의한 탄소 나노튜브 및 흑연의 화학적 비촉매적 환원은 최근 문헌[S. Pekker, J.P. Salvetat, E. Jakab, J. M. Bonard] 및 문헌[L. Forro,J. Phys. Chem B; 2001; 105(33); 7938-7943]에 소개된 바 있다.
본 명세서에 기재된 탄소-금속 혼성 조성물은 수소의 가역적 저장에 유용하다. 수소의 가역적 저장 및 방출을 위한 특정한 처리는 탄소-금속 혼성 조성물을 함유하는 적당한 저장 용기와 결합된다. 용기는 액체 내용물로부터 및 그것으로의 열 전이를 촉진하도록 고안된다. 용기는 불활성 기체의 공급원 및 순수한 기체 수소의 공급원인 진공-펌프 장치에 연결되는데, 여기서 수소는 소정의 압력에서 용기에 전달된다. 용기의 압력은 표준 냉각(예를 들어, 극저온 기체/액체/고체 또는 냉장) 및 가열(예를 들어, 저항성 전기 또는 열 전달 매체) 처리를 사용함으로써 제어될 수 있다. 탄소-금속 혼성 조성물은 진공 또는 불활성 기체 유동하에서 가열에 의해 수소 흡착을 위해 활성화될 수 있다. 수소는 기체 수소의 소정의 평형압이 존재할 때까지 저장 용기내로 주입된다.
통상적으로, 탄소-금속 혼성 조성물과 H2기체의 접촉 시간은 약 0.5 내지 120분일 수 있지만, 사용된 특정 반응 조건 및 특정 탄소-금속 혼성 조성물에 따라 더 짧거나 긴 접촉 시간이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 이들 조건하에서 탄소-금속 혼성 조성물은 수소의 평형 분압 이상에서 0.1 내지 10 wt%의 수소를 무기한 저장할 수 있다.
용기로부터 수소의 제어된 방출은 용기내에서 기체 수소의 평형압을 저하시켜, 일정한 거의 주변 용기 온도에서 용기로부터 최종 사용시까지 기체 수소를 공급함으로써 수행될 수 있다. 대안으로서, 용기를 가열하여 그 결과 최종 사용시까지 공급될 수 있는 기체 수소의 압력을 증가시키거나, 또는 어떤 경우 압력 저하와 온도 상승의 조합에 의해 수소가 방출될 수 있다. 저장된 수소의 부분/완전 방출시, 기체 수소의 소정의 평형압이 재형성될 때까지 소정의 온도로 용기를 유지하기 위해 가열/냉각하면서 저장 용기로 수소를 도입함으로 재충전될 수 있다. 필요에 따라 최적의 성능을 유지하기 위해 진공 또는 불활성 기체 유동 하에서 가열함으로써 탄소-메틸 혼성 조성물의 재활성화를 수행할 수 있다.
전술한 일반적인 처리 단계에 따라서, 실제 H2의 함유 또는 저장은 (a) H2-압력 스윙법, (b) 온도-스윙법 또는 (c) 상기 둘의 조합에 의해 수행될 수 있다.
따라서, 압력-스윙법에서 H2는 14 psia 내지 2000 psia, 바람직하게는 20 psia 내지 500 psia의 H2분압에서 흡착제를 함유하는 용기내로 도입되고, 동일한 온도이지만 보다 낮은 압력 범위, 1 psia 내지 200 psia, 바람직하게는 14 psia 내지 50 psia에서 탈착된다.
온도-스윙법에서, H2는 253 K 내지 273 K, 바람직하게는 273 K 내지 323 K에서 흡착제와 접촉되고, 동일한 압력이지만 보다 높은 온도, 273 K 내지 573 K, 바람직하게는 293 K 내지 363 K에서 탈착된다.
압력-온도 스윙법이 조합된 것이 더욱 바람직한데, 이 때 흡착은 14 psia 내지 2000 psia, 바람직하게는 20 psia 내지 500 psia의 H2분압, 및 253 K 내지 473 K, 바람직하게는 273 K 내지 323 K의 온도에서 일어날 것이고; H2회수 및 탈착은 1 psia 내지 200 psia, 바람직하게는 14 psia 내지 50 psia의 H2분압 및 273 K 내지 573 K, 바람직하게는 293 K 내지 363 K의 온도에서 일어난다. 그러나, 탈착 온도가 유의성있을 정도로 더 높은 경우에 한해 기체가 도입되는 것과 동일하거나 더 높은 압력하에서 탈착이 일어나는 조건도 있을 수 있다. 또한, 탈착은 압력이 초기 H2흡착에 비해 유의성있을 정도로 낮다면 흡착에 비해 동일하거나 보다 낮은 온도에서 일어날 수 있다. 온도-압력 스윙법에 있어서 가장 바람직하고 양호한 조건은 H2 흡착이 보다 높은 압력과 보다 낮은 온도의 조합(30 psia 내지 500 psia, 및 283 K내지 323 K)에서 일어나며, 차후 탈착에 의한 H2회수는 보다 낮은 압력 및 보다 높은 온도(15 psia 내지 25 psia 및 333 K 내지 363 K)에서 일어나는 경우일 것이다.
하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 예시하게 위하여 제시되며, 이것에 의해 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1 : 박리된 흑연 + Ti/V/Al 합금
흑연 샘플(1-2 ㎛의 입도, Aldrich) 20 mg을 5.0 M 질산(50 ml) 중에 현탁시켰다. 이 현탁액을 1/2 인치의 침지 탐침(Sonics and Materials, Inc., VC 750)을 사용하여 288 K(현탁액은 자켓식으로 된 유리 바이알 중에 존재하였고, 냉각수가 자켓을 통해 연속적으로 순환하여 온도를 완화하게 조절하였다) 및 50 W/cm2의 힘으로 16시간동안 초음파처리하였다. 생성된 암회색의 현탁액을 여과하고(0.1㎛ 알루미나 필터), 여과물의 pH가 5 보다 크게 될 때까지 탈이온수로 세척하였다. 회색의 고체를 아세톤으로 세척하고, 373 K의 진공하에서 2시간동안 건조하였다. 건조 후의 중량은 35 mg이었다, 고체의 주사 전자 현미경에 의해 직경이 약 1 ㎛인 금속 입자의 존재를 확인하였다. 이들 금속 입자는 초음파처리 전 흑연 중에는 존재하지 않았다. 질산 중에서 초음파처리하는 동안 흑연 입자는 작은(약 0.05 x 1 x 1 ㎛) 판모양의 흑연으로 박리되었다. 초음파처리시 탄소의 손실이 무시할 정도라고 가정하면, 샘플 조성물은 43%(w/w) 탄소 및 57% 90Ti/6Al/4V 합금인 것으로 생각된다. 샘플을 이것과 직접 접촉해 있는 열전쌍(熱電雙)이 장착된 기지의 체적을 가진 석영 셀에 놓았다. 샘플을 진공하(1 x 10-4torr) 1023 K에서 1시간동안 활성화시키고, 방치하여 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 고순도(99.999 + %)의 수소가 기지 체적으로부터 제거된 샘플 셀내로 팽창되어, 약 10 psia의 초기 수소압이 얻어졌다. 계의 압력을 1초 간격으로 기록하면 샘플에 의한 수소 흡착에 상응하는 압력의 감소가 관찰되었다. 계가 평형압에 도달한 후, 셀을 수소 대기하에서 77 K로 냉각시켰다. 샘플을 77 K에서 유지하면서, 셀로부터 수소를 배출하였다(총 배기 시간 15분). 이어서, 하기의 절차에 따라 온도 계획화 탈착(temperature programmed desorption; TPD) 실험을 수행하였다 : 샘플을 77 K로부터 약 1000 K까지 일정한 속도로 가온하였다. 가열하는 동안에, 샘플 셀은 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에 있었다. 동시에, 셀내의 압력 변화를 감압성 변환기를 사용하여 기록하였고, 질량 분광분석기(또한 수소 이외의 기체의 방출 분석에 사용됨)를 사용하여 기상 수소 이온 총계를 기록하였다. TPD 실험 결과(도 1)는 3가지 온도에서 수소 탈착의 존재를 보여준다. 수소 방출은 77 내지 180 K의 온도에서 관찰된다. 이는 물리흡착된(physisorbed) 수소와 일치하고, 박리된 흑연/금속 혼성체 중에 일부 미소세공의 존재를 암시한다. 두번째의 실질적인 수소 방출 피크는 240 내지 500 K의 온도에서 관찰된다. 이 피크는 순수한 박리된 흑연 또는 순수한 90Ti/6Al/4V 합금에서는 관찰되지 않는다. 세번째 수소 방출 피크는 약 750 K에서 기록된다. 이 피크는 약 1 ㎛의 입도를 가진 순수한 90Ti/6Al/4V 샘플과 유사하므로, 이는 90Ti/6Al/4V 합금으로부터의 수소 박리과 완전히 일치한다. TPD 실험동안에 수소 이외의 다른 기체는 검출되지 않았다.
실시예 2 : 메소다공성 탄소 미세비드 + Ti/V/Al 합금
메소다공성 탄소 미세비드 샘플(세공 크기 약 80 nm) 5 mg을 5.0 M 질산(50 ml)중에 현탁시켰다. 이 현탁액을 1/2 인치의 침지 탐침(Sonics and Materials, Inc., VC 750)을 사용하여 288 K(현탁액은 자켓식으로 된 유리 바이알 중에 존재하였고, 냉각수가 자켓을 통해 연속적으로 순환하여 온도를 완화하게 조절하였다) 및 50 W/cm2의 힘으로 16시간동안 초음파처리하였다. 생성된 암회색의 현탁액을 여과하고(0.1㎛ 알루미나 필터), 여과물의 pH가 5 보다 크게 될 때까지 탈이온수로 세척하였다. 회색의 고체를 아세톤으로 세척하고, 373 K의 진공하에서 2시간동안 건조하였다. 건조 후의 중량은 20 mg이었다, 고체의 주사 전자 현미경에 의해 직경이 약 1 ㎛인 금속 입자 및 작은(직경 약 100 nm) 탄소 입자의 존재를 확인하였다. 이들 금속 입자는 초음파처리 전 탄소 미세비드 중에는 존재하지 않았다. 작은 탄소 비드는 금속 입자의 표면을 피복하고 있는 것처럼 보인다. 초음파처리시 탄소의 손실이 무시할 정도라고 가정하면, 샘플 조성물은 25%(w/w) 탄소 및 75% 90Ti/6Al/4V 합금인 것으로 생각된다. 샘플을 이것과 직접 접촉해 있는 열전쌍이 장착된 기지의 체적을 가진 석영 셀에 놓았다. 샘플을 진공하(1 x 10-4torr) 1023 K에서 1 시간동안 활성화시키고, 방치하여 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 고순도(99.999 + %)의 수소가 기지 체적으로부터 제거된 샘플 셀내로 팽창되어, 약 10 psia의 초기 수소압이 얻어졌다. 계의 압력을 1초 간격으로 기록하면 샘플에 의한 신속한 수소 흡착에 상응하는 압력의 감소가 관찰되었다. 계가 평형압에 도달한 후, 셀을 수소 대기하에서 77 K로 냉각시켰다. 샘플을 77 K에서 유지하면서, 셀로부터 수소를 배출하였다(총 배기 시간 15분). 이어서, 하기의 절차에 따라 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다 : 샘플을 77 K로부터 약 800 K까지 일정한 속도로 가온하였다. 가열하는 동안에, 샘플 셀은 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에 있었다. 동시에, 셀내의 압력 변화를 감압성 변환기를 사용하여 기록하였고, 질량 분광분석기(또한 수소 이외의 기체의 방출 분석에 사용됨)를 사용하여 기상 수소 이온 총계를 기록하였다. TPD 실험 결과(도 2)는 3가지 온도에서 수소 탈착의 존재를 보여준다. 소량의 수소 방출이 77 내지 200 K의 온도에서 관찰된다. 이는 물리흡착된 수소와 일치하고, 메소다공성 탄소 미세비드-금속 혼성체 중에 일부 미소세공의 존재를 암시한다. 두번째의 매우 날카로운 수소 방출 피크는 240 내지 360 K의 온도에서 관찰된다. 이 피크는 순수한 메소다공성 탄소 미세비드 또는 순수한 90Ti/6Al/4V 합금에서는 관찰되지 않는다. 세번째 수소 방출 피크는 500 내지 700 K에서 기록된다. 이 피크는 약 1 ㎛의 입도를 가진 90Ti/6Al/4V 합금으로부터의 수소 탈착과 완전히 일치한다. TPD 실험동안에 수소 이외의 다른 기체는 검출되지 않았다. 흡착/탈착 수소 등온 사이클(도 3)는 0.03 내지 14.9 psia의 압력 및 298 K의 메소다공성 탄소 미세비드-금속 혼성 조성물 상에서 기록되었다. 이는 본 발명의 조성물에 있어서 주변 온도에서 가역적 수소 흡착을 설명한다.
실시예 3 : 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT) + Ti/V/Al 합금
MWNT 샘플(-300 메쉬, Materials and Electrochemical Research, Inc.) 25 mg을 5.0 M 질산(50 ml) 중에 현탁시켰다. 이 현탁액을 1/2 인치의 침지 탐침(Sonics and Materials, Inc., VC 750)을 사용하여 288 K(현탁액은 자켓식으로된 유리 바이알 중에 존재하였고, 냉각수가 자켓을 통해 연속적으로 순환하여 온도를 완화하게 조절하였다) 및 50 W/cm2의 힘으로 16시간동안 초음파처리하였다. 생성된 암회색의 현탁액을 여과하고(0.1㎛ 알루미나 필터), 여과물의 pH가 5 보다 크게 될 때까지 탈이온수로 세척하였다. 회색의 고체를 아세톤으로 세척하고, 373 K의 진공하에서 2시간동안 건조하였다. 건조 후의 중량은 55 mg이었다, 고체의 주사 전자 현미경에 의해 직경이 약 1 ㎛인 금속 입자의 존재를 확인하였다. 이들 금속 입자는 초음파처리 전 MWNT 중에는 존재하지 않았다. 초음파처리시 탄소의 손실이 무시할 정도라고 가정하면, 샘플 조성물은 45%(w/w) 탄소 및 55% 90Ti/6Al/4V 합금인 것으로 생각된다. 샘플을 이것과 직접 접촉해 있는 열전쌍이 장착된 기지의 체적을 가진 석영 셀에 놓았다. 샘플을 진공하(1 x 10-4torr) 1023 K에서 1시간동안 활성화시키고, 방치하여 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 고순도(99.999 + %)의 수소가 기지 체적으로부터 제거된 샘플 셀내로 팽창되어, 약 10 psia의 초기 수소압이 얻어졌다. 계의 압력을 1초 간격으로 기록하면 샘플에 의한 신속한 수소 흡착에 상응하는 압력의 감소가 관찰되었다. 계가 평형압에 도달한 후, 셀을 수소 대기하에서 195 K로 냉각시켰다. 샘플을 195 K에서 유지하면서, 셀로부터 수소를 배출하였다(총 배기 시간 10분). 이어서, 하기의 절차에 따라 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다 : 샘플을 195 K로부터 약 1000 K까지 일정한 속도로 가온하였다. 가열하는 동안에, 샘플 셀은 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에 있었다. 동시에, 셀내의 압력 변화를 감압성 변환기를 사용하여 기록하였고, 질량 분광분석기(또한 수소 이외의 기체의 방출 분석에 사용됨)를 사용하여 기상 수소 이온 총계를 기록하였다. TPD 실험 결과(도 4)는 2가지 온도에서 수소 탈착의 존재를 보여준다. 수소 방출 피크는 240 내지 380 K의 온도에서 관찰된다. 이 피크는 순수한 MWNT 또는 순수한 90Ti/6Al/4V 합금에서는 관찰되지 않는다. 두번째의 수소 방출 피크는 500 내지 800 K에서 기록된다. 이 피크는 약 1 ㎛의 입도를 가진 순수한 90Ti/6Al/4V합금으로부터의 수소 탈착과 완전히 일치한다. TPD 실험동안에 수소 이외의 다른 기체는 검출되지 않았다.
실시예 4 : 흑연 나노섬유 + Ti/V/Aㅣ 합금
흑연 나노섬유 샘플(직경 150 nm; 길이 1 ㎛) 1.0 g 및 90Ti/6Al/4V 합금(Cerac, Inc.;-50 메쉬) 1.0 g을 4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼이 있는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄 바이알에 놓았다. 이 혼합물을 아르곤 대기하, 실온에서 16시간동안 볼 분쇄하였다(Model 8000D; Spex, Inc). 아르곤 글로브박스내에서 텅스텐 카바이드 바이알로부터 상기 샘플을 제거하고, 샘플의 일부를 샘플과 접촉하는 열전쌍이 장착된 기지 체적의 석영 셀 내부에 놓았다. 샘플을 진공(1 x 10-4torr)하 1023 K에서 1시간동안 활성화시키고, 방치하여 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 고순도(99.999 + %)의 수소가 기지 체적으로부터 제거된 샘플 셀내로 팽창되어, 약 10 psia의 초기 수소압이 얻어졌다. 계의 압력을 1초 간격으로 기록하면 샘플에 의한 신속한 수소 흡착에 상응하는 압력의 감소가 관찰되었다. 계가 평형압에 도달한 후, 셀을 수소 대기하에서 77 K로 냉각시켰다. 샘플을 77 K에서 유지하면서, 셀로부터 수소를 배출하였다(총 배기 시간 10분). 이어서, 하기의 절차에 따라 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 샘플을 77 K로부터 약 825 K까지 일정한 속도로 가온하였다. 가열하는 동안에, 샘플 셀은 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에 있었다. 동시에, 셀내의 압력 변화를 감압성 변환기를 사용하여 기록하였고, 질량 분광분석기(또한 수소 이외의 기체의 방출 분석에 사용됨)를 사용하여 기상 수소 이온 총계를 기록하였다. TPD 실험 결과(도 5)는 3가지 온도에서 수소 탈착의 존재를 보여준다. 수소 흡착 피크는 약 77 내지 200 K의 온도에서 관찰된다. 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플에서 통상적으로 관찰되는 것이며(비교 실시예 5 및 도 17 참조), 이는 기계적 분쇄에 의해 생겨난 미세다공성 부위에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 두번째의 수소 방출 피크는 250 내지 400 K에서 관찰된다. 이 피크는 순수한(금속이 없는) 분쇄된 흑연 또는 90 Ti/6Al/4V 합금에서는 관찰되지 않는다. 세번째 수소 방출 피크는 500 내지 800 K에서 기록된다. 이 피크는 90Ti/6Al/4V합금으로부터의 수소 탈착과 완전히 일치한다(비교 실시예 1 및 도 13 참조). 이 피크에서 소량의 메탄이 함께 방출된다.
실시예 5: 흑연 + Ti/V/Al 합금
12개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 샘플(Alfa Aesar: 2-15 ㎛의 입도) 및 1.0 g의 90Ti/6Al/4V 합금(Cerac, Inc.: -50 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 1 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(Pulverisett 7, Fritsch). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 1023 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 900 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 6)는 2가지 온도 범위 내에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 77-200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크는 300-450 K의 온도 범위에서 관찰된다. 이 피크는 순수한(금속이 없는) 분쇄 흑연 또는 90Ti/6Al/4V 합금의 경우에는 관찰되지 않는다.
실시예 6: 흑연 나노섬유 + 티탄 금속
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 나노섬유 샘플(150 nm의 직경, 1 ㎛의 길이) 및 1.0 g의 티탄 금속 분말(Alfa Aeser: -325 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 20 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 573 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 500 torr의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 900 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 7)는 2가지 온도 범위 내에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 77-200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크는 250-350 K의 온도 범위에서 관찰된다. 이 피크는 순수한(금속이 없는) 분쇄 흑연 또는 티탄 금속 분말의 경우에는 관찰되지 않는다. 티탄 금속 분말(-325 메쉬)은 800 K 초과 온도에서 수소 탈착 피크를 나타낸다(비교예 #2 및 도 14 참조). 메탄 및 일산화탄소 불순물은 200-600 K 사이에서 관찰된다.
실시예 7: 흑연 나노섬유 + 바나듐 금속
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 나노섬유 샘플(150 nm의 직경, 1 ㎛의 길이) 및 1.0 g의 바나듐 금속 분말(Acros Organics: -200 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 18 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 1023 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 775 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 8)는 2가지 온도에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 77-200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크는 250-600 K의 온도 범위에서 관찰된다. 이 피크는 순수한(금속이 없는) 분쇄 흑연 또는 바나듐 금속 분말의 경우에는 관찰되지 않는다. 바나듐 금속 분말(-200 메쉬)은 310 K 및 510 K의 2가지 온도에서 수소 탈착 피크를 나타낸다(비교예 #3 및 도 15 참조).
실시예 7(a): 흑연 나노섬유 + 바나듐 금속
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 나노섬유 샘플(150 nm의 직경, 1 ㎛의 길이) 및 1.0 g의 티탄 금속 분말(Acros Organics: -200 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 18 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 1023 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 900 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 8)는 2가지 온도에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 77-200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크는 225-600 K의 온도 범위에서 관찰된다. 이 피크는 순수한(금속이 없는) 분쇄 흑연 또는 바나듐 금속 분말의 경우에는 관찰되지 않는다. 순수한 바나듐 금속 분말(-200 메쉬)은 300 K 및 510 K의 2가지 온도에서 수소 탈착 피크를 나타낸다(비교예 #3 및 도 15 참조). TPD 실험 후, 진공(1 ×10-4torr)하에 1023 K에서 1 시간 동안 샘플을 재활성화시키고, 헬륨 대기 하에 고압 흡착 시험 장치로 수송하기 전에 실온으로 냉각시켰다. 실온에서 10 분 동안 진공에 노출시킨 후, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀로 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 150 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 재흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다.
실시예 8: 흑연 + 니켈
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 샘플(Alfa Aesar, 2-15 ㎛의 입도) 및 1.0 g의 니켈 분말(Acros Organics: -100 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 20 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 673 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서,하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 625 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 9)는 2가지 온도 범위에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 77-200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크 세트는 225-600 K의 온도 범위에서 관찰된다. 이 피크는 순수한(금속이 없는) 분쇄 흑연 또는 니켈 분말의 경우에는 관찰되지 않는다(본 명세서에 논의된 내용 참조). 2개의 메탄 피크는 300K 및 525 K에서 명확하다.
실시예 9: 흑연 + 백금 1:1
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 샘플(Aldrich, 1-2 ㎛의 입도) 및 1.0 g의 백금 분말 (Acros Organics: 0.17-4 ㎛)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 24 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 973 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 625 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 10)는 2가지 온도 범위에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 100-200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크 세트는 300-500 K의 온도 범위에서 관찰된다. 메탄은 500 K에서 방출된다.
실시예 10: 흑연 + 팔라듐
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 샘플(Aldrich, 1-2 ㎛의 입도) 및 1.0 g의 팔라듐 분말 (Acros Organics)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 24 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 500 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 475 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 11)는 3가지 온도 범위에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 200 K에서 관찰된다. 수소 방출의 다른 피크는 250-350 K의 온도 범위에서 관찰된다. 수소 방출의 제3 피크는 400 K에서 관찰된다. 순수한 팔라듐 금속에 대한 TPD 스펨트럼은 200 K, 250K 및 300 K에서 나타난다(비교예 #4 및 도 16 참조). 메탄은 300 K의 온도 및 450 K를 초과하는 온도에서 방출된다.
실시예 11: 흑연 + 루테늄
4개의 텅스텐 카바이드 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 텅스텐 카바이드 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 샘플(Aldrich: 1-2 ㎛의 입도) 및 1.0 g의 루테늄 분말(Acros Organics: -200 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 20 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 텅스텐 카바이드 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 500 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소를 나타냈다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 625 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 12)는 2가지 온도 범위에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의피크는 약 150 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크 세트는 350-450 K의 온도 범위에서 관찰된다.
비교예 1: 90Ti-6Al-4V 합금
샘플에 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된 기지의 체적의 석영 셀 중에 0.175 g의 90Ti/6Al/4V 합금 샘플(Cerac, Inc.: -50 메쉬)을 넣었다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 샘플을 약 750 K로 가열하여, 수소 압력의 감소에 의해 검출될 경우 샘플의 수소화물화를 촉진시켰다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 100 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 100 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 5 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 100 K에서 약 900 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 13)는 500 K 이상의 온도에서만 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 675 K 및 750 K에서 관찰된다.
비교예 2: 티탄 분말
샘플에 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된 기지의 체적의 석영 셀 중에 0.2 g의 티탄 분말(Alfa Aesar: -325 메쉬)을 넣었다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 샘플을 약 700 K로 가열하여, 수소 흡수에 상응하는 수소 압력의 감소에 의해 검출될 경우 샘플의 수소화물화를 촉진시켰다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 298 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 298 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 5 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 298 K에서 약 800 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 14)는 600 K 이상의 온도에서만 수소 탈착을 나타낸다. 수소 탈착의 피크는 약 800 K 초과 온도에서 관찰된다.
비교예 3: 바나듐 분말
샘플에 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된 기지의 체적의 석영 셀 중에 0.56 g의 바나듐 분말 샘플(Acros Organics: -200 메쉬)을 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 800 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소가 나타났다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 5 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 775 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 15)는 약 300 K 및 500 K에서 수소 탈착에 대한 2개의 피크를 나타낸다.
비교예 4: 팔라듐 분말
샘플에 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된 기지의 체적의 석영 셀 중에 0.25 g의 팔라듐 분말 샘플(Acros Organics)을 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 500 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 1 초 간격으로 시스템의 압력을 기록하였는데, 샘플에 의한 신속한 수소 흡수에 상응하는 압력의 감소가 나타났다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 5 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 500 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 16)는 약 200 K, 250 K 및 330 K에서의 수소 탈착에 대한 3개 피크를 나타낸다.
비교예 5: 기계적으로 분쇄된 흑연 분말
4개의 지르코니아 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 지르코니아 분쇄용 바이알 중에 2.0 g의 흑연 샘플(Alfa Aesar: -325 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 6 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(모델 8000D: Spex, Inc.). 아르곤 장갑상자 내의 지르코니아로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 1023 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 서냉시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 10 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 425 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 17)는 샘플로부터의 수소 탈착에 대한 약 77-150 K에서의 단 1개의 피크를 나타낸다. 150 K 이상의 온도에서 수소의 탈착 속도의 증가는 검출할 수 없었다.
비교예 6: 흑연 + 마그네슘
4개의 스테인레스강 분쇄용 볼을 가지는 20 cc 스테인레스강 분쇄용 바이알 중에 1.0 g의 흑연 분말 샘플(Aldrich: 1-2 ㎛의 입도) 및 1.0 g의 마그네슘 금속 (Aldrich: -200 메쉬)을 넣었다. 아르곤 대기 하에 실온에서 20 시간 동안 상기 혼합물을 볼 분쇄하였다(Pulverisett 7, Fritsch). 아르곤 장갑상자 내의 스테인레스강 바이알로부터 샘플을 제거하고, 샘플과 직접 접촉하는 열전쌍이 장착된, 기지의 체적의 석영 셀 중에 샘플의 일부를 넣었다. 진공(1 ×10-4torr) 하에 523 K에서 1 시간 동안 샘플을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 수소 압력의 감소에 의해 샘플이 검출될 경우, 약 750 K로 샘플을 가열하여 샘플의 수소화물화를 촉진시켰다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 87 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 87 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 15 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 87 K에서 약 825 K로 샘플을가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 18)는 2가지 온도 범위 내에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착에 대한 저강도의 피크는 약 200 K에서 관찰된다. 통상, 이 피크는 금속의 부재하에 볼 분쇄된 흑연 샘플의 경우에 관찰되고(비교예 #5 및 도 17 참조), 기계적 분쇄에 의해 생성된 미세다공 부위 내에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 수소 방출의 제2 피크 세트는 650 K 및 820 K의 온도에서 관찰된다. 이 경우, 실시예 1-11(금속 성분이 전이 금속인 탄소/금속 혼성 조성물을 나타냄)에서 관찰된 바와 같은 상온 부근(250-400 K)에서의 수소 방출은 관찰되지 않았다. 알칼리토금속인 마그네슘은 상기 사용 조건 하에서 유용한 수소 저장용 탄소/금속 혼성 조성물을 형성시키지 않는다.
비교예 7: 활성화된 탄소 + 백금
진공(1 ×10-4) 하에 523 K에서 1 시간 동안 넓은 표면적의 활성화된 탄소 상의 1.5 g의 10%(w/w) 백금 샘플(1nm의 금속 입도)을 활성화시키고, 실온으로 냉각시켰다. 실온에서, 기지의 체적으로부터 진공 샘플 셀에 고순도(99.999+%)의 수소를 팽창시켜 약 10 psia의 초기 수소 압력을 부여하였다. 상온에서 수소 흡수가 검출되지 않았다. 약 525 K로 샘플을 가열하여 샘플의 수소화물화를 촉진시켰으나, 이 온도에서 검출가능한 수소 흡착이 없음이 입증되었다. 시스템이 평형 압력에 도달한 후, 수소 대기 하에서 77 K로 셀를 냉각시켰다. 샘플을 77 K로 유지시키는 동안, 셀로부터 수소를 배출시켰다(총 배기 시간 2 분). 이어서, 하기 방법을 사용하여 온도 계획화 탈착(TPD) 실험을 수행하였다: 일정한 속도로 77 K에서 약 570 K로 샘플을 가온시켰다. 이 가열 기간 중, 터보-분자 펌프로부터 동적 진공 하에서 샘플 셀를 유지시켰다. 동시에, 감압성 변환기를 사용하여 셀 내의 압력 변화를 기록하고, 질량 분석계를 사용하여 기체상 수소 이온 수를 기록하였다(상기 질량 분석계는 수소 이외의 기체의 방출 분석에도 사용됨). TPD 실험의 결과(도 19)는 1가지 온도 범위 내에서 수소 탈착의 존재를 나타낸다. 수소 탈착에 대한 피크는 약 87-200 K에서 관찰된다. 이 피크는 활성화된 탄소 내의 미세다공 부위에 물리적으로 흡착된 수소의 탈착에 기인한다. 이 경우, 실시예 1-11(금속 성분이 전이 금속인 탄소/금속 혼성 조성물을 나타냄)에서 관찰된 바와 같은 상온 부근(250-400 K)에서의 수소 탈착 피크는 관찰되지 않았다. 본 발명의 샘플 내의 활성화된 탄소는 실질적으로 흑연 구조(흑연 구조: 공액된 불포화 방향족)를 기지지 않으며, X선 분말 회절 패턴으로 [002] 반사를 나타내지 않는다.
실시예의 논의
5개의 흑연 탄소는 초음파 분쇄기 및 볼 분쇄 기법을 사용하여 90Ti/6A/4V 합금의 소형 입자와 완전히 배합되었다. 실시예 1-5에서, 온도 계획화 탈착(TPD)은 250-400 K의 온도 범위에서 이러한 혼합물로부터 흡착된 수소의 탈착을 보여준다. 비교예 1에서 제시된 바와 같이, 수소에의 유사한 노출 및 이어서 순수한 90Ti/6Al/4V 합금상에서의 온도 계획화 탈착은 수소의 에너지 효율적 저장에 적합하지 않은 500 K 이상에서만 수소 탈착을 보여준다. 비교예5에서는 기계적 분쇄된 흑연 샘플이 150 K 이하에서만 TPD 동안 수소 탈착을 보여준다. 이는 에너지 집중성 극저온 또는 냉장 시스템에 필요하기 때문에 수소의 효율적 저장을 위하여 부적절하다.
실시예 6은 순수한 티타늄 금속으로 유사한 효과를 나타낸다. TPD는 약 300 K에서 흑연 나노섬유/티타늄 샘플에서 수소의 탈착을 나타낸다. 비교예 2에서, 수소화된 티타늄 금속(TiHx)으로부터 수소의 TPD는 600 K 이상에서 발생하여, 최대 탈착 비율은 750 K 초과에서 발생한다.
실시예 7 및 7(a)는 흑연 탄소와 바나듐 금속의 혼성 조성물이 각각 9.7 및 147 psia에서 수소를 흡착할 수 있고 250 K 내지 600 K의 온도에서 수소를 탈착할 수 있음을 보여준다. 비교예 3에서, 수화된 바나듐 금속(VHx)에서 수소의 TPD는 진공하에서 2개의 상이한 온도, 310 및 510 K에서 발생한다.
실시예 8은 흑연 탄소와 니켈 금속의 혼성 조성물이 15 psia 이하의 수소 압력 및 주위 온도에서 신속하게 수소(0.18 mmol/g)를 흡착할 수 있음을 보여준다. TPD동안 수소의 탈착은 350 K에서 일어난다. 탄소-지지된 니켈에 의한 수소 흡착에 관한 문헌은 고온이 통상 상기 규모의 수소 흡수에 필요함을 교시한다. 예를 들면, 활성탄상에서 10% Ni의 샘플은 673 K의 고온에서만 10분 이하로 수소 0.09 mmol/g을 흡착하고, 이러한 Ni/C 샘플로부터 수소의 TPD는 500 K에서 시작하고 900 K에서 절정에 달하는 수소 흡착을 나타낸다[Fujimoto, K.; Toyoshi, S. Stud. Surf.Sci.Catal. (1981) 7. 235]. 상기 온도는 본 발명에서 약 350 K의 탈착 온도보다 실질적으로 높고, 수소 저장을 위하여 적절하지 않다.
실시예 9는 흑연 탄소 및 백금의 혼성 조성물이 주위 온도에서 15 psia 이하의 수소 압력에서 신속하게(0.35 mmol/g) 수소를 흡착할 수 있다. TPD 동안, 수소의 탈착은 350-400 K에서 일어난다. 탄소-지지된 백금에 의한 수소 흡착에 관한 문헌은 고온이 수소의 흡수를 위하여 사용됨을 교시한다. 카본 블랙상의 백금(0.2-1%)은 623 K의 상승 온도 및 11.6 psia H2압력에서 60분에 걸쳐서 0.06 mmol/g으로 수소를 흡착한다[Robell, A. J.; Ballou, E.V.; Boudart, M.J. Phys. Chem. (1964) 68, 2748]. 탄소-지지된 백금(10 %w/w)은 294 K에서 14.7 psia H2압력에서 0.06 mmol/g으로 H2를 흡착하는 것으로 보고된다[Hunt, C.E. J. Catalysis (1971) 23, 93].
실시예 10은 흑연 탄소 및 백금의 혼성 조성물이 주위 온도 및 15 psia 이하의 수소 압력에서 수소를 신속하게(0.55 mmol/g) 흡착할 수 있다. TPD 동안 수소의 탈착은 150-400 K에서 일어난다. 탄소-지지된 백금에 의한 수소 흡착에 관한 문헌은 고온이 수소의 흡수를 위하여 사용됨을 교시한다. 탄소상 백금(5 % w/w)은 423 K의 상승 온도 및 1.9 psia H2압력에서 1시간 미만에 걸쳐서 0.24 mmol/g으로 수소를 흡착한다[Suzuki, S.; Suzuki, T. Bull. Chem. Soc. Japan (1965) 38, 2020]. 탄소상의 백금(5 %w/w)은 294 K에서 14.7 psia H2압력에서 본 발명보다 매우 적은양인 0.03 mmol/g으로 H2를 흡착하는 것으로 보고된다[Hunt, C.E. J. Catalysis (1971) 23, 93].
실시예 11은 흑연 탄소 및 루테늄 금속의 혼성 조성물이 주위 온도 및 15 psia 이하의 수소 압력에서 수소를 신속하게(0.15 mmol/g) 흡착할 수 있다. TPD 동안 수소의 탈착은 440-500 K에서 일어난다. 탄소-지지된 루테늄에 의한 수소 흡착에 관한 문헌은 수소의 매우 소량이 주위 온도에서 이미 흡착되었음을 교시한다. 고도의 표면적 흑연상 루테늄(1 % w/w)은 298 K 및 개시되지 않은 수소 압력에서 0.009 mmol/g으로 수소를 흡착하고, 이러한 샘플으로부터 수소의 TPD는 약 400 및 600 K에서 정상을 나타낸다[Badenes, P.; Daza, L.; Rodriguez-Ramos, I.; Guerrero-Ruiz, A. 촉매상에서 표면 종의 스필오버 및 이동(C. Li, Q. XIn, eds) 241면 (1997)].
실시예 탄소/금속 수소 압력(psia) 수소 흡수(mmol/g) 시간(분)
1 박리된 흑연/90Ti-6Al-4V 9.7 1.5 4.0
2 메소다공성 탄소/90Ti-6Al-4V 9.7 5.7 2.3
3 MWNT/90Ti-6Al-4V 9.7 3.9 5.9
4 흑연 나노섬유/90Ti-6Al-4V 9.7 0.43 5.0
5 흑연/90Ti-6Al-4V 9.7 0.13 7.7
6 흑연 나노섬유/티타늄 9.7 0.13 3.8
7 흑연 나노섬유/바나듐 9.7 0.23 100.5
7(a) 흑연 나노섬유/바나듐 147 0.88 37.2
8 흑연/니켈 9.7 0.18 5.6
9 흑연/백금 9.7 0.35 6.3
10 흑연/팔라듐 9.7 0.55 1.8
11 흑연/루테늄 9.7 0.10 7.3
본 발명의 방법은 특정한 탄소-금속 혼성 물질의 주의깊은 선택과 함께 상기 제시된 특정 반응 조건에 따라서 가역적으로 수소를 흡착하게 한다. 본 발명의 처리 조건하에서, 본 발명의 탄소-금속 혼성 물질은 혼성체 각각의 성분의 성능의 합에 비해 큰 H2 흡착능을 나타내며, 또한 탈착에 의해 회복되기 전 용기내에 수소의 평형 분압 이상에서 무기한 수소가 탄소-금속 혼성 재료 중에 저장될 수 있게 한다.

Claims (20)

  1. 탄소-금속 혼성 물질이 수소 기체를 흡수하는 수소 분압 및 온도 조건하에서 탄소-금속 혼성 물질과 수소-함유 기체를 접촉시킨 후 온도 및/또는 압력을 조정하여 탄소-금속 혼성 물질로부터 상기 수소 기체의 탈착을 야기시키는 단계를 포함하는 수소 기체를 가역적으로 흡착하는 방법으로서, 탄소-금속 혼성 물질이 수소와 가역적으로 반응하는 실질적인 흑연 탄소 성분 및 금속 또는 금속 합금 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질의 실질적인 흑연 탄소 성분은 흑연, 박리된 흑연, 단일 벽 탄소 나노튜브, 단일 벽 탄소 나노콘, 탄소-나노셀, 다중-벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노필름, 메소다공성 및 미세다공성 탄소 미세비드, 실질적인 흑연화된 탄소 그을음 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질의 실질적인 흑연 탄소 성분은 단일-시트 흑연 구조인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질의 금속 성분은 Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Ni, Co, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 금속을 함유하는 합금 또는 금속인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질의 금속 또는 금속 합금 성분은 수소와 반응하여 금속 수소화물을 형성한 후 실질적인 흑연 탄소 성분과 혼합되어 탄소-금속 혼성체를 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수소-함유 기체는 상기 혼성 물질이 상기 수소 기체를 흡착하는 수소 분압 14 psia 내지 2000 psia의 압력에서 용기중에 상기 탄소-금속 혼성 물질과 접촉하고, 이어서 용기내 압력은 온도의 조정없이 감소되어 탄소-금속 혼성 물질로부터 수소 기체를 탈착시키는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 용기내 압력은 약 1 psia 내지 200 psia로 감소되어 상기 수소 기체를 탈착시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수소-함유 기체는 상기 혼성 물질이 상기 수소 기체를 흡착하는 253 K 내지 473 K의 온도에서 용기내 상기 탄소-금속 혼성 물질과 접촉하고, 이어서 용기내 온도가 압력의 조정없이 증가하여 탄소-금속 혼성 물질로부터 수소 기체를 탈착시키는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 용기내 온도는 약 273 K 내지 573 K로 증가되어 상기 수소 기체를 탈착시키는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수소-함유 기체가 약 0.5 내지 120 분 동안 상기 탄소-금속 혼성 물질과 접촉하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질은 주위 또는 거의 주위 온도 및 압력 조건에서 0.1 내지 10 중량% 수소를 저장할 수 있는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질이 탄소-금속 혼성 물질의 중량을 기초로 1 내지 80%를 구성하는 체적 농도의 금속 또는 금속 합금을 함유하는 방법.
  13. 수소와 가역적으로 반응할 수 있는 실질적인 흑연 탄소 성분 및 금속 또는 금속 합금 성분을 포함하는 탄소-금속 혼성 물질을 사용하여 가역적으로 수소를 저장하는 방법으로서, 상기 방법은 수소-함유 기체를 상기 탄소-금속 혼성 물질이 흡착하는 253 K 내지 473 K의 온도 및 약 14 psia 내지 2000 psia의 수소 분압에서 저장 용기내에서 상기 탄소-금속 혼성 물질과 접촉시켜서 상기 수소 기체를 흡착한 후 약 1 psia 내지 200 psia로 수소 분압을 하강시키고 약 273 K 내지 573 K로 온도를 상승시켜 상기 탄소-금속 혼성 물질로부터 상기 수소 기체를 탈착시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 수소-함유 기체가 수소 분압 약 20 psia 내지 500 psia 및약 273 K 내지 323 K 온도에서 저장 용기내에서 탄소-금속 혼성 물질과 접촉되는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질은 상기 수소를 흡착하고, 수소 분압은 14 psia 내지 50 psia로 하강시키고 온도는 약 293 K 내지 363 K로 상승시켜 탄소-금속 혼성 물질로부터 수소 기체를 탈착시키는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질의 실질적인 흑연 탄소 성분은 흑연, 박리된 흑연, 단일 벽 탄소 나노튜브, 단일 벽 탄소 나노콘, 탄소 나노셀, 다중-벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노필름, 메소다공성 및 미세다공성 탄소 미세비드, 실질적인 흑연화된 탄소 그을음, 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질의 금속 성분은 Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Ni, Co, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 금속을 함유하는 합금 또는 금속인 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 수소는 이것이 탈착되기 전에 무기한 상기 탄소-금속 혼성 물질내에서 저장될 수 있는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질은 주위 조건에서 0.1 내지 10 중량% 수소를 저장하는 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 탄소-금속 혼성 물질내에 저장된 수소는 용이하게 이용가능한 수소의 공급을 제공하기 위하여 온도 및/또는 압력의 조건을 조절함으로써 필요시 탈착되고 회수될 수 있는 방법.
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