KR20110081377A - 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매 및 그 제조 방법 - Google Patents

알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20110081377A
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권세진
김태규
안두백
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응을 위한 수소 발생 촉매로써, 코발트(Co)와 붕소(B)가 결합한 화합물인 Co-B 촉매가 펠렛(pellet) 형태의 지지체에 담지된 것을 특징으로 하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 상기 펠렛 형태의 지지체는 Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택된 어느 하나인 것을 포함하며, 상기 코발트(Co)는 전체 촉매에 대하여 1 ~ 3wt% 함유되는 것을 포함한다. 또한, 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법은 a) 펠렛 형태의 지지체 내에 코발트 전구체를 알칼리 붕소수소화물 용액에 담지시키는 단계; b) 알칼리 붕소수소화물 용액에 담지된 코발트(Co)를 환원시키는 단계; c) 상기 펠렛 형태의 지지체에 담지된 코발트(Co)-붕소(B) 촉매를 얻는 단계; d) 상기 지지체에 담지된 Co-B 촉매를 건조 및 하소하는 단계;를 포함하여 제조된다.
상기에서 기술된 본 발명의 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매는 펠렛 형태를 갖기 때문에 반응기에 충전 및 재충전이 용이하고, 다양한 형태의 반응기에 적용이 가능하며, 제조공정 과정이 단순하고 대량 생산에 용이한 장점이 있다. 또한, 촉매 활성에 있어서도 귀금속 촉매인 Ru 촉매와 분말 형태의 Co-B 촉매의 활성을 상회하고 제조 방법이 간단하여 고가의 귀금속 촉매 및 분말 형태의 촉매를 대체할 수 있다.

Description

알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매 및 그 제조 방법{A Catalyst for hydrolysis reaction of alkaline borohydride and the preparation method thereof}
본 발명은 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응을 이용한 수소 발생을 위한 펠렛 지지체에 담지된 코발트-붕소(Co-B) 촉매 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 휴대용 기기의 동력원으로써 기존의 2차 전지를 대체할 수 있는 가장 가능성 있는 대안으로 주목받고 있다. 이는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있기 때문이다. 연료전지 동력원은 연료 공급 장치, 연료 전지 스택 및 전자 제어장치의 3 가지 구성요소로 이루어져 있는 것이 통상적이다. 휴대용 연료전지 동력원의 개발에 있어서 가장 주요한 걸림돌은 연료전지의 연료인 수소를 안전하게 저장하고 취급하는 것에 관한 문제점 및 그에 따른 위험성에 있다.
수소를 저장하는 방법으로는 고압 수소 저장 방법, 액화 수소 저장 방법, 금속 수소화물, 연료 개질 방법 등이 있으나, 이런 방법들은 저장 밀도, 안정성, 재충전 등의 문제점으로 인해 휴대용 연료전지에 적용하기 어렵다.
기존 수소 저장 방법들을 대체할 수 있는 대안으로는 알칼리 붕소수소화물을 화학식1에 나타낸 바와 같이 가수분해하여 수소를 발생시키는 방법이 있다. 화학식1은 알칼리 붕소수소화물 중 수소화붕소나트륨(NaBH4)의 가수분해 반응을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
NaBH4(aq) + 2H2O → 4H2 + NaBO2(aq) + 217kJ/mol
알칼리 붕소수소화물로부터 수소를 얻는 방식은 생성된 수소의 순도가 높고 반응 제어가 용이하다. 특히 수소화붕소나트륨은 상대적으로 높은 수소 함량을 가지고 있고 안정한 물질이며 불연성의 알칼리 용액으로 친환경적이고 재생 가능한 연료이다. 수소화붕소나트륨 수용액은 촉매가 없는 상태에서 스스로 가수분해 되는 것을 억제하기 위하여 강알칼리(pH >13) 용액으로 제조된다. 따라서 알칼리 수소화붕소나트륨은 촉매 반응을 통해서만 수소를 발생할 수 있다.
알칼리 수소화붕소나트륨 수용액에서 수소를 발생시키기 위해서는 촉매를 사용해야하는데, 일반적으로 백금(Pt)이나 루테늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매를 주로 사용하였다. 상기와 같은 귀금속 촉매는 경제성이 떨어지므로 귀금속 촉매를 대체하기 위해 코발트(Co)나 니켈(Ni)과 같은 분말형태의 촉매를 많이 연구되었으나, 분말형태의 촉매를 연속 반응 시스템에 적용할 경우 촉매의 유실이나 막히는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 고가의 귀금속 촉매 및 분말 형태의 촉매를 대체하기 위한 비귀금속 촉매를 사용함에 있어서, 반응기에 충전이 용이하고 수소 발생 성능이 우수하며, 제조 방법이 단순한 펠렛 형태의 지지체에 Co-B 촉매가 담지된 것을 특징으로 하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응을 위한 수소 발생용 촉매의 제조 방법에 있어서, a) Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유하는 지지체 내에 코발트 전구체를 담지시키는 단계; b) 알칼리 붕소수소화물 용액을 사용하여 담지된 Co를 환원시키는 단계; c) 상기 지지체에 담지된 코발트(Co)와 붕소(B)가 결합한 화합물인 Co-B 촉매를 얻는 단계; d) 상기 지지체에 담지된 Co-B 촉매를 건조 및 하소하는 단계;를 포함하여 제조한다.
상기 Co-B 촉매는 전체 촉매 무게 대비 Co 촉매의 무게 비율을 1~3wt%로 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 코발트 전구체는 CoCl2 , Co(CH3COO)2, Co(NO3)2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함한다.
상기 알칼리 붕소수소화물 용액은 소듐보로하이드라이드(NaBH4), 칼륨보로하이드라이드(KBH4) 또는 리튬보로하이드라이드(LiBH4)에서 선택된 어느 하나에 NaOH 또는 KOH를 용매에 혼합한 것이며, 상기 코발트 전구체는 알칼리 붕소수소화물 용액에 5 ~ 30wt% 함유되는 것을 포함한다.
또한, 상기 지지체에 담지된 Co-B 촉매를 건조 및 하소하는 단계는 질소, 아르곤, 헬륨 또는 수소 분위기 중에서 선택된 것을 포함하며, 상기 지지체에 담지된 Co-B 촉매의 하소는 200 ~ 300℃에서 실시하는 것을 포함한다.
상기 Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유하는 지지체는 펠렛(pellet)형태인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응을 위한 수소 발생용 촉매의 제조 방법에 있어서, 지지체는 Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유한다. 상기 Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유하는 지지체는 코발트(Co)-붕소(B)를 담지하기에 미세한 세공구조를 가지는 다공성 물질이기 때문에 표면적이 넓으며, 촉매를 균일하고 견고하게 담지할 수 있어 용이한 특성이 있는 것으로, 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응에 있어서 반응물이 세공구조를 통하여 촉매 활성점 까지 이동하는 것이 원활하고 가수분해 반응이 진행되는 동안 촉매의 유실을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
상기 지지체의 형태는 반응에 있어 용이한 형태라면 어떤 것이라도 가능하며, 보다 바람직하게는 펠렛 형태가 더 좋다. 펠렛 형태의 지지체는 반응기에 충전 및 재충전이 용이하고 다양한 형태의 반응기에 적용이 가능하다. 또한, 펠렛 형태의 촉매는 대량 생산에 용이하므로 제조 단가를 낮출 수 있다.
상기 코발트 전구체는 CoCl2 , Co(CH3COO)2, Co(NO3)2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 CoCl2을 사용하는 것이 좋다.
또한, 코발트(Co)는 전체 촉매 무게 대비 Co 촉매의 무게 비율을 1 ~ 3wt%로 하는 것이 좋으며, 바람직하게는 2.0 ~ 2.5wt%가 좋다. 상기 Co 촉매의 무게 비율이 1wt% 미만일 경우, 촉매 발현 효과가 충분하지 못하며, 3wt% 초과일 경우, 단위 촉매 당 수소 발생량이 감소하여 불필요하게 촉매를 소모하게 된다.
다음으로, 상기 코발트 전구체를 담지시킨 지지체는 알칼리 붕소수소화물 용액을 사용하여 담지된 코발트(Co)를 환원시킨다. 상기 알칼리 붕소수소화물 용액은 소듐보로하이드라이드(NaBH4), 칼륨보로하이드라이드(KBH4) 또는 리튬보로하이드라이드(LiBH4)에서 선택된 어느 하나에 NaOH 또는 KOH를 용매에 혼합한 것으로, 코발트 전구체를 5 ~ 30wt% 함유하는 것이 좋다.
상기 코발트 전구체의 함량은 높을수록 한 번 담지할 때마다 담지되는 촉매량이 증가하는 효과가 있으나 30wt%를 초과할 경우 펠렛이 손실될 가능성이 있다. 또한, 그 함량이 5wt% 미만일 경우, 촉매 효과가 충분히 발현되기 어렵다.
상기 환원은 코발트 전구체가 담지된 지지체를 상기 알칼리 붕소수소화물 용액에 온도가 20 ~ 25℃로 제어가 가능한 용기 내에서 환원반응이 완전히 종결되어 거품이 발생되지 않을 때까지 실시한다.
다음으로, 상기와 같은 방법으로 지지체에 담지된 코발트(Co)와 붕소(B)가 결합한 화합물인 Co-B 촉매를 얻게 된다.
상기 지지체에 담지된 Co-B 촉매는 질소, 아르곤, 헬륨 또는 수소 분위기에서 건조 및 하소한다.
상기 Co-B 촉매의 건조는 70 ~ 120℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 건조 온도가 70℃미만일 경우, 충분한 건조가 이루어지지 않고, 120℃를 초과할 경우, 촉매 내 수분이 급격히 증발되면서 펠렛이 손상될 수 있다.
상기 Co-B 촉매의 하소는 200 ~ 300℃에서 실시하는 것이 좋다. 상기 하소온도가 200℃ 미만일 경우 하소가 충분히 이루어 지지 않으며, 300℃를 초과할 경우, 지지체에 담지된 촉매가 손상될 수 있다.
상기와 같은 제조방법으로 얻어지는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매는 Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유한 지지체에 담지됨으로써 수소 발생에 있어서, 미세한 세공구조를 가지는 다공성 지지체의 넓은 표면적에 균일하고 견고하게 촉매를 담지하기 때문에 세공구조를 통해 반응물이 촉매 활성점 까지 이동이 원활하고 가수분해 반응이 진행되는 동안 촉매의 유실을 최소화 할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명은 지지체에 촉매 담지량을 증가시키기 위하여 상기 과정을 반복하여 실시할 수 있다.
본 발명의 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응을 위한 수소 발생용 촉매는 귀금속 촉매인 루테늄(Ru) 촉매에 비해 5배, 분말 형태의 Co-B 촉매에 비해 3배 이상의 높은 반응성을 갖는다. 더구나, 펠렛 형태를 갖고 있기 때문에 반응기에 충전 및 재충전이 용이하고, 다양한 형태의 반응기에 적용이 가능하므로 수소 발생 장치의 설계 및 제작이 수월하다. 또한 제조 과정이 단순하고 대량 생산이 용이하기 때문에 제조 가격 단가를 크게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 지지체는 미세한 세공구조를 가지는 다공성 물질이기 때문에 표면적이 넓으며, 촉매를 균일하고 견고하게 담지할 수 있어 용이한 특성이 있는 것으로, 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응에 있어서 반응물이 세공구조를 통하여 촉매 활성점까지 이동하는 것이 원활하고 가수분해 반응이 진행되는 동안 촉매의 유실을 최소화 할 수 있는 이점이 있다. 미세한 세공구조를 가지는 다공성 지지체의 넓은 표면적에 균일하고 견고하게 촉매를 담지하기 때문에 세공구조를 통해 반응물이 촉매 활성점까지 이동이 원활하고 가수분해 반응이 진행되는 동안 촉매의 유실을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펠렛 지지체의 사진(a) 및 펠렛 지지체에 담지된 Co-B 촉매의 사진(b)이다.
도 2는 본 실시예에 따른 제조된 촉매의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 3은 본 실시예에 따른 펠렛 지지체(a)와 제조된 촉매(b)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 실험예의 수소 발생 평가를 위한 실험 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 실험예의 전체 촉매 무게 대비 Co 촉매의 무게 비율에 따른 수소 발생량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 실시예에서 제조된 촉매의 하소온도에 따른 수소 발생량을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 실험예에서 반응이 진행되는 동안 펠렛 지지체 내의 촉매가 유실되거나 손상됨으로 인해 수소 발생량이 감소하는 정도를 나타내는 그래프이다.
이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 일예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
먼저, 상기 펠렛 지지체에 담지된 Co-B 촉매를 제조하기 위해 코발트의 전구체인 CoCl2 수용액을 제조한다. 상기 CoCl2 수용액은 전구체의 농도가 20wt%가 되도록 한다. CoCl2의 용매는 증류수를 사용하였고 CoCl2이 충분히 녹을 때까지 교반하였다. 지지체는 펠렛 형태의 Al2O3를 사용한다.
상기 지지체에 담지된 코발트를 환원하기 위한 환원제로는 NaBH4를 사용하는데, NaBH4가 수용액 상태에서 촉매 없이도 수소를 발생시키는 것을 억제하기 위해 NaOH를 첨가하여 알칼리 용액으로 상태로 제조한다. 상기 환원제를 제조하기 위해, 우선 NaOH를 증류수에 녹이고 NaBH4를 첨가한 후 NaBH4가 충분히 녹을 때까지 교반한다.
상기 Al2O3 펠렛 지지체에 전구체 CoCl2를 담지시킨 후, 상기 환원제를 상기 Co 전구체가 담지된 Al2O3 펠렛 지지체에 넣어 Co-B를 지지체에 형성되도록 한다. 반응이 완전히 종결되어 거품이 더 이상 발생하지 않으면 증류수로 세척한다.
상기와 같이 제조된 Co-B/Al2O3 펠렛 촉매는 120℃의 질소 분위기에서 10 시간 동안 건조한 후, 300 ~ 600℃질소 분위기에서 2 시간 동안 하소한다. 상기 촉매의 하소는 질소 분위기에서 실시한다.
상기와 같이 제조된 Co-B/Al2O3 펠렛 촉매는 수소 발생 평가를 하기와 같이 실시하였다.
(평가)
본 실험에서는 상기와 같이 제조된 촉매의 구조와 조성, 표면형상을 조사하기 위하여 XRD(X-Ray Diffraction)와 SEM(Scanning Electron Microscope) 분석을 수행하였다.
도 2는 본 실시예에서 제조된 촉매의 XRD 패턴을 나타낸 것이다. XRD 분석 결과, Al2O3 지지체에 Co 촉매가 형성되어 있음을 알 수 있었다.
도 3은 본 실시예에서 펠렛 지지체(a)와 제조된 촉매(b)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 촉매의 경우 Al2O3 지지체 표면에 메조포어(mezopore)가 균일하게 형성되어 NaBH4 용액이 원활하게 촉매 활성점까지 이동할 수 있음을 알 수 있었다.
도 4는 본 실험예에서 상기와 같이 제조된 촉매의 수소 발생 평가를 위한 실험 장치를 나타내는 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 구형 플라스크 내부에 상기 제조된 촉매를 넣고 NaBH4 용액을 공급한 후 수소 방출 흐름을 유량계로부터 측정하였다. 반응기 내부에 열전대를 설치하여 반응이 진행되는 동안 온도를 기록하였고 용액의 온도를 일정하게 유지하기 위해 반응기를 물 용기 내에 설치하였다.
도 5는 전체 촉매 무게 대비 Co 촉매의 무게 비율에 따른 수소 발생량을 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 무게 비율이 증가할수록(1 wt% → 2 wt%) 수소 발생량도 증가하지만, 무게 비율이 4 wt%까지 증가할 경우 오히려 수소 발생량이 감소하였다. 이것은 NaBH4 용액의 반응에 참여하는 촉매의 양이 한정적이라는 것을 의미한다. 본 실험예의 결과로부터 촉매의 무게 비율은 1~3 wt% 정도가 적절한 것으로 판단되었다.
도 6은 본 실시예에서 제조된 촉매의 하소온도에 따른 수소 발생량을 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하소온도가 증가할수록 수소 발생량은 감소하였다. 이것은 하소온도가 증가할수록 촉매의 결정성 구조와 형상, 표면적의 감소에 기인한 것이다. 본 실험예의 결과로부터 촉매의 하소온도는 300℃ 이하가 적절한 것으로 판단되었다.
도 7은 본 실험예에서 반응이 진행되는 동안 펠렛 지지체 내의 촉매가 유실되거나 손상됨으로 인해 수소 발생량이 감소하는 정도를 나타내는 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 10시간 동안 반응이 진행되는 동안 수소 발생량의 감소가 크지 않음을 알 수 있다.
본 실험예에 있어서, 촉매 무게 비율이 2 wt%이고 하소온도가 300 ℃인 촉매의 경우 수소 발생속도가 4255 ml/min·g이였다. 이것은 분말 형태의 Co-B 촉매보다 촉매 무게당 수소 발생속도가 3배 이상 증가하는 것을 확인하였다. 이로써 상기와 같이 제조된 Co-B/Al2O3 펠렛 촉매가 고가의 귀금속 촉매 및 분말형태의 Co-B 촉매를 대체할 수 있다.
상기와 같이 제조된 촉매를 가지고 수소 발생 장치를 제작하여 연료전지에 수소를 공급하여 연료전지가 구동되는 것을 확인하였다.
·

Claims (9)

  1. 알칼리 붕소수소화물의 가수분해 반응을 위한 수소 발생용 촉매의 제조 방법에 있어서, a) Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유하는 지지체 내에 코발트 전구체를 담지시키는 단계; b) 알칼리 붕소수소화물 용액을 사용하여 담지된 Co를 환원시키는 단계; c) 상기 지지체에 담지된 코발트(Co)와 붕소(B)가 결합한 화합물인 Co-B 촉매를 얻는 단계; d) 상기 지지체에 담지된 Co-B 촉매를 건조 및 하소하는 단계;를 포함하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 Co-B 촉매는 전체 촉매 무게 대비 Co 촉매의 무게 비율을 1~3 wt%로 하는 것을 특징으로 하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코발트 전구체는 CoCl2, Co(CH3COO)2, Co(NO3)2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리 붕소수소화물 용액은 소듐보로하이드라이드(NaBH4), 칼륨보로하이드라이드(KBH4) 또는 리튬보로하이드라이드(LiBH4)에서 선택된 어느 하나에 NaOH 또는 KOH를 용매에 혼합한 것인 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코발트 전구체는 알칼리 붕소수소화물 용액에 5 ~ 30wt% 함유되는 것을 포함하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 d) 지지체에 담지된 Co-B 촉매를 건조 및 하소하는 단계는 질소, 아르곤, 헬륨 또는 수소 분위기 중에서 선택된 것을 포함하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 d) 지지체에 담지된 Co-B 촉매의 하소는 200 ~ 300 ℃에서 실시하는 것을 포함하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 Al2O3, ZrO2, TiO2, CeO2 또는 Cr2O3에서 선택되는 어느 하나 이상을 함유하는 지지체는 펠렛(pellet)형태인 것을 특징으로 하는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매의 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항에서 선택되는 어느 한 항에 의하여 제조되는 알칼리 붕소수소화물 가수분해 반응용 촉매.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103071503A (zh) * 2013-01-31 2013-05-01 厦门大学 一种用于硼氢化物水解产氢的催化剂及其制备方法
WO2013183798A1 (ko) * 2012-06-05 2013-12-12 Ryu Na Hyeon 보론 화합물을 포함하는 촉매 화합물 및 이를 이용한 물 분해 방법과 원유의 정제 방법
CN114100614A (zh) * 2021-12-06 2022-03-01 桂林电子科技大学 一种中空碳材料负载Co-Cu-B纳米粒子的复合材料及其制备方法和应用

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