KR20220037155A - 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치 - Google Patents

전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가 비귀금속 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하며, 전자기파 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치{Electrochemical fuel production method using adsorption energy control through electromagnetic wave irradiation, and electrochemical fuel production device that produces fuel using the same}
본 발명은 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법 및 이를 이용하여 연료를 생산하는 전기화학적 연료 생산 장치에 관한 것이다.
기존 화석 연료로 인한 환경오염 문제가 대두됨에 따라, 이를 대체하기 위한 친환경적이면서도 비용이 저렴한 에너지원으로 알려진 전기화학적 연료생산이 주목받고 있다. 전기화학적 연료 생산은 그 생산 효율성을 향상시키기 위해 낮은 활성화 에너지 장벽을 가진 촉매를 요하므로, 종래에는 이를 위하여 귀금속을 촉매로 이용해왔다. 대표적으로 백금, 루테늄, 이리듐, 금, 은 등의 귀금속은 흡착에너지가 낮아 활성 촉매로 활용되기 적합하다는 장점이 있으나, 그 희소성으로 인한 고비용 문제로 대규모 개발에는 실용성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
따라서, 다양한 종류의 에너지 전환 촉매를 개발하고 상용화하기 위하여 종래 귀금속 촉매를 대체하기 위한 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 대표적으로 저렴한 비귀금속 촉매를 이용하여 공정 과정을 거쳐 성능을 높임으로써 전기화학적 연료 생산에 사용하기 위한 다양한 시도들이 수행되었다. 그러나 이는 상당히 복잡한 공정을 요하므로 상용화가 쉽지 않다는 문제점이 있었다.
또한, 대표적인 전기화학 반응인 수소와 산소 발생 반응 그리고 산소, 질소 및 이산화탄소 환원 반응 등의 경우, 각각의 반응에 대한 적절한 촉매가 모두 다르기 때문에 각각 별도의 촉매를 이용해야 한다는 번거로움이 있었다. 따라서 이를 위해 여러 반응에 사용이 가능한 단일 촉매의 개발이 여전히 과제로 남아있다.
대한민국 등록특허 제10-1860763호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자기파를 이용하여 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자기파 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 다양한 연료 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전자기파 조사를 통해 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 전기화학적 연료 생산 효율 향상이 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법을 제공한다.
상기 전기화학적 연료 생산 방법은, 촉매를 포함하는 반응 챔버에 연료 생산을 위한 반응물을 주입하는 반응물 주입 단계; 상기 촉매에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사 단계; 및 상기 반응 챔버에 전압을 인가하여 상기 촉매 표면의 반응물의 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료를 수득하는 연료 수득 단계;를 포함한다.
상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 전이 금속 촉매인 것을 특징으로 한다.
상기 연료 생산을 위한 반응물은, 수소 이온, 수산화 이온, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자기파는, 15 THz 내지 70 THz 주파수 범위를 갖는 고주파 테라헤르츠 전자기파인 것을 특징으로 한다.
상기 생성물인 연료는, 수소, 산소, 과산화수소, 메탄올, 포름산, 일산화탄소 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자기파 조사 단계에서는, 생산을 목표로 하는 연료의 종류에 따라 조사되는 상기 전자기파의 주파수를 변조하여 상기 촉매 및 반응물 간의 흡착에너지를 조절함으로써 생산을 목표로 하는 연료의 선택성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치를 제공한다.
상기 전기화학적 연료 생산 장치는, 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부; 상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부; 및 상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부;를 포함한다.
상기 촉매는, 상기 실린더의 벽면과 10 um 내지 200 um 간격으로 이격되게 위치하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 촉매는, 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 구멍에 폴리머 매체가 삽입된 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 촉매는, 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 전자기파 조사부는, 펨토초 레이저를 이용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부 및 상기 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부에서 생성된 저주파 테라헤르츠 전자기파를 증폭하여 고주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 고주파 테라헤르츠 전자기파 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공한다.
상기 전기화학적 연료 생산 장치는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치에, 상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부에서 전기화학 반응을 통하여 생성된 생성물을 분석하는 생성물 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가 비귀금속 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 수소, 산소 및 과산화수소 생산과 질소, 이산화탄소의 환원 등 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 전기화학적 연료 생산 효율 향상이 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물에 반응물의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사하여 공진 현상을 유도하는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 전자기파 조사에 따른 수소 생산 반응의 두 가지 반응 경로(볼머-타펠 (Volmer-Tafel) 및 볼머-헤이로프스키 (Volmer-Heyrovsky))를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 전자기파 조사에 따른 저가 전이 금속의 흡착에너지 변화를 나타낸 화산도(Volcano plot) 그래프이다.
도 5는 본 발명의 조사되는 전자기파의 주파수를 변조함으로써 생산 목표 연료의 선택성을 향상시키는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 생성물 분석부에서 분석되는 촉매 표면, 화학반응 및 관련 생성물 분석 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 12는 본 발명의 생성물 분석부에서의 테라헤르츠 전자기파를 이용한 분광분석과정을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 13은 기존의 백금 촉매 활성화 에너지 감소량 및 본 발명의 일 실시예에 따른 공명주파수 전자기파 조사를 통한 백금 촉매의 활성화 에너지 감소량을 나타낸 그래프 및 표이다.
도 14는 여러 금속 표면에 흡착된 수소의 자유 에너지 변화에 대한 이론적 예측의 예비결과를 나타낸 표이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 방법은, 촉매를 포함하는 반응 챔버에 연료 생산을 위한 반응물을 주입하는 반응물 주입 단계(S100); 상기 촉매에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사 단계(S200); 및 상기 반응 챔버에 전압을 인가하여 상기 촉매 표면의 반응물의 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료를 수득하는 연료 수득 단계(S300);를 포함할 수 있다.
상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 저가의 전이 금속 촉매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 연료 생산을 위해 사용 가능한 공지의 금속 촉매라면 제한 없이 이용 가능할 것이다.
상기 연료 생산을 위한 반응물은, 전기화학적 연료 생산을 위한 반응물로서, 상기 촉매의 표면에서 전기화학 반응을 거쳐 연료로 생산되는 반응물을 의미한다.
상기 연료 생산을 위한 반응물은, 수소 이온, 수산화 이온, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 연료 생산을 위해 사용 가능한 공지의 반응물이라면 제한 없이 이용 가능할 것이다.
상기 전자기파는, 15 THz 내지 70 THz 주파수 범위를 갖는 고주파 테라헤르츠 전자기파일 수 있다.
상기 생성물인 연료는, 수소, 산소, 과산화수소, 메탄올, 포름산, 일산화탄소 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전기화학적 연료로 이용 가능한 것이라면 제한 없이 해당 가능하다.
전술한 바와 같이, 종래에는 전기화학적 연료 생산의 효율성을 향상시키기 위하여 낮은 활성화 에너지 장벽을 가진 귀금속 촉매를 이용하였다. 일반적으로, 귀금속이 촉매로 선호되는 이유는 흡착에너지(ΔGH*)가 0 eV에 가깝기 때문이다.
이에 착안하여, 본 발명의 발명자들은, 저가의 전이 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물 원자의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사하여 공명 현상을 유도함으로써 상기 촉매와 반응물 간의 흡착에너지를 귀금속 수준의 흡착에너지를 갖도록 조절하여 촉매 성능을 향상시키고, 상기와 같은 공명 주파수 변조를 통해 단일 촉매만으로도 다양한 연료의 선택적 생산이 가능한 전기화학적 연료 생산 방법을 발명하기에 이르렀다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 전기화학적 연료 생산 방법의 전자기파 공명주파수 변조를 통해 흡착에너지를 조절하는 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물에 반응물의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사하여 공진 현상을 유도하는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 전자기파 조사에 따른 수소 생산 반응의 두 가지 반응 경로(볼머-타펠 (Volmer-Tafel) 및 볼머-헤이로프스키 (Volmer-Heyrovsky))를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 금속 촉매 표면에 흡착된 반응물에 반응물의 고유 흡착 진동수와 동일한 진동수를 갖는 전자기파를 조사함으로써 공진 현상을 유도할 수 있다. 따라서, 예를 들어 수소 생산 반응의 Volmer-Tapel 경로에서는, 전자기파 조사를 통해 촉매 표면에 흡착된 수소 원자의 측면 진동이 향상되어 촉매 표면의 수소 원자의 더 빠른 표면 확산 및 이에 따른 수소 기체(H2) 생산을 유도하는 것을 확인할 수 있다. 또 다른 수소 생산 반응 경로인 Volmer- Heyrovsky 경로에서는, 전자기파 조사를 통해 촉매 표면에 흡착된 수소 원자의 수직 진동이 강화되어 이에 따른 빠른 수소 기체(H2) 생산이 가능한 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 전자기파 조사에 따른 저가 전이 금속의 흡착에너지 변화를 나타낸 화산도(Volcano plot) 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 공명주파수 전자기파 조사에 따라 저가 전이 금속 촉매 표면의 반응물의 공명 현상을 유도함으로써, 저가 전이 금속 촉매의 흡착에너지가 화산도의 정점에 위치하는 귀금속 촉매와 같은 흡착에너지 수준을 갖도록 조절하여 촉매 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
상기 전자기파 조사 단계에서는, 생산을 목표로 하는 연료의 종류에 따라 조사되는 상기 전자기파의 주파수를 변조함으로써, 생산되는 연료 선택성을 향상시키는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 상기 조사되는 전자기파의 조절만으로, 다양한 종류의 연료 생산을 위해 각기 별도의 촉매를 사용하지 않아도 단일 촉매를 이용하여 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 조사되는 전자기파의 주파수를 변조함으로써 생산 목표 연료의 선택성을 향상시키는 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5의 (a)는 분자들의 경쟁적 흡착을 통해 반응물과 촉매 간 흡착에너지를 조절한 기존의 접근법에 대한 모식도이다.
도 5의 (b)는 주사된 공명주파수의 변조에 따라 중간 생성물과 촉매 간 흡착에너지를 조절하여 특정 생성물만이 발생 될 수 있도록 선택성을 극대화하는 본 발명의 전략에 대한 모식도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 생산하고자 하는 목표 연료의 반응물 또는 중간 생성물의 각기 다른 고유 흡착 진동수 및 흡착 에너지를 파악하고, 이와 동일한 진동수를 갖는 공명 주파수 전자기파를 조사함으로써, 생산하고자 하는 연료의 종류에 따라 촉매를 바꾸지 않고도 연료의 생산성을 향상시킴으로써 선택적 생산이 가능한 것을 확인할 수 있다.
이때, 상기 반응물의 촉매 금속에 대한 각기 다른 고유 흡착에너지 및 진동에너지는 밀도범함수 (Density Functional Theory) 계산을 통해 파악될 수 있다.
상기 계산을 통해 파악된 개별 반응물 원자의 진동 주파수와 동일한 주파수의 전자기파를 조사하기 위해서는, 다음과 같은 방법이 이용될 수 있다.
(1) 먼저 촉매의 구성을 변화시키는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매 물질로 Co-Fe, Fe-Mn 기반의 Co1-xFexB 및 Fe1-xNixP와 같은 금속 이원계 화합물 혹은 Ternary metal phosphide와 같은 금속 삼원계 화합물을 이용함으로써, 상기 반응물의 진동수를 변화시켜 조사되는 전자기파와 공명주파수를 일치시킬 수 있다.
(2) 두 번째로는, 촉매의 형태를 변화시키는 방법이 사용될 수 있다. 촉매의 나노구조의 전자기파 흡수량은 전자기파의 입사각도, 파장을 조절함으로써 제어 가능할 뿐만 아니라 형태학에 따라서도 달라질 수 있다. 또한, 촉매의 표면에서만이 입사 전자기파의 대부분을 흡수할 수 있으므로, 촉매의 나노 구조 형태를 변화시킴으로써 상기 반응물의 진동수를 변화시켜 조사되는 전자기파와 공명주파수를 일치시킬 수 있다.
상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가 비귀금속 촉매의 성능을 향상시킴으로써 종래 귀금속 촉매의 대체가 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전자기파 공명주파수 변조를 활용하여 저가 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 조절함으로써 단일 촉매를 이용하면서도 수소, 산소 및 과산화수소 생산과 질소, 이산화탄소의 환원 등 다양한 연료의 선택적 생산이 가능하도록 하는 경제성 높은 전기화학적 연료 생산 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치는, 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버(10); 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부(20); 상기 반응 챔버(10)의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부(30); 및 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부(40);를 포함할 수 있다.
상기 촉매는, 상기 실린더의 벽면과 10 um 내지 200 um 간격으로 이격되게 위치할 수 있다.
또는, 상기 촉매는, 직사각형 및 타원 등의 형태를 갖는 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 구멍에 폴리머 매체가 삽입될 수 있다.
또는, 상기 촉매는, 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성된 것일 수 있다.
이때, 상기 슬릿은 가로세로 비율, 구멍 직경 및 배열의 구멍 간 거리 등이 조절됨으로써 전자기파 손실 저하를 최소화하는 형태로 구성될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치의 반응 챔버의 실린더 및 촉매를 개략적으로 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 반응 챔버 내부의 촉매 구조를 설명한다.
본 발명에서 저가 전이 금속 촉매 및 반응물의 흡착에너지 조절을 위하여 사용되는 테라헤르츠 범위의 전자기파는, 대부분 전해액에 흡수되므로 촉매에 영향을 주기 어렵다. 전기화학 반응이 일어나는 반응 챔버는 일반적으로 전해액으로 채워져 있기 때문에, 전해액에 따른 전자기파의 흡수를 최소화 할 필요가 있다.
이에 착안하여, 본 발명의 발명자들은, 반응 챔버 실린더의 벽면과 촉매 사이의 거리를 10 um 내지 200 um로 조절함으로써 전해액의 양을 감소시켜 전자기파의 흡수를 최소화하거나, 촉매를 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성하고 상기 구멍에 폴리머 매체를 삽입함으로써 전해액의 접촉을 방지하고 전자기파를 최소한의 흡수 손실만으로 촉매와 전해액 사이의 계면으로 전송 가능하도록 하였다. 이때, 상기 폴리머 매체에는 일정한 크기의 구멍을 형성하여 전해질이 전자기파의 전송을 방해할 수 없도록 하여 전자기파 강도의 손실이 없도록 할 수 있다.
또는, 상기 촉매를 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성하였다. 본 발명에서 사용되는 고주파 테라헤르츠 전자기파의 경우, 금속 촉매는 광학 계수가 높아 손실이 크다. 따라서, 투과성이 뛰어난 슬릿 구조를 공진 반응에 따라 설계하면, 전송에 의한 전자기파 손실의 최소화가 가능하다. 상기와 같은 촉매의 슬릿 형태는 전자기파의 강한 양극화와 더 높은 전송 공명을 발생시킬 수 있으므로, 이는 파동이 표면에 도달했을 때 파동 강도를 개선하고 강도의 저하를 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라, 공명 현상에 영향을 미칠 수 있는 상기 슬릿의 가로세로 비율, 구멍 직경 및 배열의 구멍 간 거리 등을 조절함으로써, 공명 효과를 극대화하여 흡착 이온의 깁스 자유 에너지를 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전해질에 따른 전자기파의 흡수를 최소화하면서도 원하는 주파수의 전자기파 조사를 통해 촉매 표면의 반응물의 흡착에너지를 조절함으로써 촉매의 성능 향상 및 이에 따른 연료 생산성 향상이 가능한 전기화학적 연료 생산 장치의 제공이 가능하다.
상기 전자기파 조사부는, 펨토초 레이저를 이용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부 및 상기 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부에서 생성된 저주파 테라헤르츠 전자기파를 증폭하여 고주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 고주파 테라헤르츠 전자기파 생성부를 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 먼저 펨토초 레이저를 이용한 유기 비선형 광학 결정을 포함한 비선형 광학 결정을 사용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파 (0.1~15 THz)를 생성한다. 이를 중간 적외선 파라메트릭 광증폭기 (Optical Parametric Amplifier)가 구축될 때까지 ZnTe와 GaP 크리스털이 장착된 800 nm 펨토초 레이저 증폭기 시스템을 사용하여 광대역 테라헤르츠 전자기파를 만든다. 이때, 1 um 이상의 파장을 발생시킬 수 있는 광증폭기를 이용하여 OH1과 같은 유기적인 비선형 결정이 사용될 수 있다. 그 다음 재생 레이저 증폭 시스템을 기반으로 한 파라메트릭 광증폭 시스템을 이용한 촉매 반응에 대해 고주파 테라헤르츠 전자기파 (15~70 THz)가 생성된다. 테라헤르츠 전자기파를 발생시킬 수 있는 광증폭기는 2차 비선형성 동안 차동 주파수 발생을 사용하여 가변 주파수 신호 펄스에 고정 주파수 펌프 레이저 (800 nm, 1 kHz 재생 증폭 시스템)가 장착될 수 있다. 그 후 고정 펨토초 레이저 시스템의 주파수는 펌프 레이저와 신호 펄스의 차이에 따라 광범위하게 조정될 수 있다.
상기 전자기파 조사부에서 조사되는 테라헤르츠 전자기파는, 펌핑 레이저의 에너지를 증가시키거나 레이저의 반복률을 감소시킴으로써 펨토초 레이저 시스템의 펄스당 에너지를 증가시키거나, 비선형 광학 계수가 더 높은 새로운 비선형 광학 결정을 도핑 또는 성장시킴으로써 비선형 광학 결정의 손상 임계값을 증가시키거나, 또는 연속파 레이저를 생산할 수 있는 고주파 테라헤르츠 광원을 이용함으로써 그 신호가 개선될 수 있다.
상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전자기파 조사를 통해 저가의 비귀금속 촉매의 반응물과의 흡착에너지를 귀금속 수준으로 조절하여 전기화학적 연료 생산 효율 향상이 가능하도록 하는 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 구조를 통해 조사되는 전자기파의 손실을 최소화하고 공명 효과를 극대화함으로써 자유로운 흡착에너지 조절이 가능한 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치를 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 연료 생산 장치는, 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버(10); 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부(20); 상기 반응 챔버(10)의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부(30); 상기 반응 챔버(10)에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부(40);에, 상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부에서 전기화학 반응을 통하여 생성된 생성물을 분석하는 생성물 분석부;를 더 포함할 수 있다.
상기 생성물 분석부에서는, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료 생성물이 확인 및 분석될 수 있다.
도 11은 본 발명의 생성물 분석부에서 분석되는 촉매 표면, 화학반응 및 관련 생성물 분석 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 11을 참조하여 본 발명의 생성물 분석부에서 사용되는 분석 시스템을 설명한다.
본 발명의 생성물 분석부에서는, (1) 색채측정검사 및 자외선 및 가시광선 분광 분석(UV-Visible Spectroscopy)을 이용하여 지시약을 사용하여 원소 및 화합물의 농도가 확인될 수 있다. (2) 기체크로마토그래피(Gas Chromatography)와 고성능 액체크로마토그래피(High-Performance Liquid Chromatography)를 이용하면 휘발성 화합물의 분리 및 분석을 통해 생성물에 대한 질적, 정량적 정보의 확인이 가능하다. 이를 통해 혼합 가스 또는 액체는 혼합물의 각 구성 요소에서 분석 및 식별될 수 있다. (3) 핵자기공명 분광 기법 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)을 이용하면 자기장으로 인한 물질의 공명주파수를 이용하여 시료의 내용 및 순도, 분자구조를 명확히 분석할 수 있다. (4) 현장 푸리에 적외선 변환 (Fourier-transform infrared) 분광은 많은 촉매 반응에 특히 유용하며, 용액 종의 흡수 또는 방출의 적외선 스펙트럼에 기초하므로 전기화학 반응 분석에 적합하다. (5) Operando에서 라만 분석 (Raman Spectroscopy)는 반응물질의 분광특성과 촉매의 활동 및 선택성을 파악하기 위한 해석 기법으로, 이러한 측정을 통하여 구조, 활동 및 선택성과의 관계를 식별하고 반응 메커니즘에 대한 정보를 제공하는 데 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 생성물 분석부에서는 본 발명의 전자기파 조사부에서 조사되는 테라헤르츠 전자기파를 이용하여 생성물이 분석될 수 있다.
도 12는 본 발명의 생성물 분석부에서의 테라헤르츠 전자기파를 이용한 분광분석과정을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 12를 참조하면, 먼저, (1) 테라헤르츠 전자기파 지원 물 전기 분해 셀용 전기화학적 임피던스 스펙트럼(Electrochemical Impedance Spectroscopy)의 이완 시간 분포(Distribution of Relaxation Time) 분석은 열역학에 기초한 시간 상수에 따른 특정 초등 프로세스의 결정을 가능하게 한다. 임피던스 스펙트럼의 등가회로법 보정에 가장 적합한 방법은 이온 전송의 저항을 고려하는 세 가지 기본 파라미터를 가진 전송선로법 (Transmission Line Method)이므로, 임피던스 스펙트럼의 현장 이완 시간 분포 분석을 실시해 전기화학 반응을 조사하고 전송선로법 회로 설계를 맞춤화하여 테라헤르츠 전자기파 파라미터의 결정이 가능하다. (2) 전기화학 노이즈 분석 (Electrochemical Noise Analysis)을 이용하면 저감도 촉매 활성 검출이 가능하다. 선형주사 전위법 (Linear Sweep Voltammetry)은 일반적으로 재료의 촉매 활성을 분석하는 데 사용되나, 이 방법은 본 발명에서 공명주파수를 조율하는 동안 발생하는 미세한 변화를 감지하는 데 적합하지 않다. 따라서 전기 공학에서의 전기화학 노이즈 분석과 유사한 방식으로 전이 가능한 전류 과도현상을 분석함으로써, 테라헤르츠 전자기파에 대응한 물질의 저감도 촉매 활성 검출이 가능하다. (3) 본 발명의 테라헤르츠 전자기파는 금속 이온의 결합 에너지에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전기화학 반응의 생성물 분석에도 적용될 수 있으므로, 회전 또는 진동 에너지는 테라헤르츠 전자기파가 테라헤르츠 시간 영역 분광기를 사용하여 연료가 발생하는 전기화학적 셀로 침투할 때 검출될 수 있으며, 테라헤르츠 전자기파를 조사하는 레이저가 전기화학 체계를 통과할 때와 비교하여 시간 지연을 감지함으로써 연료의 발생량의 추정이 가능하다. (4) 또한, 전자기파를 조사하는 두 레이저를 겹쳐서 2차 고조파 발생을 감지하는 방법이 있다. 이 기법은 겹침으로 인한 빛의 색상 변화를 사용하는데, 이는 주파수를 두 배로 증가시킨다. 테라헤르츠 전자기파를 이용한 이 분석은 생성물에 대한 정보를 추정하는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 생성물 종류에 따라 최고 위치 및 강도를 가진 데이터베이스를 구축하여 다양한 반응의 소재를 보다 효율적으로 분석이 가능하다.
상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기화학 반응 생성물을 효과적으로 확인하고 분석 가능한 전기화학적 연료 생산 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기파 조사를 통한 촉매의 활성화 에너지 감소량을 확인하는 실험을 진행하였다.
이를 위하여, 촉매는 종래 귀금속 촉매인 백금 촉매를 이용하였다.
도 13은 기존의 백금 촉매 활성화 에너지 감소량 및 본 발명의 일 실시예에 따른 공명주파수 전자기파 조사를 통한 백금 촉매의 활성화 에너지 감소량을 나타낸 그래프 및 표이다.
도 14는 여러 금속 표면에 흡착된 수소의 자유 에너지 변화에 대한 이론적 예측의 예비결과를 나타낸 표이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 기존 백금 촉매에 공명주파수 전자기파를 조사함으로써, 실제로 기존 백금 촉매의 활성화 에너지 값인 -0.09 eV에서 -0.05 eV로 0 eV에 가까운 값으로 감소한 것을 확인할 수 있으며, 이는 백금 촉매 표면에 흡착된 수소의 자유 에너지 변화에 대한 이론적 예측 결과와도 일치함을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 반응 챔버
20: 반응물 주입부
30: 전자기파 조사부
40: 연료 수득부
50: 생성물 분석부

Claims (12)

  1. 촉매를 포함하는 반응 챔버에 연료 생산을 위한 반응물을 주입하는 반응물 주입 단계;
    상기 촉매에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사 단계; 및
    상기 반응 챔버에 전압을 인가하여 상기 촉매 표면의 반응물의 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료를 수득하는 연료 수득 단계;를 포함하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는, 니켈, 몰리브데늄, 코발트 및 텡스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 전이 금속 촉매인 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 생산을 위한 반응물은, 수소 이온, 수산화 이온, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파는, 15 THz 내지 70 THz 주파수 범위를 갖는 고주파 테라헤르츠 전자기파인 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생성물인 연료는, 수소, 산소, 과산화수소, 메탄올, 포름산, 일산화탄소 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파 조사 단계에서는, 생산을 목표로 하는 연료의 종류에 따라 조사되는 상기 전자기파의 주파수를 변조하여 상기 촉매 및 반응물 간의 흡착에너지를 조절함으로써 생산을 목표로 하는 연료의 선택성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 방법.
  7. 속이 빈 형태의 실린더 및 상기 실린더 내부에 촉매를 포함하고, 상기 촉매 표면에 반응물이 흡착하여 전기화학 반응을 통해 생성물인 연료가 생산되는 반응이 일어나는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버 내부로 연료 생산을 위한 상기 반응물을 주입하는 반응물 주입부;
    상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부의 촉매 표면에 흡착된 반응물에 전자기파를 조사하여 상기 촉매 및 상기 반응물 간 흡착에너지를 조절하는 전자기파 조사부; 및
    상기 반응 챔버에 연결되며, 상기 반응 챔버에서 생성된 연료를 수득하는 연료 수득부;를 포함하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는, 상기 실린더의 벽면과 10 um 내지 200 um 간격으로 이격되게 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는, 복수개의 구멍을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 구멍에 폴리머 매체가 삽입된 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는, 일정 방향으로 배치되는 복수개의 슬릿을 갖는 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전자기파 조사부는, 펨토초 레이저를 이용하여 저주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부 및 상기 저주파 테라헤르츠 전자기파 생성부에서 생성된 저주파 테라헤르츠 전자기파를 증폭하여 고주파 테라헤르츠 전자기파를 생성하는 고주파 테라헤르츠 전자기파 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 어느 한쪽에 위치하며, 상기 반응 챔버 내부에서 전기화학 반응을 통하여 생성된 생성물을 분석하는 생성물 분석부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기파 조사를 통한 흡착에너지 조절을 이용한 전기화학적 연료 생산 장치.
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