KR20220147948A - Water splitting material, composition for water splitting material and manufacturing method for water splitting material using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a water decomposition material, a composition for a water decomposition material and a manufacturing method of a water decomposition material using the same. In one embodiment, the water decomposition material includes an iron oxide-based activator and a calcium aluminate-based support having a spinel structure. The present invention is to provide the water decomposition material having excellent reactivity with water and hydrogen production efficiency.

Description

물분해소재, 물분해소재용 조성물 및 이를 이용한 물분해소재의 제조방법 {WATER SPLITTING MATERIAL, COMPOSITION FOR WATER SPLITTING MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD FOR WATER SPLITTING MATERIAL USING THE SAME}Water decomposition material, composition for water decomposition material, and method for manufacturing water decomposition material using the same

본 발명은 물분해소재, 물분해소재용 조성물 및 이를 이용한 물분해소재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water-decomposing material, a composition for a water-decomposing material, and a method for manufacturing a water-decomposing material using the same.

수소는 현재 저탄소 경제 활성화 및 온실가스 저감을 위한 친환경 에너지 연료로 각광받고 있다. 기존의 수소생산 방법은 탄화수소계 화석연료를 사용한 개질(Reforming) 반응을 이용하는 것이나 이 방법은 수소와 함께 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 동시에 생산하여 대기중으로 배출하게 된다. 따라서 수소 생산과정에서 대기 중으로 배출되는 이산화탄소(CO2)의 양을 줄이기 위해서는 개질공정 후단부에 이산화탄소(CO2) 포집 및 수소정제 등과 같은 별도의 추가 공정이 요구된다.Hydrogen is currently in the spotlight as an eco-friendly energy fuel for revitalizing a low-carbon economy and reducing greenhouse gases. The conventional hydrogen production method uses a reforming reaction using hydrocarbon-based fossil fuels, but this method produces carbon dioxide (CO 2 ), a greenhouse gas, together with hydrogen and discharges them to the atmosphere. Therefore, in order to reduce the amount of carbon dioxide (CO 2 ) emitted to the atmosphere during the hydrogen production process, a separate additional process such as carbon dioxide (CO 2 ) capture and hydrogen purification is required at the rear end of the reforming process.

이러한 문제를 해결하기 위한 대체 기술로, 금속산화물로 이루어진 소재를 이용한 케미칼 루핑식 물분해(CLWS, Chemical Looping Water Splitting) 반응을 통한 수소 생산 기술이 있다. 이 기술은 금속산화물로 이루어진 소재가 환원가스에 의해 환원되면서 소재는 산소를 배출하는 동시에 금속이 되고, 이후 산소원자를 포함한 산화제인 물(H2O)을 반응시키면 금속의 소재는 금속산화물로 산화되고, 물은 분해되어 고순도의 수소를 생산한다. 또한 물과의 산화반응 후에 산소 또는 공기와 같은 산화제와 반응하여 추가적인 산화반응이 일어날 수 있다. 따라서 이 기술은 금속의 반복적인 산화환원반응을 통해 수소를 생산하는 기술이며, 탄소를 포함하는 연료를 환원제로 사용할 경우 수소 생산시 별도의 분리공정 없이 고순도의 이산화탄소를 분리 및 포집할 수 있다.As an alternative technology to solve this problem, there is a hydrogen production technology through a chemical looping water splitting (CLWS) reaction using a material made of metal oxide. In this technology, as a material made of metal oxide is reduced by a reducing gas, the material emits oxygen and becomes a metal. Then, when water (H 2 O), an oxidizing agent containing oxygen atoms, reacts, the metal material is oxidized to a metal oxide. and water is decomposed to produce high-purity hydrogen. In addition, after the oxidation reaction with water, an additional oxidation reaction may occur by reacting with an oxidizing agent such as oxygen or air. Therefore, this technology is a technology for producing hydrogen through repeated redox reactions of metals, and when a fuel containing carbon is used as a reducing agent, high-purity carbon dioxide can be separated and captured without a separate separation process during hydrogen production.

환원제로 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 및 탄화수소 화합물 등을 사용할 수 있으며, 이러한 경우에는 하기 식 A와 같이 금속산화물(MeO)이 환원반응을 통해 금속(Me)이 되며 물(H2O) 또는 이산화탄소(CO2)를 생성하게 된다.Hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ) and hydrocarbon compounds may be used as the reducing agent, and in this case, metal oxide (MeO) is reduced through reduction reaction as shown in Formula A and water (H 2 O) or carbon dioxide (CO 2 ) is produced.

[식 A][Formula A]

환원반응 : MeO + CxHyOz → Me + aCO2 + bH2OReduction reaction: MeO + C x H y O z → Me + aCO 2 + bH 2 O

따라서, 환원반응으로 생성될 수 있는 이산화탄소(CO2)는 별도의 가스 분리 공정 없이 물(H2O)의 응축만으로 고순도의 이산화탄소(CO2)를 포집 가능하며, 환원된 소재는 하기 식 B-1 및 식 B-2와 같이 물(H2O) 혹은 공기(Air) 중에 포함된 산소 원자와 반응하여 금속산화물(MeO) 형태로 다시 재생되어 원래의 형태로 돌아오게 된다.Therefore, carbon dioxide (CO 2 ) that can be generated by the reduction reaction can capture high-purity carbon dioxide (CO 2 ) only by condensation of water (H 2 O) without a separate gas separation process, and the reduced material is obtained by the following formula B- As shown in 1 and Equation B-2, it reacts with oxygen atoms contained in water (H 2 O) or air (Air) and is regenerated in the form of metal oxide (MeO) to return to its original form.

[식 B-1][Formula B-1]

산화반응 : Me + H2O → MeO + H2 Oxidation reaction: Me + H 2 O → MeO + H 2

[식 B-2][Formula B-2]

Me + O2 → 2MeOMe + O 2 → 2MeO

이때, 수소는 식 B-1과 같이 물(H2O)과의 산화반응을 통해서만 생성될 수 있기 때문에, 수소 생산이 주 목적인 공정에서는 환원 후, 물(H2O) 과의 산화반응에서 성능이 우수한 금속산화물계 소재의 개발이 중요한 요소이다.At this time, since hydrogen can be generated only through an oxidation reaction with water (H 2 O) as shown in Formula B-1, in a process where hydrogen production is the main purpose, the performance is performed in the oxidation reaction with water (H 2 O) after reduction The development of this excellent metal oxide-based material is an important factor.

특히 철산화물을 이용한 물분해소재는 물과의 반응성이 우수하여 수소생산량이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 그러나 철산화물을 이용한 물분해소재는, 하기 식 C와 같이 단계적인 산화·환원 반응이 일어나고 삼산화이철, 사산화삼철 및 산화철수화물 등 다양한 형태로 공기 중에 존재하고 있다. 따라서, 수소 생산 기술에 사용되기에 가장 적합한 철산화물을 선정하여 물분해소재의 조성을 최적화 하는 것이 중요하다.In particular, water decomposition materials using iron oxide are known to have excellent hydrogen production capacity due to their excellent reactivity with water. However, the water decomposition material using iron oxide undergoes a stepwise oxidation/reduction reaction as shown in Formula C below, and exists in the air in various forms such as ferric trioxide, triiron tetraoxide, and iron oxide hydrate. Therefore, it is important to optimize the composition of the water decomposition material by selecting the most suitable iron oxide to be used in hydrogen production technology.

[식 C][Formula C]

Fe2O3 ↔ Fe3O4 ↔ FeO ↔ FeFe 2 O 3 ↔ Fe 3 O 4 ↔ FeO ↔ Fe

본 발명과 관련한 배경기술은 일본 등록특허공보 제6048951호(2016.12.21. 공고, 발명의 명칭: 케미컬 루프법의 고활성 산소 캐리어 재료)에 개시되어 있다.Background art related to the present invention is disclosed in Japanese Patent Publication No. 6048951 (published on December 21, 2016, title of the invention: high active oxygen carrier material of chemical loop method).

본 발명의 하나의 목적은 열안정성, 내구성 및 장기성능이 우수하여, 고온에서의 반복적 산화 환원 반응 시 성능 저하를 방지할 수 있는 물분해소재를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a water decomposition material that is excellent in thermal stability, durability and long-term performance, and can prevent performance degradation during repeated redox reactions at high temperatures.

본 발명의 다른 목적은 물과의 반응성 및 수소 생산 효율성이 우수한 물분해소재를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a water decomposition material having excellent reactivity with water and hydrogen production efficiency.

본 발명의 다른 목적은 상기 물분해소재용 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composition for the water decomposition material.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 물분해소재용 조성물을 이용한 물분해소재의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a water decomposing material using the composition for water decomposing material.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 물분해소재를 이용한 수소 생산 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing hydrogen using the water decomposition material.

본 발명의 하나의 관점은 물분해소재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 물분해소재는 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a water decomposition material. In one embodiment, the water-decomposing material includes an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure.

한 구체예에서 상기 물분해소재는 상기 철산화물계 활성체 60~90 중량% 및 지지체 10~40 중량%를 포함할 수 있다.In one embodiment, the water decomposition material may include 60 to 90% by weight of the iron oxide-based active material and 10 to 40% by weight of the support.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 하기 화학식 1의 철산화물을 포함할 수 있다:In one embodiment, the iron oxide-based activator may include an iron oxide of Formula 1 below:

[화학식 1][Formula 1]

FeaObHc Fe a O b H c

(상기 화학식 1에서, 상기 a는 2 또는 3, b는 3 또는 4, 및 c는 0 또는 2 이다).(In Formula 1, a is 2 or 3, b is 3 or 4, and c is 0 or 2).

한 구체예에서 철산화물계 활성체는 침상 또는 구상일 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based activator may be needle-shaped or spherical.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 비표면적 40m2/g 이상인 침상의 삼산화이철수화물(Fe2O3·H2O)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based active material may include needle-shaped ferric trioxide hydrate (Fe 2 O 3 ·H 2 O) having a specific surface area of 40 m 2 /g or more.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 비표면적 7m2/g 이상인 구상의 삼산화이철(Fe2O3) 및 사산화삼철(Fe3O4) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based active material may include at least one of spherical ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) and triiron tetraoxide (Fe 3 O 4 ) having a specific surface area of 7 m 2 /g or more.

한 구체예에서 상기 물분해소재는 수소 및 질소를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 환원 반응(950℃, 30 분) 후, 물 및 질소를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 산화 반응(950℃, 20 분) 하는 것을 1 사이클로 하는 산화-환원 반응에서, 하기 식 1로 표시되는 20 사이클 후의 산화량이 16 중량% 이상일 수 있다:In one embodiment, the water decomposition material is a mixed gas (flow rate 100 l/min) containing hydrogen and nitrogen in a 1:9 volume ratio and a reduction reaction (950°C, 30 minutes), followed by water and nitrogen in a 1:9 volume ratio In an oxidation-reduction reaction in which one cycle of oxidation reaction (950 ° C., 20 minutes) with a mixed gas containing

[식 1][Equation 1]

산화량(중량%) = [(W2-W1)/W1] * 100Oxidation amount (wt%) = [(W 2 -W 1 )/W 1 ] * 100

(상기 식 1에서, W1은 물분해소재의 초기 질량이고, W2는 20 사이클 후 측정된 물분해소재의 질량이다).(In Equation 1, W 1 is the initial mass of the water decomposing material, and W 2 is the mass of the water decomposing material measured after 20 cycles).

본 발명의 다른 관점은 상기 물분해소재용 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 물분해소재용 조성물은 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함하는 고체원료; 분산제; 및 유기바인더;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to the composition for the water decomposition material. In one embodiment, the composition for a water-decomposing material comprises: a solid raw material comprising an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure; dispersant; and an organic binder.

한 구체예에서 상기 물분해소재용 조성물은, 고체원료 100 중량부, 분산제 1~10 중량부 및 유기바인더 1~10 중량부를 포함하며, 상기 고체원료는 철산화물계 활성체 60~90 중량% 및 지지체 10~40 중량%를 포함할 수 있다.In one embodiment, the composition for a water decomposition material comprises 100 parts by weight of a solid raw material, 1 to 10 parts by weight of a dispersant, and 1 to 10 parts by weight of an organic binder, and the solid raw material is 60 to 90% by weight of an iron oxide-based active material and It may include 10 to 40% by weight of the support.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 하기 화학식 1의 철산화물을 포함할 수 있다:In one embodiment, the iron oxide-based activator may include an iron oxide of Formula 1 below:

[화학식 1][Formula 1]

FeaObHc Fe a O b H c

(상기 화학식 1에서, 상기 a는 2 또는 3, b는 3 또는 4, 및 c는 0 또는 2 이다).(In Formula 1, a is 2 or 3, b is 3 or 4, and c is 0 or 2).

한 구체예에서 상기 분산제는 음이온계 분산제를 포함하며, 상기 유기바인더는 글리콜계 바인더를 포함할 수 있다.In one embodiment, the dispersant may include an anionic dispersant, and the organic binder may include a glycol-based binder.

한 구체예에서 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 용제 0 초과 500 중량부 이하를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, it may further include more than 0 and 500 parts by weight or less of a solvent based on 100 parts by weight of the solid raw material.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 물분해소재용 조성물을 이용한 물분해소재의 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 물분해소재의 제조방법은 고체원료를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제1 혼합물, 분산제 및 유기바인더를 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제2 혼합물을 건조 및 여과하여 여과물을 수득하는 단계; 및 상기 여과물을 소성하는 단계;를 포함하며, 상기 고체원료는 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a water decomposing material using the composition for water decomposing material. In one embodiment, the method for producing the water decomposition material comprises the steps of preparing a first mixture comprising a solid raw material; preparing a second mixture including the first mixture, a dispersant, and an organic binder; drying and filtering the second mixture to obtain a filtrate; and calcining the filtrate, wherein the solid raw material includes an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure.

한 구체예에서 상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물에 분산제를 투입하고 400~650rpm으로 교반하여 제1 교반물을 제조하고; 그리고 상기 제1 교반물에 유기바인더를 투입하고 400~650rpm으로 2차 교반하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.In one embodiment, the second mixture is prepared by adding a dispersing agent to the first mixture and stirring at 400 to 650 rpm; And adding an organic binder to the first agitated material, and the step of secondary stirring at 400 ~ 650rpm; can be prepared including.

한 구체예에서 상기 건조는 120℃ 이상에서 실시될 수 있다.In one embodiment, the drying may be carried out at 120 °C or higher.

한 구체예에서 상기 소성은, 상기 여과물을 200℃에서부터 100℃ 간격으로 3~8℃/min의 승온속도로 단계적으로 승온하여 유지하되, 800~1500℃까지 승온하여 유지하는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment, the calcination, the filtrate is maintained by raising the temperature stepwise at a temperature increase rate of 3 to 8 °C/min at intervals of 100 °C from 200 °C, and maintaining the temperature by raising the temperature to 800 to 1500 °C; can

본 발명의 또 다른 관점은 상기 물분해소재를 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 물분해소재를 이용한 수소 생산 방법은 상기 물분해소재와 환원가스를 반응하여 상기 물분해소재를 환원시키고 물을 생성하는 단계; 및 상기 환원된 물분해소재와 물을 반응하여 수소를 생성하고 상기 물분해소재를 산화시키는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a hydrogen production method using the water decomposition material. In one embodiment, the method for producing hydrogen using the water decomposing material comprises the steps of reacting the water decomposing material with a reducing gas to reduce the water decomposing material and generating water; and reacting the reduced water decomposing material with water to generate hydrogen and oxidizing the water decomposing material.

한 구체예에서 상기 물로 산화된 물분해소재를 산화가스와 반응하여 상기 물분해소재를 재생하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include: reacting the water decomposing material oxidized with water with an oxidizing gas to regenerate the water decomposing material.

본 발명에 따른 물분해소재는 열안정성, 내구성 및 장기성능이 우수하여, 고온에서의 반복적 산화 환원 반응 시 성능 저하를 방지할 수 있으며, 물과의 반응성이 우수하고, 특히 고온의 환원 반응 후 물과의 산화 반응성이 우수하며, 수소 생산 효율성이 우수할 수 있다.The water decomposition material according to the present invention has excellent thermal stability, durability, and long-term performance, so it is possible to prevent performance degradation during repeated redox reactions at high temperatures, and has excellent reactivity with water, especially after a high temperature reduction reaction. It has excellent oxidation reactivity and hydrogen production efficiency.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 물분해소재 제조방법을 나타낸 것이다.1 shows a method for manufacturing a water decomposition material according to an embodiment of the present invention.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.And the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user or operator, so the definition should be made based on the content throughout this specification describing the present invention.

물분해소재water decomposition material

본 발명의 하나의 관점은 물분해소재에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 물분해소재는 철산화물계 활성체; 및 칼슘알루미네이트계 지지체;를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a water decomposition material. In one embodiment, the water decomposition material is an iron oxide-based active material; and a calcium aluminate-based support.

상기 철산화물계 활성체는 케미칼 루핑식 물분해 반응에 직접 참여하며 물분해 반응 과정을 거치면서, 화학적 형태가 변화할 수 있다.The iron oxide-based activator directly participates in the chemical roofing type water decomposition reaction, and the chemical form may change during the water decomposition reaction process.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 하기 화학식 1의 철산화물을 포함할 수 있다:In one embodiment, the iron oxide-based activator may include an iron oxide of Formula 1 below:

[화학식 1][Formula 1]

FeaObHc Fe a O b H c

(상기 화학식 1에서, 상기 a는 2 또는 3, b는 3 또는 4, 및 c는 0 또는 2 이다).(In Formula 1, a is 2 or 3, b is 3 or 4, and c is 0 or 2).

상기 화학식 1의 조건을 만족하는 철산화물을 포함시 상기 물분해소재의 산소 전달 효율성과 내구성 및 장기 성능이 저하될 수 있다.When iron oxide satisfying the conditions of Formula 1 is included, the oxygen transfer efficiency, durability, and long-term performance of the water decomposition material may be reduced.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 삼산화이철 또는 적색산화철로 불리는 Fe2O3(a=2, b=3, c=0); 삼산화이철수화물 또는 황색산화철로 불리는 Fe2O3·H2O(a=2, b=4, c=2); 및 사산화삼철 또는 흑색산화철로 불리는 Fe3O4(a=3, b=4, c=0); 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 종류의 철산화물계 활성체는 상온에서 각각 색상이 달라 육안으로 구분이 가능할 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based activator is Fe 2 O 3 (a=2, b=3, c=0) called ferric trioxide or red iron oxide; Fe 2 O 3 ·H 2 O (a=2, b=4, c=2), also called ferric trioxide hydrate or yellow iron oxide; and Fe 3 O 4 (a=3, b=4, c=0), also called ferric tetraoxide or black iron oxide; It may include one or more of The iron oxide-based activator of the above type may have different colors at room temperature, so it may be possible to distinguish them with the naked eye.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 평균크기가 17㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균크기는, 상기 철산화물계 활성체의 "최대 길이" 또는 "직경"을 의미할 수 있다. 상기 조건에서, 고온에서 상기 물분해소재의 반응 효율성과 내구성 및 장기 성능이 우수할 수 있다. 예를 들면, 상기 철산화물계 활성체는 평균크기가 0 초과 16.5㎛ 일 수 있다. 다른 예를 들면 3~15㎛ 일 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based active material may have an average size of 17 μm or less. The average size may mean a “maximum length” or “diameter” of the iron oxide-based active material. Under the above conditions, the reaction efficiency, durability, and long-term performance of the water-decomposing material at high temperature may be excellent. For example, the iron oxide-based active material may have an average size greater than 0 and 16.5 μm. For another example, it may be 3 ~ 15㎛.

한 구체예에서 철산화물계 활성체는, 침상 또는 구상일 수 있다. 상기 형태에서 상기 물분해소재의 반응성이 우수할 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based active material may be needle-shaped or spherical. In the above form, the reactivity of the water-decomposing material may be excellent.

한 구체예에서 상기 철산화물계 활성체는 비표면적 40m2/g 이상인 침상의 삼산화이철수화물(Fe2O3·H2O)을 포함할 수 있다. 상기 비표면적 조건의 침상의 삼산화이철수화물을 포함시, 구형의 철산화물계 활성체보다 표면적이 높아서, 물분해 반응의 표면 반응 단계에서 기상의 산화제 및 환원제와의 접촉면적을 높여 상기 물분해소재의 반응성을 더욱 향상시키며, 내구성이 우수하고, 고온에서의 반복적인 산화-환원 반응에도 반응성 저하를 최소화하여, 장기반응성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 비표면적은 40~200m2/g 일 수 있다.In one embodiment, the iron oxide-based active material may include needle-shaped ferric trioxide hydrate (Fe 2 O 3 ·H 2 O) having a specific surface area of 40 m 2 /g or more. When the needle-shaped ferric trioxide hydrate of the specific surface area condition is included, the surface area is higher than that of the spherical iron oxide-based active material, so that the contact area with the gaseous oxidizing agent and the reducing agent in the surface reaction step of the water decomposition reaction is increased. Reactivity is further improved, durability is excellent, and reactivity degradation is minimized even in repeated oxidation-reduction reactions at high temperatures, so that long-term reactivity can be excellent. For example, the specific surface area may be 40 to 200 m 2 /g.

다른 구체예에서 상기 철산화물계 활성제는 비표면적 7m2/g 이상인 구형의 삼산화이철 및 비표면적 7m2/g 이상인 구형의 사산화삼철 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 조건에서 고온에서 물분해소재의 반응성, 내구성 및 장기반응성이 우수할 수 있다. 상기 구형의 삼산화이철 및 사산화삼철은 비표면적이 7~20m2/g 일 수 있다.In another embodiment, the iron oxide-based active agent may include at least one of spherical ferric trioxide having a specific surface area of 7 m 2 /g or more and spherical triiron tetraoxide having a specific surface area of 7 m 2 /g or more. Under the above conditions, the reactivity, durability and long-term reactivity of the water-decomposing material at high temperature may be excellent. The spherical ferric trioxide and tetraoxide may have a specific surface area of 7 to 20 m 2 /g.

상기 철산화물계 활성체는 물분해소재 전체중량에 대하여 50~90 중량% 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시, 고온에서 물분해소재의 반응성, 내구성과 장기반응성이 우수할 수 있다. 예를 들면 65~75 중량% 포함될 수 있다.The iron oxide-based activator may be included in an amount of 50 to 90% by weight based on the total weight of the water-decomposing material. When included under the above conditions, the reactivity, durability and long-term reactivity of the water-decomposing material at high temperatures may be excellent. For example, 65 to 75% by weight may be included.

상기 스피넬 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체는 상기 물분해소재에 강도 및 구조적인 안정성을 부여하며, 상기 철산화물계 활성체가 골고루 분산되도록 하는 다공성 구조를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 스피넬 구조의 지지체는 칼슘 알루미네이트(CaAl2O4) 및 다이칼슘알루미네이트(Ca2Al2O5) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 지지체를 포함시 철산화물계 활성체가 용이하게 분산되며, 물분해소재의 안정성, 강도 및 열안정성이 우수할 수 있다.The calcium aluminate-based support having the spinel structure may include a porous structure that imparts strength and structural stability to the water-decomposing material, and allows the iron oxide-based active material to be uniformly dispersed. In one embodiment, the support of the spinel structure may include at least one of calcium aluminate (CaAl 2 O 4 ) and dicalcium aluminate (Ca 2 Al 2 O 5 ). When the support is included, the iron oxide-based active material is easily dispersed, and the stability, strength and thermal stability of the water-decomposing material may be excellent.

한 구체예에서 상기 지지체는 상기 물분해소재 전체중량에 대하여 10~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 물분해소재의 강도 및 열안정성 및 장기성능이 우수할 수 있다. 예를 들면 25~35 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the support may be included in an amount of 10 to 40% by weight based on the total weight of the water decomposing material. When included in the above range, the strength and thermal stability and long-term performance of the water-decomposing material may be excellent. For example, 25 to 35% by weight may be included.

한 구체예에서 상기 물분해소재는 수소(H2) 및 질소(N2)를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 환원 반응(950℃, 30 분) 후, 물(또는 수증기, H2O) 및 질소(N2)를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 산화 반응(950℃, 20 분) 하는 것을 1 사이클로 하는 산화-환원 반응에서, 하기 식 1로 표시되는 20 사이클째 산화 반응 후의 산화량이 16 중량% 이상(물분해소재 100g 중 16g 이상 산화) 일 수 있다:In one embodiment, the water decomposition material is a mixed gas (flow rate 100 l/min) containing hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) in a volume ratio of 1:9 and a reduction reaction (950 ° C., 30 minutes), followed by water (or water vapor, H 2 O) and nitrogen (N 2 ) Oxidation-reduction reaction in which one cycle of oxidation reaction (950 ° C, 20 minutes) with a mixed gas (flow rate 100 l/min) containing nitrogen (N 2 ) in a volume ratio of 1:9 In , the oxidation amount after the 20th cycle oxidation reaction represented by the following formula 1 may be 16 wt% or more (16 g or more oxidation in 100 g of the water decomposition material):

[식 1][Equation 1]

산화량(중량%) = [(W2-W1)/W1] * 100Oxidation amount (wt%) = [(W 2 -W 1 )/W 1 ] * 100

(상기 식 1에서, W1은 물분해소재의 초기 질량이고, W2는 20 사이클 후 측정된 물분해소재의 질량이다).(In Equation 1, W 1 is the initial mass of the water decomposing material, and W 2 is the mass of the water decomposing material measured after 20 cycles).

한 구체예에서 상기 물분해소재의 산화량은 하기 식 1-1과 같이, 초기질량 대비 산화 반응에 따른 질량의 증가량을 백분율로 계산할 수 있다:In one embodiment, the amount of oxidation of the water decomposing material can be calculated as a percentage of the increase in the mass according to the oxidation reaction relative to the initial mass, as shown in Equation 1-1:

[식 1-1][Equation 1-1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식 1에 따른 산화량은, 열중량 분석법(Thermogravimetric analysis, TGA)을 이용하여 측정될 수 있다.The oxidation amount according to Equation 1 may be measured using thermogravimetric analysis (TGA).

상기 식 1의 산화량 조건에서 본 발명 물분해소재의 장기 안정성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 식 1에 따른 산화량은 16~20 중량% 일 수 있다. 본 발명의 물분해소재는 장기 안성성이 우수하여 상기 식 1에 따른 산화량이 16 중량% 이상을 만족하면서, 산화-환원 반응의 반복 시에도 물분해소재의 산화량 감소량을 최소화할 수 있다.The long-term stability of the water-decomposing material of the present invention may be excellent under the oxidation amount condition of Equation 1 above. For example, the oxidation amount according to Equation 1 may be 16 to 20 wt%. The water-decomposing material of the present invention has excellent long-term stability, so that the oxidation amount according to Equation 1 satisfies 16% by weight or more, and the reduction in the amount of oxidation of the water-decomposing material can be minimized even when the oxidation-reduction reaction is repeated.

물분해소재용 조성물Composition for water decomposition material

본 발명의 다른 관점은 상기 물분해소재를 제조하기 위한, 물분해소재용 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 물분해소재용 조성물은 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함하는 고체원료; 분산제; 및 유기바인더;를 포함한다. Another aspect of the present invention relates to a composition for a water decomposing material for producing the water decomposing material. In one embodiment, the composition for a water-decomposing material comprises: a solid raw material comprising an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure; dispersant; and an organic binder.

한 구체예에서 상기 물분해소재용 조성물 원료를 교반 또는 분쇄한 후 원료혼합물의 평균크기는 17㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment, the average size of the raw material mixture after stirring or pulverizing the raw material for the composition for water decomposition material may be 17 μm or less.

상기 고체원료는, 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.Since the solid raw material may be the same as that described above, a description thereof will be omitted.

상기 고체원료는 철산화물계 활성체 60~90 중량% 및 지지체 10~40 중량% 포함할 수 있다. 상기 조건으로 포함시, 고온에서 물분해소재의 반응성, 내구성과 장기반응성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 고체원료는 철산화물계 활성체 65~75 중량% 및 지지체 25~35 중량% 포함할 수 있다.The solid raw material may include 60 to 90% by weight of the iron oxide-based active material and 10 to 40% by weight of the support. When included under the above conditions, the reactivity, durability and long-term reactivity of the water-decomposing material at high temperatures may be excellent. For example, the solid raw material may include 65 to 75% by weight of the iron oxide-based active material and 25 to 35% by weight of the support.

상기 분산제는 음이온계 분산제를 포함할 수 있다. 상기 분산제를 포함시, 상기 철산화물계 활성체의 분산성과, 조성물의 혼합성이 우수하여, 반응 효율성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 음이온계 분산제는 폴리카르복실산 암모늄염, 폴리카르복실산 나트륨염 및 폴리카르복실산 칼륨염 중 하나 이상 포함할 수 있다.The dispersant may include an anionic dispersant. When the dispersing agent is included, the dispersibility of the iron oxide-based active material and the mixing property of the composition are excellent, and thus the reaction efficiency may be excellent. For example, the anionic dispersant may include at least one of an ammonium polycarboxylic acid salt, a polycarboxylic acid sodium salt, and a polycarboxylic acid potassium salt.

한 구체예에서 상기 분산제는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 1~10 중량부 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 철산화물계 활성체의 분산성과, 조성물의 혼합성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~6 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the dispersant may be included in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. When included in the above range, the dispersibility of the iron oxide-based active material and the mixing property of the composition may be excellent. For example, 1 to 6 parts by weight may be included.

상기 유기바인더는 상기 조성물의 제조 과정에서, 활성체 및 지지체를 포함하는 고체원료가 서로 용이하게 결합되어 상기 물분해소재의 기계적 강도를 부여하는 역할을 할 수 있다.The organic binder may serve to provide mechanical strength of the water-decomposing material by easily bonding the solid raw material including the active material and the support to each other during the manufacturing process of the composition.

한 구체예에서 상기 유기바인더는 글리콜계 바인더를 포함할 수 있다. 상기 글리콜계 바인더를 포함시 상기 조성물의 혼합성이 우수하며, 물분해소재의 내구성 등의 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 글리콜계 바인더는 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리프로필렌글리콜 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic binder may include a glycol-based binder. When the glycol-based binder is included, the composition may have excellent mixing properties, and mechanical strength such as durability of the water-decomposable material may be excellent. For example, the glycol-based binder may include one or more of ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, and polypropylene glycol.

한 구체예에서 상기 유기바인더는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 1~10 중량부 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 철산화물계 활성체의 분산성과, 조성물의 혼합성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~6 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the organic binder may be included in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. When included in the above range, the dispersibility of the iron oxide-based active material and the mixing property of the composition may be excellent. For example, 1 to 6 parts by weight may be included.

한 구체예에서 상기 물분해소재용 조성물은 용제를 더 포함할 수 있다. 상기 용제를 포함시 상기 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수할 수 있다.In one embodiment, the composition for water decomposition material may further include a solvent. When the solvent is included, the mixability and dispersibility of the composition may be excellent.

한 구체예에서 상기 용제는 물, 방향족 탄화수소계 화합물, 에테르계 화합물 및 알코올계 화합물 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the solvent may include at least one of water, an aromatic hydrocarbon-based compound, an ether-based compound, and an alcohol-based compound. For example, it may include water.

한 구체예에서 상기 방향족 탄화수소계 화합물은 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 테트라하이드로퓨란(THF) 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the aromatic hydrocarbon-based compound may include at least one of toluene, benzene, xylene, tetrahydrofuran (THF), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

한 구체예에서 상기 에테르계 화합물은 3-메톡시부탄올, 메틸셀로솔브(에틸렌글리콜모노메틸에테르), 에틸렌글리콜모노에틸에테르(셀로솔브), 부틸셀로솔브(에틸렌글리콜모노부틸에테르), 카르비톨(디에틸렌글리콜모노에틸에테르), 부틸카르비톨(디에틸렌글리콜모노부틸에테르) 및 프로필렌글리콜모노메틸에테르 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the ether-based compound is 3-methoxybutanol, methyl cellosolve (ethylene glycol monomethyl ether), ethylene glycol monoethyl ether (cellosolve), butyl cellosolve (ethylene glycol monobutyl ether), carr It may include at least one of bitol (diethylene glycol monoethyl ether), butyl carbitol (diethylene glycol monobutyl ether), and propylene glycol monomethyl ether.

한 구체예에서 상기 알코올계 화합물로는 에탄올, 메탄올, 부탄올, 이소부탄올 및 이소프로필알코올 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the alcohol-based compound may include at least one of ethanol, methanol, butanol, isobutanol, and isopropyl alcohol.

한 구체예에서 상기 용제는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 0 초과 500 중량부 이하 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 상기 고체원료의 활성체가, 지지체 표면에 용이하게 분산되어, 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 상기 물분해소재의 활성 효율이 증가할 수 있다. 예를 들면 30~200 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the solvent may be included in more than 0 and 500 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the solid raw material. When included under the above conditions, the active material of the solid raw material is easily dispersed on the surface of the support, the composition has excellent mixability and dispersibility, and the activation efficiency of the water-decomposing material can be increased. For example, 30 to 200 parts by weight may be included.

철산화물계 금속소재를 이용한 수소생산용 산화-환원반응은 500℃ 이상의 고온에서 반응이 일어난다. 그러나 500℃ 이상의 고온에서는 철(Fe)계 산화물의 응집 현상이 촉진되어 반복적으로 수행되는 산화-환원반응에서 소재의 장기 성능과 내구성이 저하된다. 따라서 수소 생산량 증대와 반응공정의 효율향상을 위해서는 고온의 반복적인 산화-환원반응에서도 우수한 성능을 유지하는 철산화물계 소재를 활성체로 적용한 물분해소재의 개발이 필요하다. The oxidation-reduction reaction for hydrogen production using iron oxide-based metal materials takes place at a high temperature of 500°C or higher. However, at a high temperature of 500° C. or higher, the aggregation of iron (Fe)-based oxides is accelerated, and the long-term performance and durability of the material deteriorate in the repeated oxidation-reduction reaction. Therefore, in order to increase hydrogen production and improve the efficiency of the reaction process, it is necessary to develop a water decomposition material using an iron oxide-based material that maintains excellent performance even in repeated oxidation-reduction reactions at high temperatures as an activator.

본 발명에서는 철산화물계(FeaObHc/a=2,3, b=3,4, c=0,2) 물질을 활성체로 적용하고, 고온에서의 물리화학적 안정성이 우수한 스피넬 구조의 칼슘알루미네이트계 화합물(CaAl2O4, Ca2Al2O5)를 지지체로 적용하여 950℃ 이상 온도에서 20회 이상 반복적으로 수행되는 산화-환원 반응시 물(H2O)과 반응성이 우수하여 산소전달량, 열적 안정성이 우수하고 반응이 진행됨에 따라 비활성화의 정도가 미미한 소재의 최적 조성물 및 대량생산이 가능할 수 있다.In the present invention, iron oxide-based (Fe a O b H c /a = 2,3, b = 3,4, c = 0,2) material is applied as an activator, and a spinel structure with excellent physicochemical stability at high temperature Calcium aluminate-based compound (CaAl 2 O 4 , Ca 2 Al 2 O 5 ) is applied as a support and has excellent reactivity with water (H 2 O) during oxidation-reduction reactions that are repeatedly performed at a temperature of 950° C. or higher for 20 or more times. Thus, the optimal composition and mass production of materials with excellent oxygen delivery amount and thermal stability and with insignificant degree of deactivation as the reaction proceeds may be possible.

물분해소재용 조성물을 이용한 물분해소재 제조방법Method for manufacturing water decomposing material using composition for water decomposing material

본 발명의 또 다른 관점은 상기 물분해소재용 조성물을 이용한 물분해소재 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 물분해소재 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 물분해소재 제조방법은 (S10) 제1 혼합물 제조단계; (S20) 제2 혼합물 제조단계; (S30) 여과물 수득단계; 및 (S40) 소성단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a water decomposing material using the composition for water decomposing material. 1 shows a method for manufacturing a water decomposition material according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the method for manufacturing a water decomposition material includes (S10) a first mixture preparation step; (S20) preparing a second mixture; (S30) obtaining a filtrate; and (S40) a firing step.

보다 구체적으로 상기 물분해소재 제조방법은 (S10) 고체원료를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계; (S20) 상기 제1 혼합물, 분산제 및 유기바인더를 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계; (S30) 상기 제2 혼합물을 건조 및 여과하여 여과물을 수득하는 단계; 및 (S40) 상기 여과물을 소성하는 단계;를 포함한다.More specifically, the method for producing a water decomposition material comprises the steps of (S10) preparing a first mixture containing a solid raw material; (S20) preparing a second mixture including the first mixture, a dispersant, and an organic binder; (S30) drying and filtering the second mixture to obtain a filtrate; and (S40) calcining the filtrate.

(S10) 제1 혼합물 제조단계(S10) first mixture preparation step

상기 단계는 고체원료를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계이다. 예를 들면 상기 제1 혼합물은 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함하는 고체원료와, 용제를 포함하는 제1 혼합물을 제조할 수 있다.The step is a step of preparing a first mixture containing the solid raw material. For example, the first mixture may include a solid raw material including an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure, and a first mixture including a solvent.

상기 철산화물계 활성체, 지지체와 용제는 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있다.The iron oxide-based activator, the support, and the solvent may be the same as those described above.

상기 고체원료는 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함한다.The solid raw material includes an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure.

한 구체예에서 상기 스피넬 구조의 지지체는 칼슘 알루미네이트(CaAl2O4) 및 다이칼슘알루미네이트(Ca2Al2O5) 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the support of the spinel structure may include at least one of calcium aluminate (CaAl 2 O 4 ) and dicalcium aluminate (Ca 2 Al 2 O 5 ).

한 구체예에서 상기 용제는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 0 초과 500 중량부 포함될 수 있다. 상기 조건으로 포함시 상기 고체원료의 활성체가, 상기 지지체의 표면에 용이하게 분산되어, 제1 혼합물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 상기 물분해소재의 활성 효율이 증가할 수 있다. 예를 들면 30~200 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the solvent may be included in an amount greater than 0 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. When included under the above conditions, the active material of the solid raw material is easily dispersed on the surface of the support, and the mixing and dispersibility of the first mixture is excellent, and the activation efficiency of the water decomposing material can be increased. For example, 30 to 200 parts by weight may be included.

(S20) 제2 혼합물 제조단계(S20) second mixture preparation step

상기 단계는 상기 제1 혼합물, 분산제 및 유기바인더를 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계이다.The step is a step of preparing a second mixture including the first mixture, the dispersant and the organic binder.

상기 분산제 및 유기바인더는 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있다.The dispersant and the organic binder may be the same as those described above.

한 구체예에서 상기 분산제는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 1~10 중량부 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 철산화물계 활성체의 분산성과, 조성물의 혼합성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~6 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the dispersant may be included in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. When included in the above range, the dispersibility of the iron oxide-based active material and the mixing property of the composition may be excellent. For example, 1 to 6 parts by weight may be included.

한 구체예에서 상기 유기바인더는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 1~10 중량부 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 철산화물계 활성체의 분산성과, 조성물의 혼합성이 우수할 수 있다. 예를 들면 1~6 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the organic binder may be included in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. When included in the above range, the dispersibility of the iron oxide-based active material and the mixing property of the composition may be excellent. For example, 1 to 6 parts by weight may be included.

한 구체예에서 상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물에 전술한 함량의 분산제를 투입하고 400~650rpm으로 교반(또는 분쇄)하여 제1 교반물을 제조하고; 그리고 상기 제1 교반물에 전술한 함량의 유기바인더를 투입하고 400~650rpm으로 2차 교반(또는 분쇄)하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다. 상기 조건으로 1차 교반 및 2차 교반 또는 분쇄시 혼합성 및 분산성이 우수하여 물분해소재의 내구성, 기계적 물성이 우수하며, 수소 생산 효율성 및 장기반응성이 우수할 수 있다.In one embodiment, the second mixture is prepared by adding a dispersant of the above-described content to the first mixture and stirring (or pulverizing) at 400 to 650 rpm; And adding the organic binder of the above-described content to the first stirring material and secondary stirring (or grinding) at 400 to 650 rpm; may be prepared including. Under the above conditions, the mixability and dispersibility during primary stirring and secondary stirring or pulverization are excellent, so that the durability and mechanical properties of the water decomposition material are excellent, and hydrogen production efficiency and long-term reactivity can be excellent.

(S30) 여과물 수득단계(S30) step of obtaining the filtrate

상기 단계는 상기 제2 혼합물을 건조 및 여과하여 여과물을 수득하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 건조는 상기 제2 혼합물을 120℃ 이상에서 건조하여 실시할 수 있다. 상기 조건에서 제2 혼합물의 수분이 용이하게 증발하여, 상기 물분해소재의 내구성, 기계적 물성이 우수하며, 장기반응성이 우수할 수 있다. 예를 들면 120~200℃에서 10~30 시간 동안 건조할 수 있다.The step is a step of drying and filtering the second mixture to obtain a filtrate. In one embodiment, the drying may be performed by drying the second mixture at 120° C. or higher. Under the above conditions, the moisture of the second mixture is easily evaporated, and the durability and mechanical properties of the water-decomposing material are excellent, and long-term reactivity may be excellent. For example, it can be dried at 120 ~ 200 ℃ for 10 ~ 30 hours.

(S40) 소성단계(S40) firing step

상기 단계는 상기 여과물을 소성하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 소성은 800~1500℃에서 실시할 수 있다. 상기 조건에서 상기 물분해소재의 기계적 강도가 우수하면서, 반응 효율성이 우수할 수 있다.The step is a step of calcining the filtrate. In one embodiment, the sintering may be carried out at 800 to 1500 °C. Under the above conditions, the mechanical strength of the water-decomposing material may be excellent, and the reaction efficiency may be excellent.

한 구체예에서 상기 소성은, 상기 여과물을 200℃에서부터 100℃ 간격으로 단계적으로 3~8℃/min의 승온속도로 승온 및 유지하되, 800~1500℃까지 승온하여 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 조건에서 상기 물분해소재의 기계적 강도가 우수하면서, 반응 효율성이 우수할 수 있다.In one embodiment, the calcination, but raising and maintaining the temperature of the filtrate at a temperature increase rate of 3 to 8 ° C / min step by step at intervals of 100 ° C. have. Under the above conditions, the mechanical strength of the water-decomposing material may be excellent, and the reaction efficiency may be excellent.

예를 들면 상기 소성은 상기 여과물을 200℃에서부터 100℃ 간격으로 단계적으로 5~8℃/min의 승온속도로 승온 및 유지하되, 800~1500℃까지 승온하여 10~20 시간 동안 유지하여 실시할 수 있다. 상기 조건으로 소성시, 상기 물분해소재의 기계적 강도가 우수하면서, 수소 생산 효율성 및 반응 효율성이 우수할 수 있다.For example, the calcination may be carried out by raising and maintaining the temperature of the filtrate at a temperature increase rate of 5-8°C/min step by step at intervals of 100°C from 200°C, raising the temperature to 800-1500°C and maintaining it for 10-20 hours. can When calcined under the above conditions, the mechanical strength of the water decomposition material may be excellent, and hydrogen production efficiency and reaction efficiency may be excellent.

물분해소재를 이용한 수소 생산 방법Hydrogen production method using water decomposition material

본 발명의 또 다른 관점은 상기 물분해소재를 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다. 또는, 상기 물분해소재를 이용한 케미컬 루핑 연소를 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a hydrogen production method using the water decomposition material. Or, it relates to a hydrogen production method using the chemical roof combustion using the water decomposition material.

한 구체예에서 상기 물분해소재를 이용한 수소 생산 방법은 상기 물분해소재와 환원가스를 반응하여 상기 물분해소재를 환원시키고 물을 생성하는 단계; 및 상기 환원된 물분해소재와 물을 반응하여 수소를 생성하고 상기 물분해소재를 산화시키는 단계;를 포함한다.In one embodiment, the method for producing hydrogen using the water decomposing material comprises the steps of reacting the water decomposing material with a reducing gas to reduce the water decomposing material and generating water; and reacting the reduced water decomposing material with water to generate hydrogen and oxidizing the water decomposing material.

한 구체예에서 상기 환원가스는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 및 탄화수소 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the reducing gas may include at least one of hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), and hydrocarbon compounds.

한 구체예에서 상기 물로 산화된 물분해소재를 산화가스와 반응하여 상기 물분해소재를 재생하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include: reacting the water decomposing material oxidized with water with an oxidizing gas to regenerate the water decomposing material.

한 구체예에서 상기 산화가스는 산소 또는 공기를 포함할 수 있다.In one embodiment, the oxidizing gas may include oxygen or air.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, these are presented as preferred examples of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense. Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by those skilled in the art.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

실시예 1 Example 1

(1) 제1 혼합물 제조: 철산화물계 활성체로 하기 표 1 조건의 삼산화이철(Fe2O3) 70 중량%와 스피넬(spinel) 구조의 지지체(칼슘 알루미네이트(CaAl2O4)) 30 중량%를 포함하는 고체원료 100 중량부와 용제(증류수) 30~200 중량부를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하였다.(1) Preparation of the first mixture: 70 wt% of ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) and a spinel structure support (calcium aluminate (CaAl 2 O 4 )) 30 wt. % was mixed with 100 parts by weight of a solid raw material and 30 to 200 parts by weight of a solvent (distilled water) to prepare a first mixture.

(2) 제2 혼합물 제조: 상기 제1 혼합물에 상기 고체원료 100 중량부와 분산제(폴리카르복실산 암모늄염) 2 중량부를 투입하고, 400~650rpm으로 교반하여 제1 교반물을 제조하였다. 그 다음에, 상기 제1 교반물에 상기 고체원료 100 중량부를 기준으로 유기바인더(폴리에틸렌글리콜) 3 중량부를 투입하고 400~650rpm으로 교반하여 제2 혼합물을 제조하였다.(2) Preparation of second mixture: 100 parts by weight of the solid raw material and 2 parts by weight of a dispersant (ammonium polycarboxylic acid salt) were added to the first mixture, and stirred at 400 to 650 rpm to prepare a first stirred product. Then, 3 parts by weight of an organic binder (polyethylene glycol) was added to the first stirred water based on 100 parts by weight of the solid raw material, and stirred at 400 to 650 rpm to prepare a second mixture.

(3) 여과물 수득: 상기 제2 혼합물을 공기 분위기 환류 건조기에서 120~200℃에서 24시간 동안 건조하고, 체거름을 통해 여과하여 53~150㎛ 크기의 여과물을 선별하여 수득하였다.(3) Obtaining filtrate: The second mixture was dried in an air atmosphere reflux dryer at 120 to 200° C. for 24 hours, and filtered through a sieve to obtain a filtrate having a size of 53 to 150 μm.

(4) 소성: 상기 여과물을 200℃에서부터 100℃ 간격으로 단계적으로 5℃/min의 승온속도로 승온 및 유지하되, 1000℃까지 승온하고 12 시간 동안 유지하여 소성하여 물분해소재를 제조하였다.(4) Firing: The filtrate was heated and maintained at a temperature increase rate of 5 °C/min step by step at intervals of 100 °C from 200 °C, but the temperature was raised to 1000 °C and held for 12 hours and calcined to prepare a water decomposition material.

실시예 2Example 2

지지체로 하기 표 2의 다이칼슘알루미네이트(Ca2Al2O5)를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposable material was prepared in the same manner as in Example 1, except that dicalcium aluminate (Ca 2 Al 2 O 5 ) of Table 2 below was applied as a support.

비교예 1Comparative Example 1

지지체로 하기 표 2의 알루미나(Al2O3)를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposing material was prepared in the same manner as in Example 1, except that alumina (Al 2 O 3 ) of Table 2 was applied as a support.

실시예 3Example 3

활성체로 하기 표 1 조건의 사산화삼철(Fe4O3)을 적용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposing material was prepared in the same manner as in Example 1, except that triiron tetraoxide (Fe 4 O 3 ) of the conditions in Table 1 below was applied as an activator.

실시예 4Example 4

하기 표 3 조건의 지지체를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposing material was prepared in the same manner as in Example 3, except that the support of the following Table 3 conditions was applied.

비교예 2Comparative Example 2

지지체로 하기 표 3의 알루미나(Al2O3)를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposing material was prepared in the same manner as in Example 3, except that alumina (Al 2 O 3 ) of Table 3 was applied as a support.

실시예 5~6Examples 5-6

고체원료로 하기 표 1 조건의 삼산화이철수화물(Fe2O3·H2O) 활성체 60 중량% 및 하기 표 4 조건의 지지체 40 중량%를 적용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.Water in the same manner as in Example 1, except that 60 wt% of ferric trioxide hydrate (Fe 2 O 3 ·H 2 O) active material under the conditions of Table 1 below and 40 wt% of support under the conditions of Table 4 below were applied as solid raw materials. A decomposition material was prepared.

비교예 3~10Comparative Examples 3 to 10

하기 표 4 조건의 지지체를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposable material was prepared in the same manner as in Example 5, except that the support in Table 4 conditions was applied.

실시예 7~8Examples 7-8

활성체 70 중량%와 하기 표 5 조건의 지지체 30 중량%를 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.A water-decomposable material was prepared in the same manner as in Example 5, except that 70% by weight of the activator and 30% by weight of the support according to the conditions in Table 5 were applied.

비교예 11Comparative Example 11

하기 표 5 조건의 지지체 30 중량%를 적용하되, 칼슘알루미네이트의 산화칼슘과 알루미나의 조성비율(CaO 50 몰% 및 Al2O3 50 몰%)과 동일하도록 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 7과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.Example 7 above, except that 30 wt% of the support of the following Table 5 conditions was applied, and the composition ratio of calcium oxide and alumina of calcium aluminate (CaO 50 mol% and Al 2 O 3 50 mol%) was applied to be the same. A water-decomposing material was prepared in the same manner as in

비교예 12Comparative Example 12

하기 표 5 조건의 지지체 30 중량%를 적용하되, 다이칼슘알루미네이트의 산화칼슘과 알루미나의 조성비율(CaO 67 몰% 및 Al2O3 33 몰%)과 동일하도록 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 8과 동일한 방법으로 물분해소재를 제조하였다.30% by weight of the support of the following Table 5 conditions was applied, except that the composition ratio of calcium oxide and alumina of dicalcium aluminate (CaO 67 mol% and Al 2 O 3 33 mol%) was applied to be the same as the above Examples A water decomposition material was prepared in the same manner as in 8.

Figure pat00002
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Figure pat00003
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Figure pat00004
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Figure pat00005
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실험예Experimental example

장기 반응성능 평가: 상기 실시예 1~8 및 비교예 1~12를 통해 제조된 물분해소재에 대하여, 장기 반응 성능을 평가하였다. 구체적으로 상기 물분해소재(초기 질량: 10mg)에 대하여, 수소(H2) 및 질소(N2)를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 환원 반응(950℃, 30 분) 후, 물(또는 수증기, H2O) 및 질소(N2)를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 산화 반응(950℃, 20 분) 하는 것을 1 사이클로 하는 산화-환원 반응을 반복 실시하고, 하기 식 1로 표시되는 5 사이클 및 20 사이클째 산화 반응 후의 산화량을 열중량 분석법을 이용하여 측정하였다. 각 사이클의 산화-환원반응의 종료시, 상기 물분해 소재 및 반응 장치 내에 존재할 수 있는 잔류가스를 제거하기 위해 순수 질소 가스를 5분 내지 10분 동안 흘려주었으며, 5 사이클 진행 후를 기준으로 20 사이클 진행 후의 산화량 감소량을 계산하여 그 결과를 표 6 내지 표 9에 나타내었다:Long-term reaction performance evaluation: For the water decomposition materials prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 12, long-term reaction performance was evaluated. Specifically, with respect to the water decomposition material (initial mass: 10 mg), a mixed gas (flow rate 100 l/min) containing hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) in a 1:9 volume ratio and a reduction reaction (950 ° C., 30 minutes), followed by an oxidation reaction (950°C, 20 minutes) with a mixed gas (flow rate 100 l/min) containing water (or water vapor, H 2 O) and nitrogen (N 2 ) in a 1:9 volume ratio 1 The oxidation-reduction reaction according to the cycle was repeated, and the oxidation amount after the oxidation reaction at the 5th cycle and the 20th cycle represented by the following formula 1 was measured using thermogravimetric analysis. At the end of the oxidation-reduction reaction of each cycle, pure nitrogen gas was flowed for 5 to 10 minutes to remove residual gas that may exist in the water decomposition material and the reaction device, and 20 cycles were performed after 5 cycles After calculating the amount of oxidation decrease, the results are shown in Tables 6 to 9:

[식 1][Equation 1]

산화량(중량%) = [(W2-W1)/W1] * 100Oxidation amount (wt%) = [(W 2 -W 1 )/W 1 ] * 100

(상기 식 1에서, W1은 물분해소재의 초기 질량(mg)이고, W2는 5 사이클 및 20 사이클 후 측정된 물분해소재의 질량(mg)이다).(In Equation 1, W 1 is the initial mass (mg) of the water decomposing material, and W 2 is the mass (mg) of the water decomposing material measured after 5 cycles and 20 cycles).

Figure pat00007
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Figure pat00008
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Figure pat00009
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Figure pat00010
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상기 표 6 내지 표 9의 결과를 참조하면, 실시예 1~4의 물분해소재는 촉매, 흡착제 등 화학반응 소재의 지지체로 일반적으로 널리 사용되는 알루미나(Al2O3)를 적용한 비교예 1 내지 3에 비해 5 사이클 및 20 사이클 후 측정된 산화량이 최소 9 중량%에서 최대 13 중량%의 성능이 향상된 것을 알 수 있으며, 비교예 1 내지 3에 비해 산화량 감소량이 매우 우수한 것을 알 수 있다.Referring to the results of Tables 6 to 9, the water decomposition materials of Examples 1 to 4 are comparative examples 1 to which generally widely used alumina (Al 2 O 3 ) is applied as a support for chemical reaction materials such as catalysts and adsorbents. It can be seen that the performance of the measured oxidation amount after 5 cycles and 20 cycles is improved from a minimum of 9 wt% to a maximum of 13 wt% compared to 3, and it can be seen that the reduction amount of the oxidation amount is very excellent compared to Comparative Examples 1 to 3.

상기 실시예 5~6은 본 발명과 상이한 스피넬 구조의 알루미나 지지체를 적용한 비교예 4~10에 비해 5 사이클 및 20 사이클 후 측정된 산화량이 최소 1.5 중량%에서 최대 4 중량% 성능이 향상된 것을 알 수 있으며, 비교예 4 내지 10에 비해 산화량 감소량이 매우 우수한 것을 알 수 있다.In Examples 5-6, it can be seen that the oxidation amount measured after 5 cycles and 20 cycles improved by at least 1.5 wt% to a maximum of 4 wt% compared to Comparative Examples 4 to 10 to which an alumina support having a spinel structure different from the present invention was applied. and it can be seen that the amount of oxidation reduction is very excellent compared to Comparative Examples 4 to 10.

또한, 상기 실시예 7 및 8은 동일한 산화칼슘 및 알루미나 성분비율을 지닌 지지체를 적용한 비교예 11~12에 비해 5 사이클 및 20 사이클 후 측정된 산화량이 최소 1.7 중량%에서 최대 3 중량% 성능이 향상된 것을 알 수 있었다.In addition, in Examples 7 and 8, compared to Comparative Examples 11 to 12 to which a support having the same calcium oxide and alumina component ratio was applied, the oxidation amount measured after 5 cycles and 20 cycles was at least 1.7% by weight and up to 3% by weight. could see that

따라서, 철산화물계 활성체와, 단일 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계(CaAl2O4 및 Ca2Al2O5)를 지지체로 하여 본 발명에서 제시하는 조성 범위에서 물분해소재를 제조함으로써 900℃ 이상의 고온에서 물분해소재의 산소전달량 및 장기안정성이 향상됨을 확인하였다.Therefore, a water-decomposing material was prepared in the composition range presented in the present invention by using an iron oxide-based activator and a calcium aluminate-based single spinel structure (CaAl 2 O 4 and Ca 2 Al 2 O 5 ) as a support. By doing so, it was confirmed that the oxygen delivery amount and long-term stability of the water decomposition material were improved at a high temperature of 900°C or higher.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Up to now, the present invention has been mainly examined in the examples. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

Claims (18)

철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재.
A water decomposition material comprising an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure.
제1항에 있어서, 상기 물분해소재는 상기 철산화물계 활성체 60~90 중량% 및 지지체 10~40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재.
The water-decomposing material according to claim 1, wherein the water-decomposing material comprises 60 to 90% by weight of the iron oxide-based active material and 10 to 40% by weight of the support.
제1항에 있어서, 상기 철산화물계 활성체는 하기 화학식 1의 철산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재:
[화학식 1]
FeaObHc
(상기 화학식 1에서, 상기 a는 2 또는 3, b는 3 또는 4, 및 c는 0 또는 2 이다).
[Claim 2] The water decomposition material according to claim 1, wherein the iron oxide-based active material comprises an iron oxide represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Fe a O b H c
(In Formula 1, a is 2 or 3, b is 3 or 4, and c is 0 or 2).
제1항에 있어서, 철산화물계 활성체는 침상 또는 구상인 것을 특징으로 하는 물분해소재.
The water-decomposing material according to claim 1, wherein the iron oxide-based active material is needle-shaped or spherical.
제1항에 있어서, 상기 철산화물계 활성체는 비표면적 40m2/g 이상인 침상의 삼산화이철수화물(Fe2O3·H2O)을 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재.
The water decomposition material according to claim 1, wherein the iron oxide-based active material comprises needle-shaped ferric trioxide hydrate (Fe 2 O 3 ·H 2 O) having a specific surface area of 40 m 2 /g or more.
제1항에 있어서, 상기 철산화물계 활성체는 비표면적 7m2/g 이상인 구상의 삼산화이철(Fe2O3) 및 사산화삼철(Fe3O4) 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재.
The water decomposition according to claim 1, wherein the iron oxide-based active material comprises at least one of spherical ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) and triiron tetraoxide (Fe 3 O 4 ) having a specific surface area of 7 m 2 /g or more. Material.
제1항에 있어서, 상기 물분해소재는 수소 및 질소를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 환원 반응(950℃, 30 분) 후, 물 및 질소를 1:9 부피비로 포함하는 혼합가스(유량 100 l/min)와 산화 반응(950℃, 20 분) 하는 것을 1 사이클로 하는 산화-환원 반응에서,
하기 식 1로 표시되는 20 사이클 후의 산화량이 16 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 물분해소재:
[식 1]
산화량(중량%) = [(W2-W1)/W1] * 100
(상기 식 1에서, W1은 물분해소재의 초기 질량이고, W2는 20 사이클 후 측정된 물분해소재의 질량이다).
The method according to claim 1, wherein the water decomposition material is a mixed gas (flow rate 100 l/min) containing hydrogen and nitrogen in a volume ratio of 1:9 and a reduction reaction (950°C, 30 minutes), followed by water and nitrogen in a ratio of 1:9 In an oxidation-reduction reaction in which one cycle is performed with a mixed gas (flow rate 100 l/min) and an oxidation reaction (950°C, 20 minutes) containing in a volume ratio,
Water decomposition material, characterized in that the oxidation amount after 20 cycles represented by the following formula 1 is 16 wt% or more:
[Equation 1]
Oxidation amount (wt%) = [(W 2 -W 1 )/W 1 ] * 100
(In Equation 1, W 1 is the initial mass of the water decomposing material, and W 2 is the mass of the water decomposing material measured after 20 cycles).
철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함하는 고체원료;
분산제; 및
유기바인더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재용 조성물.
a solid raw material comprising an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure;
dispersant; and
An organic binder; a composition for water decomposition material comprising a.
제8항에 있어서, 상기 물분해소재용 조성물은,
고체원료 100 중량부,
분산제 1~10 중량부 및
유기바인더 1~10 중량부를 포함하며,
상기 고체원료는 철산화물계 활성체 60~90 중량% 및 지지체 10~40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재용 조성물.
According to claim 8, wherein the composition for water decomposition material,
100 parts by weight of solid raw material,
1 to 10 parts by weight of a dispersant and
Contains 1 to 10 parts by weight of organic binder,
The solid raw material is a composition for water decomposition material, characterized in that it comprises 60 to 90% by weight of the iron oxide-based active material and 10 to 40% by weight of the support.
제8항에 있어서, 상기 철산화물계 활성체는 하기 화학식 1의 철산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재용 조성물:
[화학식 1]
FeaObHc
(상기 화학식 1에서, 상기 a는 2 또는 3, b는 3 또는 4, 및 c는 0 또는 2 이다).
The composition for a water decomposition material according to claim 8, wherein the iron oxide-based active material comprises an iron oxide represented by the following formula (1):
[Formula 1]
Fe a O b H c
(In Formula 1, a is 2 or 3, b is 3 or 4, and c is 0 or 2).
제8항에 있어서, 상기 분산제는 음이온계 분산제를 포함하며,
상기 유기바인더는 글리콜계 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재용 조성물.
9. The method of claim 8, wherein the dispersant comprises an anionic dispersant,
The organic binder is a water-decomposing material composition comprising a glycol-based binder.
제8항에 있어서, 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 용제 0 초과 500 중량부 이하 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재용 조성물.
The composition for a water decomposing material according to claim 8, further comprising more than 0 and 500 parts by weight or less of a solvent based on 100 parts by weight of the solid raw material.
고체원료를 포함하는 제1 혼합물을 제조하는 단계;
상기 제1 혼합물, 분산제 및 유기바인더를 포함하는 제2 혼합물을 제조하는 단계;
상기 제2 혼합물을 건조 및 여과하여 여과물을 수득하는 단계; 및
상기 여과물을 소성하는 단계;를 포함하며,
상기 고체원료는 철산화물계 활성체 및 스피넬(spinel) 구조의 칼슘알루미네이트계 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재 제조방법.
preparing a first mixture including a solid raw material;
preparing a second mixture including the first mixture, a dispersant, and an organic binder;
drying and filtering the second mixture to obtain a filtrate; and
Including; calcining the filtrate;
The solid raw material is a water-decomposing material manufacturing method, characterized in that it comprises an iron oxide-based active material and a calcium aluminate-based support having a spinel structure.
제13항에 있어서, 상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물에 분산제를 투입하고 400~650rpm으로 교반하여 제1 교반물을 제조하고; 그리고
상기 제1 교반물에 유기바인더를 투입하고 400~650rpm으로 2차 교반하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 물분해소재 제조방법.
14. The method of claim 13, wherein the second mixture is prepared by adding a dispersant to the first mixture and stirring at 400 to 650 rpm to prepare a first stirring; and
A method for producing a water decomposing material, characterized in that it is prepared including; adding an organic binder to the first stirring material and second stirring at 400 to 650 rpm.
제13항에 있어서, 상기 건조는 120℃ 이상에서 실시되는 것을 특징으로 하는 물분해소재 제조방법.
The method of claim 13, wherein the drying is carried out at 120° C. or higher.
제13항에 있어서, 상기 소성은, 상기 여과물을 200℃에서부터 100℃ 간격으로 3~8℃/min의 승온속도로 단계적으로 승온하여 유지하되, 800~1500℃까지 승온하여 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물분해소재 제조방법.
14. The method of claim 13, wherein the calcination, the filtrate is maintained by raising the temperature stepwise at a rate of 3 to 8 °C/min at intervals of 100 °C from 200 °C, raising and maintaining the temperature to 800 to 1500 °C; Water decomposition material manufacturing method, characterized in that it comprises.
제1항 내지 제7항중 어느 한 항의 물분해소재와 환원가스를 반응하여 상기 물분해소재를 환원시키고 물을 생성하는 단계; 및
상기 환원된 물분해소재와 물을 반응하여 수소를 생성하고 상기 물분해소재를 산화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
Claims 1 to 7 by reacting the water decomposition material and a reducing gas of any one of claims 1 to 7, reducing the water decomposition material and generating water; and
Hydrogen production method comprising a; generating hydrogen by reacting the reduced water decomposing material with water and oxidizing the water decomposing material.
제17항에 있어서, 상기 물로 산화된 물분해소재를 산화가스와 반응하여 상기 물분해소재를 재생하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
18. The method of claim 17, further comprising the step of reacting the water decomposing material oxidized with water with an oxidizing gas to regenerate the water decomposing material.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100526052B1 (en) * 2003-10-15 2005-11-08 한국에너지기술연구원 The preparation method of metal oxide with the high redox reactivity for hydrogen production from water
KR20130035642A (en) * 2011-09-30 2013-04-09 한국전력공사 Oxygen carriers and manufacturing method thereof
US20160332151A1 (en) * 2014-01-06 2016-11-17 North Carolina State University Mixed-conductor enhanced composite and core-shell oxides for cyclic redox production of fuels and chemicals
KR20200005828A (en) * 2018-07-09 2020-01-17 충남대학교산학협력단 Porous Ni-Al-Mo Cathod for Alkaline Water Electrolysis, Preparation Method thereof and Ni-Al-Mo Coating Material for Thermal Spray

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100526052B1 (en) * 2003-10-15 2005-11-08 한국에너지기술연구원 The preparation method of metal oxide with the high redox reactivity for hydrogen production from water
KR20130035642A (en) * 2011-09-30 2013-04-09 한국전력공사 Oxygen carriers and manufacturing method thereof
US20160332151A1 (en) * 2014-01-06 2016-11-17 North Carolina State University Mixed-conductor enhanced composite and core-shell oxides for cyclic redox production of fuels and chemicals
KR20200005828A (en) * 2018-07-09 2020-01-17 충남대학교산학협력단 Porous Ni-Al-Mo Cathod for Alkaline Water Electrolysis, Preparation Method thereof and Ni-Al-Mo Coating Material for Thermal Spray

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.Cabello et al., Relevance of the catalytic activity on the performance of a NiO/CaAl2O4 oxygen carrier in a CLC process, Applied Catalysis B: Environmental, 147 (2014) 980 내지 987쪽, 2013.10.24.온라인게재* *
K. Otsuka et al., Chemical storage of hydrogen by modified iron oxides, Journal of Power Sources, 122 (2), 111~121쪽, 2003.4.22.발행 *
Liisa K. Rihko-Struckmann et al., Hydrogen and Carbon Monoxide Production by Chemical Looping over Iron-Aluminium Oxides, Energy Technol. 4, 304~313쪽, 2015.10.30.발행* *
M.Johansson et al., Investigation of Fe2O3 with MgAl2O4 for Chemical-Looping Combustion, Ind. Eng. Chem. Res. 43, 6978~6987쪽, 2004.9.25.발행* *
Tobias Mattisson et al., Multicycle Reduction and Oxidation of Different Types of Iron Oxide Particles-Application to Chemical-Looping Combustion, Energy Fuels 2004, 18, 3, 628~637쪽, 2004.3.10.발행 *
Xing Zhu et al., Chemical-looping water splitting over ~ during redox cycling, Chemical Engineering Science, 179, 92~103쪽, 2018.1.10.발행 *
Zhong Ma et al., Insights into the relationship between ~ carrier in chemical looping combustion, Energy Conversion and Management 188 (2019) 429~437쪽, 2019.3.29.발행 *

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