수소화붕소나트륨의 탈수소 반응을 위한 코발트 촉매의 내구도 향상 연구

국문 초록 (Abstract)

다양한 수소 저장화합물 중 10.6 wt%의 수소를 포함한 Sodium borohydride(SBH)는 수소 저장체로써 매우 유용한 물질이다. 하지만 가수분해 시 과량의 물이 필요하다는 단점 때문에 촉매를 이용한 SBH 탈수소 촉진 연구가 활발히 진행되고 있다. Cobalt Boride(CoB)는 금속 촉매로 SBH의 탈수소 반응을 가속시키는 촉매로 알려져 있으며 이를 사용하면 소량의 물로도 높은 전환율을 달성할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 분말 형태의 CoB 촉매는 연속식 시스템에 적용 시 회수 및 반복 사용에 한계가 존재한다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 분말 형태의 CoB 촉매와 Silica sol, SBR 바인더를 사용하여 펠렛 형태의 촉매를 제조하여 촉매의 내구성을 향상하고자 하였다. 이때 각 성분의 비율을 최적화하였으며, XPS, SEM-EDS 분석과 UTM 기기를 통해 각 펠렛 촉매의 특성을 확인하여 실제 반복 사용을 통해 각 촉매의 내구성을 확인하였다. SBR 바인더를 사용한 경우 15회까지 반복 사용을 하여도 펠렛이 파손되지 않았으며, 전환율 또한 높게 유지되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sodium borohydride (SBH) is a highly promising hydrogen storage material. However, its hydrolysis requires excess water, limiting its practical applications. To overcome this limitation, extensive studies have been conducted on the catalytic dehydrogenation of SBH. Cobalt boride (CoB) is an effective catalyst for SBH hydrolysis. However, powdered catalysts suffer from poor recovery, structurally degrade during repeated use, even when pelletized, limiting their long-term and repeated operation. Therefore, in this study, pelletized catalysts were prepared by applying silica sol and styrene-butadiene rubber (SBR) binders to CoB powder to improve its durability. Optimization of the binder ratio revealed that CoB:SBR at 70:30 wt. % maintained a high SBH conversion efficiency of 97%, even after 15 repeated cycles, demonstrating excellent stability. Furthermore, structural and mechanical property analyses confirmed that the plastic deformation induced by SBR effectively absorbed the external loads generated during the dehydrogenation reaction, thereby facilitating the preservation of the pellet morphology.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 및 목적 1
• 제 2 절 이론 및 선행 연구 4
• 제 1 항 PEMFC 4
• 제 2 항 수소 저장 방법 7
• 제 1 목 물리적 수소 저장 8
• 제 2 목 화학적 수소 저장 9
• 제 3 목 Sodium borohydride의 탈수소 메커니즘 13
• 제 3 항 탈수소 반응용 촉매 19
• 제 1 목 균일 촉매 22
• 제 2 목 불균일 촉매 23
• 제 3 목 Cobalt Boride 촉매 24
• 제 2 장 실험 29
• 제 1 절 사용 재료 29
• 제 2 절 촉매 제조 30
• 제 3 절 반응기 31
• 제 4 절 탈수소 반응 실험 33
• 제 5 절 특성 분석 34
• 제 3 장 결과 및 고찰 35
• 제 1 절 바인더를 사용하지 않은 펠렛 촉매의 반응 특성 35
• 제 2 절 바인더를 사용한 펠렛 촉매의 반응 특성 38
• 제 3 절 반응 전후 펠렛 촉매의 표면 변화 43
• 제 1 항 XPS 분석 43
• 제 2 항 SEM-EDS 분석 47
• 제 4 절 펠렛 촉매의 기계적 물성 분석 55
• 제 5 절 펠렛 촉매의 반복 사용 실험 58
• 제 1 항 반복 실험을 통한 내구성 확인 58
• 제 2 항 반복 사용에 따른 반응 속도 변화 60
• 제 3 항 반복 사용에 따른 펠렛 촉매 외관 변화 62
• 제 4 장 결 론 64
• 참고문헌 65
• Abstract 76