새로운 고온 수소생성촉매 $Ni_3Al-foil$의 개발

Abstract

본 연구진은 최근 floating zone furnace를 이용한 일방향응고법으로 단결정 $Ni_3Al$ ingot을 제조한 뒤, 냉간압연을 통하여 두께 100μm이하의 박판성형에 성공하였다. $Ni_3Al$ 합금은 열적?화학적으로 안정하기 때문에 표면구조 개선을 통해 수소생성반응용 촉매로서의 응용이 매우 유망하다. 본 연구에서는 $Ni_3Al$ 박판재를 수소생성반응에 효과적인 표면구조로 개선시키기 위하여 산화ㆍ환원분위기에서 열처리를 수행하고, 이후 촉매로서의 응용가능성을 조사하였다. $Ni_3Al$ 박판재를 700℃에서 30분간 산화분위기에서 열처리시 $Ni_3Al$ 박판재의 표면에 $NiO/Al_2O_3$ 의 산화층이 형성되었고, 형성된 각 산화층에 대하여 환원분위기에서 열처리를 수행한 결과 $Ni/Al_2O_3$ 구조의 금속담지촉매가 $Ni_3Al$ 박판재의 표면에 형성되었다. 또한 환원분위기 열처리 이후 형성된 촉매의 표면을 관찰한 결과 미세한 Ni입자들이 담체인 $Al_2O_3$ 위에 분포되어 있는 것을 확인하였다. 따라서 산화ㆍ환원분위기 열처리를 통하여 $Ni_3Al$ 박판재의 촉매로서의 응용가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 본 실험결과 수소화반응촉매로서 산화·환원처리한 $Ni_3Al$ 박판재가 Ni 박판재보다 더 뛰어난 활성을 보인다. 이는 산화·환원처리에 의해 생성된 Ni이 담체로 형성된 $Al_2O_3$ 에 의하여 균일하게 분산되어 넓은 면적에서 효율적으로 수소생성반응을 시키기 때문인 것으로 예상된다. 또한 $Ni_3Al$ 박판재위에 촉매를 형성시키기 위하여 산화처리를 수행한 경우, 크게 $NiO/Al_2O_3$, $NiO/NiAl_2O_4/Al_2O_3$ 의 두가지 산화구조가 얻어지고 $NiO/Al_2O_3$ 산화구조의 경우 $Al_2O_3$ 층의 구조에 따라 NiO/discontinuous $Al_2O_3$, NiO/continuous $Al_2O_3$ 의 산화구조로 나뉠 수 있다. 이들 중 NiO/discontinuous $Al_2O_3$ 의 산화층을 갖는 조건에서 활성이 높은 금속담지촉매를 얻을 수 있었다. 산화시킨 $Ni_3Al$ 박판재를 메탄올분해반응 시킬 때 환원처리를 하지 않아도 자발적으로 수소가 발생이 되고 이 효율은 NiO의 환원특성에 크게 의존한다. 그리고 필요이상으로 높은 온도에서 환원처리 시 active site(Ni)의 sintering을 유발하기 때문에, 높은 활성을 나타내는 촉매를 제작하기 위해서는 적절한 환원조건 설정이 필수적인 것으로 판단된다.