컴퓨터 시스템의 성능 및 다양한 전산모사 프로그램의 발전으로 더 복잡한 원소로 이루어진 화학시스템의 해석이 가능해지고, 그에 따라 분자동역학 전사모사를 활용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 기존에는 실험위주로 진행되던 고분자 막에 대한 기체 투과 특성을 계산하는 연구가 관심을 받고 있고, 식품포장, 의약품등에 사용되고 있는 기체차단성 막 에 대한 분자동역학 연구가 많이 이루어지고 있다. 최근 실크 피브로인을 이용해 코팅막을 만들었을 때 기체 차단 효과가 나 타난다는 보고가 있었고, 본 연구에서는 이러한 실크 피브로인을 활용해 복합막을 만들었을 때 산소 차단 효과가 나타나는지 확인하고자 분자동역학 전산모사를 이용해 연구를 진행하였다. 단일 모델을 제작하고 기체 투과 특성을 계산하고 실험값과 비교를 통해 모델이 실제 실험 결과를 반영하는 것을 확인하였고, 실제 복합막 모델을 만들어 고분자 내에서 기체 이동경로 분석을 진행한 결과 산소 분자가 피브로인 영역을 통과하지 못하고 막히는 것을 보여주었다. 따라서, 실크 피브로인이 도입된 복합막이 산소 차단 성능이 우수하여, 식품포장 등에 유용할 것으로 기대된다.

Cobalt tetraphenylporphyrin-benzylimidazole (CoTpp-BIm)을 산소 운반체로 이용하여 polyethersulfone (PES)와의 혼합물을 기반으로 하는 혼합 구조의 평판형 분리막의 기체 분리 성능을 조사하였다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막은 손가락 구조와 스폰지형 구조가 혼합된 비대칭 구조를 가졌고, 상부표면은 치밀한 형태를 보였다. 기체분리 성능 실험은 94%의 N2 기체에 6%의 O2가 혼합된 기체를 사용하여 평가하였다. 산소 및 질소 투과율은 △P가 15~228 cmHg 범위에서 실험하였고, PES막의 투과면은 진공수준으로 유지되었다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막의 산소 투과율은 공급 압력이 감소함에 따라 증가 하였다. 공급 압력이 15 cmHg일 때 산소 투과율(Po2)는 6676 Barrer이었고, O2/N2 선택도(α)는 6.1, 촉진인자(F)는 2.39까지 증가하였다. 이를 바탕으로 PES막에 CoTpp-BIm을 첨가하면 산소분리 특성이 향상되는 것을 확인하였다.

In anion exchange membrane fuel cells, Pd nanoparticles are extensively studied as promising non-Pt catalysts due to their electronic structure similar to Pt. In this study, to fabricate Pd nanoparticles well dispersed on carbon support materials, we propose a synthetic strategy using mixed organic ligands with different chemical structures and functions. Simultaneously to control the Pd particle size and dispersion, a ligand mixture composed of oleylamine(OA) and trioctylphosphine(TOP) is utilized during thermal decomposition of Pd precursors. In the ligand mixture, OA serves mainly as a reducing agent rather than a stabilizer since TOP, which has a bulky structure, more strongly interacts with the Pd metal surface as a stabilizer compared to OA. The specific roles of OA and TOP in the Pd nanoparticle synthesis are studied according to the mixture composition, and the oxygen reduction reaction(ORR) activity and durability of highly-dispersed Pd nanocatalysts with different particles sizes are investigated. The results of this study confirm that the Pd nanocatalyst with large particles has high durability compared to the nanocatalyst with small Pd nanoparticles during the accelerated degradation tests although they initially indicated similar ORR performance.

높은 산소 분리 특성과 CO₂에 대한 안정성을 보인 LSTF가 코팅된 BSCF 분리막을 bench 규모의 장치에 적용하여 산소 투과 실험을 수행 하였다. 그 결과 실험실 장치에서 측정한 산소 투과율과 다른 결과를 보였다. 이와 같은 산소 투과율의 변화를 XRD와 SEM/EDS를 통해 분석 하였다. 또한 실험실 규모 장치와 bench 규모 장치의 분리막 반응기 내 온도 구배에 따라서 분리막을 3영역으로 나누어 각각 비교 분석하였다.

Ce0.8Sm0.2O2–δ―Sm0.1Sr0.9Cu0.2Fe0.8O3–δ dual-phase membranes were prepared with one-pot method and citric acid sol-gel process. After calcination of the powder at 850 ℃, the dual-phase membranes were prepared by uniaxially pressing the powder. The dual-phase membranes were sintered at 1150 ℃ for 5h with heating/cooling rates of 2 ℃/min. The phase structure and microstructure of the sintered membrane were studied by XRD and SEM. Elemental analysis of the membrane surface and cross section was performed. The oxygen permeation fluxes of Cu-containing dual-phase membranes were evaluated in the temperature range of 800―950 ℃ with He and CO2 as the sweep gas.

High oxygen permeability and structural stability are required in the presence of high concentrations of CO2 for application of oxygen transport membrane in the oxy-fuel combustion process. MIEC membranes based on alkaline earth metal such as Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ have low CO2 stability. Carbonates were formed over the surface of membranes including alkaline earth metal in the presence of CO2 and oxygen permeation fluxes are deteriorated. In this work, dense dual-phase hollow fiber membranes were prepared by a phase inversion spinning and sintering process. The oxygen permeation fluxes of dual-phase hollow fiber membrane were evaluated at various temperatures.

산소 분리를 위한 세라믹 중공사막을 상전이 방적기술을 통해 제조하였다. 초기 BSCF 선구물질은 고상반응법을 이용하여 합성한 상용 분말이며, 고분자 용액에 분산시킨 후 이중관형 노즐을 통해 사출하였다. 사출된 분리막은 상전이 과정을 거친 후 건조시켰으며 중공사막의 한쪽 끝을 밀봉하였다. 한쪽 끝이 막힌 중공사막의 표면에 dip coating 방법으로 LSCF를 코팅하였으며 1100 ℃에서 소결하여 치밀성을 갖는 한쪽 끝이 막힌 LSCF coated BSCF 중공사막을 제조하였다. 분리막의 공급측은 대기 중 공기를 사용하였으며 투과측은 진공상태를 유지하였다. 투과된 기체의 유량 및 산소의 농도를 측정하였으며 장기투과 실험과 EDS 분석을 통해 분리막의 안정성 평가를 진행하였다.

고상반응법을 이용하여 SrCo0.8Fe0.1Nb0.1O3-δ 조성의 산화물을 합성하였으며, 합성된 분말은 압축 성형 후 1250°C 에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. XRD 분석을 통해 단일상의 페롭스카이트 구조를 확인하였다. 산소 분압 이 0.21 atm, 측정 온도가 800~950°C인 조건하에서 산소투과를 분석한 결과 온도가 증가할수록 산소투과량은 증가하였고, 950°C에서 1.839 mL/min⋅cm2로 최대값을 나타내었다. 니오븀(Nb)을 포함한 세라믹 분리막의 상안정성 및 이산화탄소 내성을 확인하기 위하여 900°C에서 이산화탄소가 500 ppm이 포함된 혼합공기를 이용하여 장기투과 실험을 수행하였다. 이산화탄소에 노출된 SrCo0.8Fe0.1Nb0.1O3-δ의 상안정성은 XRD와 TG로 분석하였다. 분석 결과, 이산화탄소에 노출된 SrCo0.8Fe0.1Nb0.1O3-δ 조 성의 경우 약 8%의 SrCO3가 생성되었으나, 이 수준의 SrCO3 생성량은 분리막의 산소투과도에 큰 영향을 주지 않는 것을 확 인하였다.

산소 분리를 위한 세라믹 중공사막을 상전이 방적기술을 통해 제조하였다. Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ 선구 물질을 고분자 용액에 분산시킨 후 이중관형 노즐을 통해 사출한 후 상전이, 건조한 후 분리막의 한쪽 끝을 밀봉하였다. La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3-δ 코팅 층은 dip coating 방법으로 제조되었으며 최종적으로 고온에서 소결하여 La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3-δ로 코팅된 one end-closed type Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ 중공사막을 제조하였다. 산소투과실험은 대기 중 공기를 사용하였으며 진공펌프를 연결하여 투과된 산소 유량 및 순도를 측정하였다.

본 연구에서는 LSCF/GDC (20 : 80 vol%) 복합 분리막 표면에 LSC/GDC (50 : 50 vol%) 활성층을 코팅한 후 활성층의 열처리 온도, 두께, 침투법을 이용한 STF 도입이 산소투과 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 활성층 도입은 복합 분리막의 산소 투과 유속을 급격히 증진시켰으며 이는 활성층 성분인 LSC/GDC (50 : 50 vol%)가 전자 전도성 및 표면 산소 분해 반응을 증진시켰기 때문이었다. 활성층의 열처리 온도가 900˚C에서 1000˚C로 증가한 경우, 산소 투과 유속은 증가하였고 이는 분리막과 활성층 사이 그리고 활성층의 결정입간 접촉이 증진하여 산소이온과 전자 흐름을 증진시켰기 때문으로 설명되었다. 코팅층의 두께가 약 10μm에서 약 20μm로 증가한 경우, 산소 투과 유속은 오히려 감소하였는데 이는 코팅층의 두께가 증가할수록 기공을 통한 공기 중의 산소 유입이 어려워지기 때문으로 설명되었다. 또한, 코팅층에 침투법을 이용하여 STF를 도입한 경우가 STF를 도입하지 않은 경우 보다 높은 산소 투과 유속을 보였는데 이는 도입된 STF가 산소 분해하는 표면 반응 속도를 촉진시키기 때문이다. 본 연구로부터 LSC/GDC (50 : 50 vol%) 활성층 코팅 및 특성 제어는 LSCF/GDC (20 : 80 vol%) 복합 분리막의 산소투과 증진에 매우 중요함을 확인하였다.

YBaCo2O5+δ조성의 산화물을 고상반응법을 이용하여 합성하였으며, 합성된 분말은 압축 성형 후 1,180℃에서 소결하여 치밀한 분리막을 제조하였다. YBaCo2O5+δ 분리막은 X-선 회절분석기(XRD)와 전자 주사 현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다. XRD 분석결과 1,150℃ 이상에서 다른 불순물 없이 이중층 페롭스카이트 구조가 얻어졌다. 산소투과량은 분리막 양면에 산소분압 차이에 따라 750~950℃ 온도범위에서 측정하였다. 산소투과량은 온도와 산소분압이 증가할수록 증가하였고, 두께 1.0 mm의 YBaCo2O5+δ 분리막은 950℃, PO2 = 0.42 atm에서 약 0.15 mL/cm2·min의 최대 투과량을 보였다. 산소투과에 대한 활성화 에너지는 산소 분압이 감소할수록 감소하였고 PO2 = 0.21 atm의 조건에서 76.0 kJ/mol이었다.

PrBa0.9Sr0.1Co2O5+δ 조성의 산화물을 고상반응법을 이용하여 합성하였다. 합성된 분말은 압축 성형 후 1,250℃에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. 제조된 PrBa0.9Sr0.1Co2O5+δ분리막은 XRD분석 결과 이중 페롭스카이트 (double perovskite)구조를 보였다. 밀봉재료로는 pyrex ring을 사용하여 가스누출 실험 및 산소투과 분석을 하였다. 산소투과량 분석은 850~950℃범위에서 측정되었다. 산소투과실험 결과, 투과량은 온도증가에 따라 0.15에서 0.32mL/㎠·min로 증가하였다.

고상반응법을 이용하여 BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ (BCFN) 조성의 산화물을 합성하였으며, 합성된 분말은 압축 성형 후 1,200℃에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. 제조된 BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ 분리막의 XRD 분석결과 단일상의 페롭스카이트 구조를 보였다. 밀봉재료로 glass ring을 사용하여 가스누출 실험 및 산소투과 분석을 하였으며, 산소투과 분석 결과 온도와 산소분압(Po2)이 증가할수록 산소투과량은 증가하였고, Po2 = 0.63 atm의 경우 950℃에서 2.3mL/min·㎠의 값을 나타내었다. 또한, 이산화탄소 300 ppm이 포함된 혼합공기를 사용할 경우 모사공기(Po2 = 0.21 atm)를 사용한 경우에 비해 산소투과량이 최대 2.9%만 감소하였다. 이는 BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ 분리막이 다른 분리막에 비해 이산화탄소에 대해 안정하다는 것을 의미한다.

The electrocatalytic characteristics of oxygen reduction reaction of the PtxM(1-x) (M = Co, Cu, Ni) supported on multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) have been evaluated in a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). The PtxM(1-x)/MWNTs catalysts with a Pt : M atomic ratio of about 3 : 1 were synthesized and applied to the cathode of PEMFC. The crystalline structure and morphology images of the PtxM(1-x) particles were characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy, respectively. The results showed that the crystalline structure of the Pt alloy particles in Pt/MWNTs and PtxM(1-x)/MWNTs catalysts are seen as FCC, and synthesized PtxM(1-x) crystals have lattice parameters smaller than the pure Pt crystal. According to the electrochemical surface area (ESA) calculated with cyclic voltammetry analysis, Pt0.77Co0.23/MWNTs catalyst has higher ESA than the other catalysts. The evaluation of a unit cell test using Pt/MWNTs or PtxM(1-x)/MWNTs as the cathode catalysts demonstrated higher cell performance than did a commercial Pt/C catalyst. Among the MWNTs-supported Pt and PtxM(1-x) (M = Co, Cu, Ni) catalysts, the Pt0.77Co0.23/MWNTs shows the highest performance with the cathode catalyst of PEMFC because they had the largest ESA.

비다공성 중공사막 접촉기를 이용하여 수용액 내 용존 산소의 농도를 조절하고자 하였으며, 용존 산소의 농도를 전산모사를 통하여 예측하였다. 공급 기체와 공급 수용액이 같은 방향으로 흐르는 병류 흐름 시스템에 대한 분리막 접촉기 공정 지배 미분 방정식을 5차 Runge-Kutta-Verner 법으로 해석하였다. Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어로 용존 산소농도 예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행한 결과, 분리막 수가 16,000개로 일정하며 공급기체의 유속이 0.536 mol/sec이고 압력이 486 kPa이며 공급 수용액의 유속이 16.69 mol/sec이고 산소의 몰분율이 0.995으로 유지된 상태에서, 분리막의 길이가 0.4에서 1.2m로 증가함에 따라 용존 산소는 30에서 64 ppm으로 증가하였음을 알 수 있었다. 분리막의 길이가 0.4 m일 때 공급수용액의 유속이 9.26에서 26.85 mol/sec로 증가함에 따라 용존 산소가 40에서 20 ppm으로 감소함을 알 수 있었다. 또한 공급 기체 압력이 298에서 847 kPa으로 증가함에 따라 용존 산소는 33에서 69 ppm으로 증가함을 알 수 있었다.

국내 K-그룹 연구소에서 제조한 폴리설폰 중공사막의 산소/질소 혼합물에 대한 압력, stage , cut , 공급기체 혼합물의 조성에 따른 분리성능을 조사하였다. 본 실험의 압력범위와 온도 30℃에서의 이상분리인자 (O2/N2)는 5.7이었으며, 유입기체 혼합물의 21mole % 산소농도가 약 50 mole%로 농축되었다. 저압측과 고압측의 압력비는 산소농축에 미치는 영향이 적었으며 이상분리인자의 영향은 매우 컸다. 그러나, 이상분리인자가 증가함에 따라 이상분리인자의 영향은 둔화되었다. 따라서, 이상분리인자가 큰 신소재 개발과 더불어 공정변수의 최적화가 필요하다. 수학적 모델링에 의한 예측치와 실험치가 잘 맞았다.

폴리설폰 중공사막에 대한 산소와 질소의 투과도에 미치는 수분의 영향에 대한 실험을 수행하였다. 상대습도가 증가할수록 수분을 함유한 산소와 질소의 투과도는 감소하였따. 공급압력 3 kgf/cm2와 온도 30℃에서, 상대습도 100% 인 산소의 투과도는 건조산소의 투과도보다 20%만큼 감소하였으며, 질소는 14%만틈 감소하였다. 수분을 gkadmb한 산소의 투과도는 운전시간이 경과함에 따라 단조하게 감소하여 정상상태에 도달하였다. 그러나, 질소의 투과도는 일시적으로 증가하였다가 감소하여 정상상태에 도달하였다.