수소 촉매 분석

수소 촉매는 수소 생산, 저장 및 활용의 효율성을 향상시키는 필수 물질로, 지속 가능한 에너지 경제로 전환하는 데 중요한 역할을 합니다. 수소 촉매는 수소 생산을 위한 전기분해(백금 및 이리듐 산화물 사용), 광촉매(이산화 티타늄 사용) 및 수증기 개질(니켈 기반 촉매 사용) 등 다양한 공정에서 사용됩니다. 

연료 전지에서 백금 및 니켈 촉매는 전기화학 반응을 촉진하여 수소에서 전기를 생산하는 반면, 저장 촉매는 금속 수소화물과 같은 물질에서 수소를 효율적으로 흡수하고 탈착하는 데 도움이 됩니다. 또한 수소 촉매는 암모니아 생산 및 수소 분해와 같은 산업 공정에 필수적이므로 청정 에너지와 혁신적인 산업 응용분야에 기여합니다.

수소 기반 경제의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

수소 생산

수증기 메탄 개질(SMR)은 메탄을 수소와 CO₂로 산화시켜 수소를 생산하는 전통적인 방법입니다. 더 깨끗하게 수소를 생산하는 방법으로는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 나누는 전해조를 사용하는 방법이 있습니다. 태양열 및 풍력과 같은 재생 가능한 자원에서 전기를 생산하는 경우 "그린 수소"라고 부릅니다.

수소 저장

수소는 압축 또는 액화 형태로 저장할 수 있습니다. 또는 금속 수소화물로 화학적으로 저장할 수 있습니다.

수소 활용

수소는 전기를 생산하는 데 사용할 수 있으며, 연소하여 열을 생산하거나, 산화물에서 금속을 생산하는 환원제로 사용할 수 있습니다. 일반적으로 수소 EV에 사용되는 연료 전지는 수소의 산화를 통해 전기를 생산합니다.

전해조와 연료 전지의 생산에는 탄소 지원 촉매 분말이 포함됩니다. 이 분말은 촉매 잉크로 바뀌고 양성자 교환 중합체 막에 코팅됩니다. 

촉매 분말에는 다공성 탄소 매트릭스에 내장된 나노 크기의 금속 촉매가 들어 있습니다. 촉매 잉크는 탄소 촉매 응집체가 있는 복잡한 제형으로, 나피온 이오노머와 상호 연결된 네트워크를 형성합니다. 

분말과 잉크의 입자 크기, 입자 모양, 표면적 및 다공성은 균일성, 다공성 및 패킹 밀도 측면에서 촉매 코팅의 품질에 중요한 역할을 합니다. 이는 입자 응집/침전, 분말, 잉크 및 코팅된 막에서의 금속 촉매 함유량 측면에서 슬러리 안정성을 위한 또 다른 중요한 매개변수입니다.

촉매 잉크는 나피온 이오노머와 다양한 입자와 그 응집체로 결합된 카본 블랙이 지지하는 Pt 촉매를 함유하는 복잡한 제형입니다. 이미지 오른쪽에 개략적으로 나와 있습니다.

이러한 특성을 분석하려면 다양한 입자 크기 측정 기술이 필요합니다. 당사는 X선 회절(XRD), 레이저 회절(LD) 및 동적 광산란(DLS)을 사용하여 다양한 크기 범위의 입자 특성을 분석합니다.

이미지: 촉매 잉크 제형의 입자 개요도.

촉매 Pt 입자 

촉매 Pt 입자는 크기가 2~5nm이며 활성탄 지지 매트릭스에 분산되어 있습니다. 입자가 작을수록 확산하여 불안정해지는 경향이 있습니다. 반면에 입자 크기가 크면 촉매 활성도가 낮아집니다. Pt 입자 크기는 당사의 Aeris 또는 Empyrean XRD를 사용하여 측정할 수 있습니다. 

XRD는 결정질 크기를 측정하며, 10nm 미만은 입자 크기일 가능성이 높습니다.  

Aeris XRD를 사용하여 Vulcan 탄소 지지대에서 Pt 촉매의 세 가지 부하에 대한 측정. 산출된 입자 크기는 높은 Pt 함유량에서 Pt 응집을 보여줍니다.

카본 블랙 

촉매 잉크에서 카본 블랙의 크기는 당사의 동적 광 산란 시스템인 Zetasizer를 사용하여 측정할 수 있습니다. 

특허 받은 비침습적 후방 산란(NIBS) 기술은 불투명도 및 농도와 같은 샘플 특성에 따라 경로 길이를 자동으로 변경할 수 있습니다. 따라서 촉매 잉크와 같은 고농도 및 불투명 슬러리를 측정하여 일관된 결과를 유지하면서 다양한 농도 및 크기에 걸쳐 정확한 입자 크기를 얻을 수 있습니다. 

또한 Zetasizer는 제타 전위 또는 입자의 전하를 측정할 수 있습니다. 전하가 높은 입자는 분산된 상태로 유지되지만 전하가 낮은 입자는 응집되는 경향이 있습니다.

이미지: Zetasizer pro와 함께 NIBS를 사용하여 촉매 잉크를 6회 반복 DLS 측정한 결과, 분산된 탄소 입자의 평균 크기가 210nm로 나타남.

Mastersizer 3000+는 특히 샘플에 1µm 이상의 응집체가 있을 때 탄소 입자의 크기를 측정하는 또 다른 방법을 제공합니다. 

Mastersizer 3000+는 레이저 회절을 사용하며, 높은 정확도, 반복성, 신뢰성 덕분에 입자 크기 측정에 대한 업계의 기준으로 간주됩니다.

이미지: Vulcan XC-72 카본 블랙 지지 입자에 대해 3가지 Pt 함유량 수준(20%, 40%, 60%)의 Pt/C 촉매 분말 샘플에서 Mastersizer 3000 레이저 회절 기기로 측정한 입자 크기.

촉매 분말, 잉크 및 코팅 막의 원소 조성은 Epsilon 4 또는 Revontium EDXRF 시스템으로 측정할 수 있습니다. 

Zetium WDXRF는 Na 미만의 낮은 z 불순물을 분석하는 것이 중요한 경우에 사용할 수 있습니다.

이미지: Epsilon 1로 40% Pt/C 샘플을 측정하여 얻은 Pt/C 촉매에 존재하는 원소를 보여주는 XRF 스펙트럼.

Epsilon Xline은 촉매 코팅된 막의 원소 조성 균일성을 조사하는 완벽한 솔루션입니다. 

당사의 고급 Epsilon 4 기술과 인라인 기능을 결합한 이 도구는 초음파 분무 코팅 및 롤-롤 코팅 공정에 대한 실시간 물질 모니터링 및 최신 공정 제어 기능을 제공합니다. 이러한 정기적 분석은 물질 조성과 적재가 지속적으로 최적화된다는 것을 의미하며, 규격을 벗어나는 생산을 최소화하고 비용 효율성을 극대화하는 데 도움이 됩니다.

정밀하고 정확한 프로세스 제어 외에도 Epsilon Xline은 다양한 표면과 촉매 물질에 적용할 수 있습니다.

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