KR101507769B1 - Reduction Method of Oxide and Apparatus for Reducing Oxide Using the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an oxide reduction method and an oxide reduction apparatus using the same.
일본의 원전사고 이후로 신재생 에너지 개발 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 수소를 에너지원으로 사용하려는 연구, 특히 물에서 수소를 생성시키려는 연구에 대한 관심이 높다. 그러나 물에서 수소를 생성시키기 위해서는 수소분자와 산소분자와의 결합을 끊을 필요가 있는데, 그 연결이 강하기 때문에 수소를 생성시키기 위해서는 높은 반응에너지가 필요하며 그만큼의 많은 비용이 소요된다. Since the nuclear accident in Japan, research on the development of new and renewable energy has been actively conducted. Among them, there is a strong interest in research for using hydrogen as an energy source, especially for research on hydrogen production from water. However, in order to generate hydrogen from water, it is necessary to break the bond between the hydrogen molecule and the oxygen molecule. Since the connection is strong, a high reaction energy is required to generate hydrogen, and it takes a lot of cost.
최근에는 금속 산화물을 이용하여 열화학적 방법에 의하여 물을 분해하여 수소를 생성하는 방법에 대하여 연구가 많이 진행되고 있다. 금속 산화물을 이용한 수소 생성 방법은 금속 산화물에 물이나 수증기를 접촉시켜 물의 분해 반응을 일으켜 수소를 생성하는 방법이다. 금속 산화물을 이용하는 방법은 금속 산화물 표면과 물의 접촉 면적을 증가시키는 것이 필요하며, 기존에는 금속 산화물 구조체의 내부에 공극을 형성하여 접촉 면적을 증가시켰다. 그러나, 금속 산화물 구조체의 내부에 공극을 형성하는데 한계가 있으며, 일측에서 타측면으로 연결된 공극 구조를 만드는데 어려움이 있다.Recently, many researches have been made on a method of producing hydrogen by decomposing water by a thermochemical method using a metal oxide. A method of producing hydrogen using a metal oxide is a method in which water or water vapor is contacted with a metal oxide to cause decomposition reaction of water to generate hydrogen. In the method using a metal oxide, it is necessary to increase the contact area between the metal oxide surface and water, and conventionally, a void is formed inside the metal oxide structure to increase the contact area. However, there is a limit in forming voids inside the metal oxide structure, and it is difficult to make a void structure connected from one side to the other side.
또한, 금속 산화물은 물과 접촉하면서 산소를 자체에 포집하면서 수소를 생성하게 되므로 일정 시간이 경과되면 산소 포집 능력이 사라지게 된다. 따라서, 금속 산화물은 환원 반응을 통하여 환원을 시켜야 하는데, 가열 또는 태양 에너지를 이용하는 방법이 있으나, 효율이 낮고 가열 또는 태양 에너지 조사를 위한 구조가 복잡하여 구현하는데 어려움이 있다. 특히, 상기 산화물의 환원 반응은 1000℃ 이상의 온도가 필요하게 되어, 가열과 단열 및 냉각을 위한 구조가 복잡하게 된다. In addition, since the metal oxide generates hydrogen while collecting the oxygen itself in contact with water, the oxygen trapping ability disappears after a lapse of a predetermined time. Therefore, the metal oxide must be reduced through a reduction reaction. However, there is a method using heating or solar energy, but the efficiency is low and the structure for heating or solar energy irradiation is complicated. Particularly, the reduction reaction of the oxide requires a temperature of 1000 ° C or more, complicating the structure for heating, adiabatic cooling and cooling.
본 발명은 딥유브이광을 조사하여 금속 산화물을 환원시킬 수 있는 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치를 제공한다.The present invention provides an oxide reduction method capable of reducing a metal oxide by irradiating a deep ultraviolet ray and an oxide reduction apparatus using the same.
본 발명에 따른 산화물 환원 방법은 산소가 트랩된 금속 산화물에 딥유브이광을 조사하여 상기 금속 산화물에 트랩된 상기 산소를 분리하는 조사 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 산화물 환원 방법은 상기 금속 산화물을 가열하는 가열 단계를 더 포함하며, 상기 가열 단계는 상기 조사 단계와 함께 또는 상기 조사 단계의 전 후에 진행되도록 이루어질 수 있다. 이때, 상기 금속 산화물은 Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성될 수 있다.The oxide reduction method according to the present invention is characterized by comprising an irradiating step of irradiating a deep ultraviolet ray to a metal oxide trapped with oxygen to separate the oxygen trapped in the metal oxide. Further, the oxide reduction method according to the present invention may further include a heating step of heating the metal oxide, and the heating step may be performed so as to proceed with the irradiation step or before or after the irradiation step. At this time, the metal oxide may be formed of a metal oxide including at least one material selected from Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge.
또한, 상기 딥유브이광은 딥유브이 엘이디(Deep Ultraviolet light emitting diode), 유브이램프(UV Lamp) 또는 유브이레이저(UV Laser) 중 어느 하나에 의하여 조사될 수 있다.The deep ultraviolet light may be irradiated by a deep ultraviolet light emitting diode, a UV lamp, or a UV laser.
또한, 상기 가열 단계는 상온보다 높은 온도와 1000℃이하의 온도 사이에서 가열 온도가 설정될 수 있다.In the heating step, the heating temperature may be set between a temperature higher than room temperature and a temperature lower than 1000 ° C.
또한, 본 발명의 산화물 환원 장치는 판상 또는 블록 형상으로 형성되는 기본 구조체와, 금속 산화물이 상기 기본 구조체의 표면에 코팅되어 형성되며, 산소가 트랩되는 금속 산화물층 및 상기 금속 산화물층에 딥유브이광을 조사하는 딥유브이광 조사 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the oxide reduction apparatus of the present invention comprises a base structure formed in a plate or block shape, a metal oxide layer formed by coating a surface of the base structure with a metal oxide and oxygen trapped thereon, And a deep ultraviolet light irradiation module for irradiating the ultraviolet light.
또한, 상기 기본 구조체는 내부에서 외부로 관통되며 서로 연결되는 다수의 기공이 형성된 3차원 망상 구조로 형성되며, 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 구리에서 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하여 형성될 수 있다.In addition, the basic structure may be formed of a three-dimensional network structure having a plurality of pores connected to each other and penetrating from the inside to the outside, and may include any metal selected from nickel, aluminum, stainless steel, and copper .
또한, 상기 기본 구조체는 표면에 나노 와이어가 코팅되어 형성되며, 상기 나노 와이어는 Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성될 수 있다.The nanostructure may include at least one material selected from the group consisting of Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge. And may be formed of a metal oxide.
또한, 상기 금속 산화물은 Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성될 수 있다.The metal oxide may be formed of a metal oxide including at least one material selected from Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge.
또한, 상기 딥유브이광 조사 모듈은 딥유브이 엘이디(Deep Ultraviolet light emitting diode), 유브이램프(UV Lamp) 및 유브이레이저(UV Laser) 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.The deep-ultraviolet light irradiation module may include any one of a Deep Ultraviolet light emitting diode, a UV lamp, and a UV laser.
또한, 상기 산화물 환원 장치는 상기 기본 구조체의 하부 또는 상부에 위치하며, 상기 금속 산화물층을 가열하는 가열 모듈을 더 포함하여 형성될 수 있다.The oxide reduction device may further include a heating module positioned at a lower portion or an upper portion of the basic structure and heating the metal oxide layer.
또한, 상기 산화물 환원 장치는 수증기를 상기 금속 산화물층에 접촉시켜 산소를 상기 금속 산화물층에 트랩시키면서 수소 생성 반응에 의하여 수소를 생성하는 수소 생성 장치에서 상기 금속 산화물층에 트랩되어 있는 산소를 제거하도록 형성될 수 있다. In addition, the oxide reduction apparatus removes oxygen trapped in the metal oxide layer in a hydrogen generation apparatus for generating hydrogen by hydrogen generation reaction while bringing steam into contact with the metal oxide layer to trap oxygen in the metal oxide layer .
본 발명에 따른 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치는 딥유브광을 금속 산화물층에 조사하여 상온 또는 기존보다 낮은 온도에서 금속 산화물을 환원시킬 수 있는 효과가 있다.The oxide reduction method and the oxide reduction apparatus using the oxide reduction method according to the present invention have the effect of reducing the metal oxide at a room temperature or a lower temperature than the conventional one by irradiating the metal oxide layer with the deep ultraviolet light.
또한, 본 발명에 따른 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치는 상온 또는 기존보다 낮은 온도에서 금속 산화물을 환원시키게 되므로, 간단한 구조와 적은 비용으로 산화물을 환원시킬 수 있는 효과가 있다. The oxide reduction method and the oxide reduction apparatus using the oxide reduction method according to the present invention reduce the metal oxide at a room temperature or a temperature lower than the conventional temperature, so that the oxide can be reduced in a simple structure and at a low cost.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 환원 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 산화물 환원 장치에 적용되며, 기본 구조체의 내부 골격의 표면에 SnO2 나노와이어가 형성된 후에 Fe3O4 입자가 코팅된 나노 구조체의 부분적인 SEM 사진이다.
도 3은 도 2의 산화물 환원 장치의 금속 산화물 환원 전 후의 수소 생성량에 대한 그래프이다.1 is a schematic diagram of an oxide reduction apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial SEM photograph of a nanostructure coated with Fe 3 O 4 particles after SnO 2 nanowires are formed on the surface of the internal structure of the basic structure, which is applied to the oxide reduction apparatus of FIG.
3 is a graph showing the amount of hydrogen production before and after metal oxide reduction in the oxide reduction apparatus of FIG.
이하에서 실시예와 첨부한 도면을 통하여 본 발명의 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, an oxide reduction method and an oxide reduction apparatus using the oxide reduction method of the present invention will be described in detail with reference to embodiments and accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 환원 방법에 대하여 설명한다.
First, an oxide reduction method according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명에 따른 산화물 환원 방법은 수소 생성 반응이 진행된 금속 산화물에 딥유브광을 조사하는 조사 단계를 포함하여 이루어진다. 또한, 상기 산화물 환원 방법은 금속 산화물을 가열하는 가열 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The oxide reduction method according to the present invention comprises an irradiation step of irradiating a metal oxide having undergone a hydrogen generation reaction to a deep ultraviolet ray. In addition, the oxide reduction method may further include a heating step of heating the metal oxide.
상기 산화물 환원 방법은 산소가 트랩된 금속 산화물에서 산소를 분리하여 환원시키는 방법에 적용된다. 상기 산화물 환원 방법은 특히, 금속 산화물에 수증기를 공급하여 수소를 생성하는 하기의 식 1)에 의한 수소 생성 반응 과정에서 금속 산화물에 트랩된 산소를 식 2)에 의한 환원 반응에 의하여 제거하여, 다시 수소 생성 반응이 진행될 수 있도록 하는 산화물 환원 방법에 적용될 수 있다.
The oxide reduction method is applied to a method of separating and reducing oxygen from oxygen-trapped metal oxide. In the oxide reduction method, in particular, oxygen trapped in the metal oxide is removed by a reduction reaction by the formula (2) in the hydrogen production reaction process according to the following formula 1) for generating hydrogen by supplying water vapor to the metal oxide, The present invention can be applied to an oxide reduction method that allows a hydrogen production reaction to proceed.
MxOy -1 + H2O → MxOy + H2 ----식 1)M x O y -1 + H 2 O - M x O y + H 2 - ????? (1)
MxOy + E(Deep Ultraviolet light) → MxOy -1 + 1/2O2 ----식 2)
M x O y + E (Deep Ultraviolet light) - M x O y -1 + 1 / 2O 2 - (2)
상기 조사 단계는 산소가 트랩된 금속 산화물에 딥유브이광을 조사하는 단계이다. 상기 딥유브이광(Deep Ultraviolet light)은 피크 발광 파장(peak emission wavelength)이 265nm 내지 295nm인 광을 의미한다. 상기 딥유브이광은 딥유브이 엘이디(Deep Ultraviolet light emitting diode), 유브이램프(UV Lamp) 또는 유브이레이저(UV Laser)로부터 조사될 수 있다. 상기 딥유브이광은 산소가 트랩된 금속 산화물층에 조사되어 에너지를 공급하며, 식 2)에서 보는 바와 같이 금속 산화물에 트랩된 산소를 분리하는 순간적인 환원 반응을 진행시킨다.The irradiating step is a step of irradiating the metal oxide trapped with oxygen with a deep ultraviolet ray. The deep ultraviolet light refers to light having a peak emission wavelength of 265 nm to 295 nm. The deep ultraviolet light may be irradiated from a deep ultraviolet light emitting diode, a UV lamp or a UV laser. The deep-ultraviolet light is irradiated to the trapped metal oxide layer to supply energy, and an instantaneous reduction reaction for separating oxygen trapped in the metal oxide proceeds as shown in Equation (2).
상기 금속 산화물은 Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성되며, Fe3O4,Fe2O3, CeO2, Ce2O3 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다. 상기 금속 산화물층은 공급되는 수증기로부터 산소를 트랩하며, 딥유브광에 의하여 산소가 분리된다.
The metal oxide is formed of a metal oxide containing at least one material selected from Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge, and Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3, CeO 2, Ce 2 O 3 Or a mixture thereof. The metal oxide layer traps oxygen from the supplied water vapor, and the oxygen is separated by the deep ultraviolet light.
상기 가열 단계는 산소가 트랩된 금속 산화물을 가열하는 단계이다. 상기 가열 단계는 조사 단계의 전과 후에, 또는 조사 단계와 함께 진행될 수 있다. The heating step is a step of heating the oxygen-trapped metal oxide. The heating step may be conducted before or after the irradiation step, or with the irradiation step.
상기 금속 산화물은 트랩된 산소를 분리하는 과정에서 가열에 의한 열에너지가 인가되면 산소를 더 효율적으로 신속하게 분리하게 된다. 상기 가열 단계는 금속 산화물을 상온보다 높은 온도의 가열 온도로 가열한다. 상기 금속 산화물은 상온보다 높은 온도로 가열되면, 환원 반응이 촉진되어 산소가 보다 효율적으로 분리되는 효과가 있다. 상기 가열 온도는 상온보다 높은 온도와 1000℃이하의 온도 사이에서 설정되며, 바람직하게는 100℃ 이하의 온도로 설정된다. 상기 금속 산화물층은 기존에 순수하게 가열만으로 산소를 제거하기 위해서는 1000℃보다 높은 온도를 요구한다. 그러나, 상기 가열 단계는 조사 단계에 대한 보조 수단으로 진행되므로 기존과 달리 상대적으로 저온으로 진행될 수 있다. 상기 가열 온도가 너무 높으면 불필요하게 에너지가 소요되는 측면이 있으며, 금속 산화물을 지지하는 기본 구조체에 손상을 줄 수 있다.The metal oxide separates the trapped oxygen more efficiently and quickly when heat energy is applied by heating. The heating step heats the metal oxide to a heating temperature higher than normal temperature. When the metal oxide is heated to a temperature higher than room temperature, the reduction reaction is promoted, and the oxygen is more efficiently separated. The heating temperature is set between a temperature higher than room temperature and a temperature lower than or equal to 1000 ° C, and preferably set at a temperature lower than or equal to 100 ° C. The metal oxide layer requires a temperature higher than 1000 占 폚 in order to remove oxygen by pure heating. However, since the heating step is performed as an auxiliary means for the irradiation step, the heating can be performed at a relatively low temperature. If the heating temperature is too high, energy is unnecessarily consumed, and the basic structure supporting the metal oxide may be damaged.
상기 가열 단계는 바람직하게는 금속 산화물을 전체적으로 가열하도록 진행된다. 따라서, 상기 가열 단계는 금속 산화물이 코팅되는 기본 구조체에 직접 또는 간접으로 전체적으로 열을 인가되도록 진행된다. 예를 들면, 상기 기본 구조체가 금속과 같은 전기 전도체로 형성되는 경우에 전기를 인가하여, 기본 구조체의 발열에 의하여 금속 산화물이 가열되도록 한다. 또한, 상기 기본 구조체가 플라스틱 또는 세라믹과 같은 전기 부도체로 형성되는 경우에 전기 절연체와 물리적으로 접촉되는 별도의 발열체를 형성하여 발열체에 의하여 발생되는 열이 기본 구조체를 통하여 전도되어 금속 산화물층을 가열하도록 한다. 또한, 상기 금속 산화물층의 표면과 인접한 상면에서 별도의 발열체 또는 광원을 위치시키고, 발열체 또는 광원에서 발생되는 열이 복사되어 금속 산화물을 가열하도록 한다.
The heating step preferably proceeds to heat the metal oxide as a whole. Therefore, the heating step is performed so that the heat is entirely or directly applied to the basic structure on which the metal oxide is coated. For example, when the basic structure is formed of an electrical conductor such as a metal, electricity is applied to heat the metal oxide by heat generation of the basic structure. Further, when the basic structure is formed of an electric nonconductor such as plastic or ceramic, a separate heating element which physically contacts the electric insulator is formed so that heat generated by the heating element is conducted through the basic structure to heat the metal oxide layer do. Further, a separate heating element or light source is positioned on the upper surface adjacent to the surface of the metal oxide layer, and heat generated from the heating element or the light source is radiated to heat the metal oxide.
다음은 본 발명의 산화물 환원 방법이 적용되는 산화물 환원 장치에 대하여 설명한다. Next, an oxide reduction apparatus to which the oxide reduction method of the present invention is applied will be described.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화물 환원 장치의 개략도이다. 도 2는 도 1의 산화물 환원 장치에 적용되며, 기본 구조체의 내부 골격의 표면에 SnO2 나노 와이어가 형성된 후에 Fe3O4 입자가 코팅된 나노 구조체의 부분적인 SEM 사진이다.
1 is a schematic diagram of an oxide reduction apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial SEM photograph of a nanostructure coated with Fe 3 O 4 particles after SnO 2 nanowires are formed on the surface of the internal structure of the basic structure, which is applied to the oxide reduction apparatus of FIG.
본 발명의 실시예에 따른 산화물 환원 장치는, 도 1을 참조하면, 기본 구조체(110)와 금속 산화물층(120) 및 딥유브이광 조사 모듈(130)을 포함하여 형성된다. 또한, 상기 산화물 환원 장치는 가열 모듈(140)을 더 포함하여 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1, an oxide reduction apparatus according to an embodiment of the present invention includes a
상기 산화물 환원 장치는 산소가 트랩되어 있는 금속 산화물층(120)에 딥유브이광을 조사하여 산소를 제거한다. 상기 산화물 환원 장치는 금속 산화물층(120)에 트랩되어 있는 산소를 제거하는 것이 필요한 다양한 장치에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 산화물 환원 장치는 수증기를 이용하여 수소를 생성하는 수소 생성 장치에 적용될 수 있다. 상기 수소 생성 장치는 수증기를 금속 산화물층(120)에 접촉시켜 수소 생성 반응에 의하여 수소를 생성하는 장치이다. 이때, 상기 수소 생성 장치는 수증기의 산소를 금속 산화물층에 트랩시키면서 수소슬 생성한다. 상기 수소 생성 장치는 추가로 수소 생성에 필요한 수증기 공급 수단, 수소 포집 수단과 같은 구성이 더 포함될 수 있으며, 여기서 구체적인 설명을 생략한다. 상기 금속 산화물층(120)은 산소의 트랩 농도가 일정 이상 증가하면 더 이상 산소를 트랩할 수 없게 된다. 상기 수소 생성 장치는 금속 산화물층(120)에 딥유브이광을 조사하여 금속 산화물층(120)의 산소를 제거하고 다시 수소 생성 반응이 진행될 수 있도록 한다.
The oxide reduction apparatus removes oxygen by irradiating a deep ultraviolet ray to the
상기 기본 구조체(110)는 금속과 같은 전기 전도체, 플라스틱 또는 세라믹과 같은 전기 부도체로 형성될 수 있다. 상기 기존 구조체는 바람직하게는 내부식성과 열전도성이 우수한 니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 구리와 같이 금속을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 기본 구조체(110)는 판상 또는 블럭 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기본 구조체(110)는, 도 2를 참조하면, 바람직하게는 내부에서 외부로 관통되며 서로 연결되는 다수의 기공(110a)이 형성된 3차원 망상 구조 또는 3차원 네트워크 구조로 형성될 수 있다. 상기 기본 구조체(110)가 3차원 구조로 형성되는 경우에 단위 부피당 표면적이 증가되며, 표면에 코팅되는 금속 산화물층(120)의 면적이 증가된다. 상기 기본 구조체(110)는 내부의 기공을 통과하는 수증기가 금속 산화물층(120)과 수소 생성 반응을 일으켜 수소가 생성되도록 한다.The
또한, 상기 기본 구조체(110)는 표면에 나노 와이어(115)가 코팅되어 형성될 수 있다. 여기서, 상기 나노 와이어는 나노 입자와 같은 나노 크기의 물질을 포함하는 의미이다. 상기 나노 와이어는, 도 2를 참조하면, 기본 구조체(110)의 표면에 길이 방향으로 눕거나, 표면에서 외측으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 나노 와이어는 기본 구조체(110)의 표면적을 증가시켜 금속 산화물층(120)이 도포되는 면적을 증가시킨다. 상기 나노와이어는 금속 또는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 나노 와이어는 Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 나노 와이어는 Mn3O4, MgO, CoO, SnO2 , ZnO, ZnS, Al2O3, SiO2 , In203, GeO2와 같은 산화물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노 와이어는 Fe3O4, Fe2O3, CeO2, Ce2O3 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다.In addition, the
상기 금속 산화물층(120)은 금속 산화물이 기본 구조체(110)의 표면에 코팅되어 형성된다. 또한, 상기 금속 산화물층(120)은 기본 구조체(110)의 표면에 코팅되는 나노 와이어의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 금속 산화물층(120)은 소정 두께를 갖는 연속적인 코팅층으로 형성되거나, 불연속적인 점 형상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 금속 산화물층(120)은 Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성되며, Fe3O4, Fe2O3, CeO2, Ce2O3 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다.The
상기 금속 산화물층(120)은 공급되는 수증기의 산소를 트랩하여 수소를 분리하여 생성한다. 상기 금속 산화물층(120)은 트랩되는 산소의 농도가 증가되면 산소를 트랩하는 능력이 감소된다. 따라서, 상기 금속 산화물층(120)은 트랩된 산소가 분리되면 다시 수소를 생성하는 능력을 회복하게 된다.The
상기 금속 산화물층(120)은 다음과 같은 과정에 의하여 형성될 수 있다. 먼저 상기 금속 산화물의 금속성분을 포함하는 금속염 용액(metal salt solution)이 스핀(spin) 코팅 또는 디핑(dipping) 코팅 방식에 의하여 기본 구조체(110)의 표면에 코팅된다. 다음으로 상기 기본 구조체(110)에 코팅된 금속염이 환원되면서 금속 산화물층(120)으로 형성된다. 상기 금속 산화물층(120)은, 도 2를 참조하면, 기본 구조체(110)의 골격 구조 표면에 전체적으로 균일하게 코팅된다.
The
상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 딥유브이 엘이디(Deep Ultraviolet light emitting diode), 유브이램프(UV Lamp) 또는 유브이레이저(UV Laser) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하여 형성된다. 상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 피크 발광 파장(peak emission wavelength)이 265nm 내지 295nm인 광을 포함하는 딥유브이광을 금속 산화물층(120)에 조사한다. 상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 딥유브이광을 포함하는 유브이광을 조사할 수 있다. 즉, 상기 딥유브이광 조사 모듈은 딥유브이광과 함께 다른 파장의 유브이광을 포함하는 광을 조사할 수 있다. 상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 적어도 한 개의 딥유브이 엘이디(130a)를 포함하며, 하나 또는 두 개 이상의 딥유브이 엘이디가 평면상으로 배열되어 형성된다. 이때, 상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 금속 산화물층(120)의 면적에 대응되는 면적 또는 그 이상의 면적을 가지도록 형성된다. 상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 딥유브이 엘이디가 금속 산화물층(120)의 상부에서 소정 거리 이격되어 금속 산화물층(120)에 딥유브이 광을 조사하도록 설치된다. 상기 딥유브이광 조사 모듈(130)은 산소가 트랩된 금속 산화물층(120)에 딥유브이광을 조사하며, 트랩된 산소를 제거한다.
The deep-ultraviolet
상기 가열 모듈(140)은 열선을 포함하며, 기본 구조체(110)의 하부 또는 상부에 위치한다. 상기 가열 모듈(140)은 별도의 전기 공급 수단(도면에 도시하지 않음)에 의하여 공급되는 전기에 의하여 발열하여 금속 산화물층(120)과 기본 구조체(110)를 가열한다. 상기 가열 모듈(140)은 금속 산화물층(120)과 기본 구조체(110)를 동시에 가열하거나, 금속 산화물층(120)을 직접 가열하도록 형성될 수 있다. 이때, 또한, 상기 가열 모듈(140)은 기본 구조체(110)를 가열하여 그 열이 금속 산화물층(120)으로 전도되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 가열 모듈(140)은 금속 산화물층(120)의 상부에 위치하여 직접 금속 산화물층(120)을 가열하도록 형성될 수 있다. 상기 가열 모듈(140)은 금속 산화물층(120)을 상온 보다 높은 온도로 가열하며, 1000℃이하로 가열할 수 있도록 형성된다. 상기 가열 모듈(140)은 바람직하게는 금속 산화물층(120)을 100℃이하로 가열한다. 상기 가열 모듈(140)은 금속 산화물층(120)에서 산소가 제거될 때 금속 산화물층(120)을 가열하여 산소가 보다 효율적으로 제거될 수 있도록 한다. 또한, 상기 가열 모듈(140)은 금속 산화물층(120)에서 수소가 생성될 때, 금속 산화물층(120)을 가열하여 수소가 보다 효율적으로 생성될 수 있도록 한다.
The
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 환원 장치가 적용되는 수소 생성 장치를 이용한 측정 결과에 대하여 설명한다.Next, measurement results using the hydrogen generating apparatus to which the oxide reduction apparatus according to an embodiment of the present invention is applied will be described.
도 3은 도 2의 산화물 환원 장치의 금속 산화물 환원 전 후의 수소 생성량에 대한 그래프이다.
3 is a graph showing the amount of hydrogen production before and after metal oxide reduction in the oxide reduction apparatus of FIG.
도 3의 측정 결과는 직경이 25.4mm(1 inch)이며, 두께가 9mm이며, 골격 구조의 표면에 SnO2 나노 와이어와 Fe3O4의 금속 산화물층(120)이 코팅된 기본 구조체(110)를 3개를 적층하여 수소 생성 장치를 이용하여 측정 결과이다. 측정 결과에 따르면, 상기 금속 산화물층(120)은 1차로 진행되는 수소 생성 반응에서 온도가 증가할수록 수소 생성량이 증가되는 것을 볼 수 있다. 또한, 상기 기본 구조체(110)와 금속 산화물층(120)은 700℃에서 수소 생성 반응이 300분 정도 진행되면 수소 생성량이 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 금속 산화물층(120)에 트랩되는 산소의 량이 증가되면서, 산소가 트랩될 자리가 감소되기 때문으로 판단된다. 또한, 상기 금속 산화물층(120)은 초기 1회차에 생성되는 수소량이 400mL 정도되는 것으로 평가된다. 3 shows a
다음으로 상기 금속 산화물층(120)은 초기 1회차 수소 생성 반응이 종료된 후에 딥유브이광 조사 모듈(130)에 의하여 조사되는 딥유브이광에 의하여 환원된 후에 다시 수소 생성량을 측정하였다. 이때, 상기 금속 산화물층(120)은 가열 모듈(140)에 의하여 100℃로 가열되면서 환원되었다. 측정 결과에 따르면, 금속 산화물층(120)은 상대적으로 저온에서 환원 반응이 진행되었음에도 불구하고 수소 생성 반응이 진행되며, 초기 1회차에 유사한 분당 수소 생성량을 보이고 있다. 다만, 상기 금속 산화물층(120)은 수소 생성 반은 시간이 상대적으로 짧게 나타나고 있으나, 이는 환원 반응 시간을 증가시키면 증가시킬 수 있을 것이다.
Next, the
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. It is.
110: 기본 구조체
120: 금속 산화물층
130: 딥유브광 조사 모듈
140: 가열 모듈110: Basic structure
120: metal oxide layer
130: Deep UV light irradiation module
140: Heating module
Claims (12)
상기 금속 산화물을 가열하는 가열 단계를 더 포함하며,
상기 가열 단계는 상기 조사 단계와 함께 또는 상기 조사 단계의 전 후에 진행되는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 방법.Irradiating a metal oxide having oxygen trapped therein with a deep ultraviolet ray to separate the oxygen trapped in the metal oxide,
Further comprising a heating step of heating the metal oxide,
Wherein the heating step proceeds with the irradiation step or before or after the irradiation step.
상기 금속 산화물은 Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 방법.The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide is formed of a metal oxide containing at least one material selected from Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge.
상기 딥유브이광은 딥유브이 엘이디(Deep Ultraviolet light emitting diode), 유브이램프(UV Lamp) 또는 유브이레이저(UV Laser) 중 어느 하나에 의하여 조사되는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 방법.The method according to claim 1,
Wherein the deep ultraviolet light is irradiated by one of a deep ultraviolet light emitting diode, a UV lamp, and a UV laser.
상기 가열 단계는 상온보다 높은 온도와 1000℃이하의 온도 사이에서 가열 온도가 설정되는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 방법.The method according to claim 1,
Wherein the heating step is set at a heating temperature between a temperature higher than room temperature and a temperature lower than 1000 ° C.
금속 산화물이 상기 기본 구조체의 표면에 코팅되어 형성되며, 산소가 트랩되는 금속 산화물층 및
상기 금속 산화물층에 딥유브이광을 조사하는 딥유브이광 조사 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 장치.A base structure formed in a plate or block shape,
A metal oxide layer formed by coating a surface of the basic structure with oxygen,
And a deep-UV photoirradiation module for irradiating the metal oxide layer with a deep ultraviolet ray.
상기 기본 구조체는 내부에서 외부로 관통되며 서로 연결되는 다수의 기공이 형성된 3차원 망상 구조로 형성되며,
니켈, 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 구리에서 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 한원 장치.The method according to claim 6,
The basic structure is formed in a three-dimensional network structure having a plurality of pores connected to each other and penetrating from the inside to the outside,
Nickel, aluminum, stainless steel, and copper. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
상기 기본 구조체는 표면에 나노 와이어가 코팅되어 형성되며,
상기 나노 와이어는 Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성되는 것을 산화물 환원 장치.The method according to claim 6,
The basic structure is formed by coating a nanowire on a surface,
Wherein the nanowire is formed of a metal oxide including at least one material selected from Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge.
상기 금속 산화물은 Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti 및 Ge 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 금속 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 장치.The method according to claim 6,
Wherein the metal oxide is formed of a metal oxide containing at least one material selected from Ce, Fe, Si, Mn, Mg, Co, Zn, Sn, In, Ti and Ge.
상기 딥유브이광 조사 모듈은 딥유브이 엘이디(Deep Ultraviolet light emitting diode), 유브이램프(UV Lamp) 및 유브이레이저(UV Laser) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 장치.The method according to claim 6,
Wherein the deep-diffuse-light irradiation module comprises any one of a deep ultraviolet light emitting diode, a UV lamp, and a UV laser.
상기 기본 구조체의 하부 또는 상부에 위치하며, 상기 금속 산화물층을 가열하는 가열 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 장치.The method according to claim 6,
Further comprising a heating module located below or above the basic structure and heating the metal oxide layer.
상기 산화물 환원 장치는 수증기를 상기 금속 산화물층에 접촉시켜 산소를 상기 금속 산화물층에 트랩시키면서 수소 생성 반응에 의하여 수소를 생성하는 수소 생성 장치에서 상기 금속 산화물층에 트랩되어 있는 산소를 제거하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 산화물 환원 장치.The method according to claim 6,
Wherein the oxide reduction device is formed to remove oxygen trapped in the metal oxide layer in a hydrogen generation device for generating hydrogen by a hydrogen generation reaction while contacting water vapor with the metal oxide layer to trap oxygen in the metal oxide layer Wherein the oxide reduction device is an oxide reduction device.
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