기술분야

본 발명은 메조-마크로 기공을 갖는 금속촉매/지지체 복합체 및 이를 이용한 수소가스 센서에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 메조-마크로 기공을 형성함으로써 활성면적을 높이고, 분자들의 확산속도를 증가시킴으로써 수소의 산화반응을 극대화할 수 있는 금속촉매/지지체 복합체 및 이를 이용함으로써 극미량의 촉매로도 효과적인 성능을 얻을 수 있고 소형화 할 수 있는 수소센서에 대한 것이다.

배경기술

현재 친환경적인 대체 에너지로서 수소에 대한 관심이 증가하고 있다. 하지만 수소는 대기 중의 산소와 결합할 때 자연발화하거나 폭발하는 성질이 있기 때문에 수소의 생산, 보관, 사용과정에서 수소 누설에 대한 안전 관련 대책이 필수적이다.
그러므로 수소가스 센서는 향후 대체 에너지의 안전 분야에서 필수적인 요소로 간주된다.
한편, 종래 수소센서는 반도체식, 접촉연소식, 열전식 등이 있으며, 이중 접촉연소식과 열전식 수소센서는 백금계 촉매 표면에서 일어나는 수소의 산화반응에 의한 온도변화를 통해 수소를 감지한다.

일반적으로 백금계 촉매의 분산성을 높이기 위하여 다공성 알루미나 담체에 백금계 촉매를 분산시켜 응답특성 및 감도를 향상시키고 있다.
또한 분자의 확산속도를 촉진하기 위해 제올라이트 씨앗 결정을 처리한 규조토를 이용하여 메조기공을 갖는 제올라이트를 합성하거나, 제올라이트 합성 혼합물에 싸이클릭다이암모늄을 첨가하여 결정화 이후 메조기공 및 마크로 기공이 포함된 제올라이트를 합성하는 연구가 진행된 바 있다.
하지만 종래의 기술은 백금계 촉매를 다공성 알루미나 담체에 분산시킴으로써 촉매의 활성표면을 증가시키기는 했으나, 메조 기공을 가지는 알루미나는 분자의 확산속도가 느려 내부 깊숙한 곳의 촉매와의 반응에 어려움이 있다.
또한 분자의 확산속도를 촉진하기 위해 제올라이트 씨앗 결정을 처리한 규조토를 이용하여 메조기공을 갖는 제올라이트를 합성하거나, 제올라이트 합성 혼합물에 싸이클릭다이암모늄을 첨가하여 결정화한 이후 메조기공 및 마크로 기공이 포함된 제올라이트를 합성하는 방법은, 마크로 기공의 크기 조절이 어렵고 규칙적인 배열을 갖는 기공을 형성하는데 어려움이 있다.

본 발명은 수소가스의 누설을 감지하기 위한 열전식 수소센서에 적용한다. 발열촉매 표면에서 일어나는 수소의 산화반응에 의해 발생하는 열에너지가 열전소자를 통해 전기적 신호로 전달되며 이 전기적 신호를 이용하여 수소의 양을 감지한다.
또한 잉크젯프린트를 이용함으로써 센서를 소형화 한다.

문제점

상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 마크로-메조기공을 갖는 금속촉매/지지체 복합체의 합성 방법 및 이를 이용한 수소센서를 제공한다.

해결과제

일반적으로 Pt/알루미나 복합체를 합성하는 방법은 알루미나를 먼저 합성한 후에 Pt 전구체 용액에 함침시키는 방법을 이용하여 복합체를 형성하는데, 알루미나를 만든 뒤 함침을 해야 하므로 공정이 길어진다. 본 발명은 알루미나를 만드는 과정 중에 Pt 전구체 용액을 혼합함으로써 Pt/알루미나 복합체를 한 번에 합성한다.
또 본 발명의 방법에 따르면, 폴리스티렌 콜로이드 결정을 주형제로 하고 이를 제거함으로써 규칙적인 배열을 가지는 마크로 기공을 만들 수 있다.
이러한 마크로 기공과 지지체 고유의 메조기공이 함께 형성되어 작용하는 마크로-메조 기공을 가지는 금속촉매/지지체를 합성할 수 있다.

폴리스티렌 용액에는 폴리스티렌이 비드 형태로 존재하는데, 이 비드의 크기는 반응 시간과 연관이 있다. 마크로 기공의 크기는, 콜로이드 결정의 크기, 따라서 비드의 크기와 관련되는데, 본 발명에서는 반응 시간, 포타슘퍼설페이트의 양, 증류수와 스티렌의 비율 등을 조절하여 비드의 크기를 조절함으로써 마크로 기공의 크기를 제어할 수 있다.
본 발명에서 금속촉매 및 지지체로 사용되는 물질은 특히 한정되지 않으나,바람직한 한 실시예에서 금속촉매는 백금이나 팔라듐, 지지체는 표면적이 넓은 다공성 물질, 바람직하게는 알루미나로 이루어진다.
또 본 발명에서는 전술한 바와 같이 제조된 금속촉매/지지체를 이용하여 아래와 같은 공정을 통해 수소센서를 만드는 방법을 제공한다.

폴리스티렌이나 금속촉매/지지체 복합체의 전구체는 다양한 방법에 의해 기판 위에 도포될 수 있다. 대표적으로, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스핀코팅 등이 있으나 이에 한정되지는 않는다.
이때 도포한 상태에서 일정 시간 동안 유지한 후 과잉으로 남아있는 전구체는 닦아내는 것이 바람직하다.
이렇게 합성된 마크로-메조 기공의 금속촉매/지지체는 도포 방법을 이용하여 원하는 부분에 작은 영역으로 도포됨으로써 극소량의 촉매를 이용하여 효과적인 성능을 얻을 수 있고, 따라서 소형화가 가능한 수소센서를 제작 할 수 있다.

효과

이상 설명한 본 발명의 방법에 의하면, 알루미나 담체에 발열 촉매를 고분산시켜 활성 면적을 증가시키고, 금속촉매/지지체 복합체에 마크로-메조기공을 형성함으로써 분자 확산속도를 증가시킴으로써 빠른 응답특성, 고민감성을 가지는 금속촉매/지지체를 합성할 수 있다.
또한 이렇게 합성된 마크로-메조 기공의 금속촉매/지지체는 잉크젯 프린트를 이용하여 원하는 부분에 작은 영역으로 프린팅함으로써 극소량의 촉매를 이용하여 효과적인 성능을 얻을 수 있고, 소형화가 가능한 수소센서를 제작 할 수 있다.

본고는 한양대학교 에리카산학협력단 좌용호,김세일,이영인,최요민의 발표자료를 요약한 것이다.