요약
이 기술은 환경 친화적인 수소 에너지 생성을 목표로, 물의 전기분해 방식인 '그린 수소'를 연구하고 있습니다. 특히, 양성자 교환막 기반의 수전해가 주목받는 가운데, 탄소 양자점으로 나피온 막을 개선해 수소의 효율적 생성을 도모하고 있습니다. 이러한 기술은 의료와 에너지 분야에서도 다양하게 활용될 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 탄소 양자점이 코팅된 고분자 전해질막 및 이의 제조방법
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대표 발명자: 김태현 교수
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출원번호: 10-2023-0053405
발명의 배경 및 필요성
발명의 배경
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세계적인 에너지 수요 증가로 화석연료 소비 증가
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과도한 화석 연료 사용으로 인한 환경 문제
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수소, 높은 에너지 밀도와 변환 효율을 가진 친환경 에너지원으로 주목
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현재 대부분의 수소는 천연가스의 변형을 통해 생성되는 그레이 수소
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물의 전기분해를 통해 그린 수소를 생성하는 물 전기분해에 대한 연구 활발
발명의 필요성
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양성자 교환막 기반의 수전해, 높은 에너지 효율과 환경 친화성으로 인해 가장 유망한 수소 생산 솔루션 중 하나
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나피온, 수전해의 핵심 재료로 수소 연료 크로스오버 문제 존재
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나피온 막의 수소 투과도를 개선하기 위한 연구 필요
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나피온과 호환성이 높은 양자점을 이용한 이온 전도도 향상 및 수소투과도 감소 방안 필요
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이온전도도가 우수하고 수소투과도가 낮은 신규 PEM 개발 필요
실험 및 구현
제조방법
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탄소 양자점이 코팅된 고분자 전해질막 제조방법은 시트르산과 요소를 사용하여 탄소 양자점을 합성하고, 이를 나피온 분산액에 첨가하여 탄소 양자점이 코팅된 나피온 막을 제조함
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나피온 대비 탄소 양자점 함량이 0.5, 0.75, 1.0 및 2.0 중량%인 분산된 탄소 양자점-나피온 용액을 얻고, 이들 분산용액을 나피온-212 막의 양면에 스핀코팅하여 탄소 양자점이 코팅된 나피온 막을 얻음
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개발된 탄소 양자점 코팅 나피온 막의 이온 교환 용량, 물 흡수율 및 팽창 비율을 측정하고, 이를 순수 나피온-212 막과 비교함
실험 결과
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탄소 양자점 함량이 증가함에 따라 이온 교환 용량, 물 흡수율 및 팽창 비율이 약간 증가하였으며, 이는 이온 전도성 작용기의 증가에 따른 막의 친수성 증가에 기인한 것으로 판단됨
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탄소 양자점이 코팅된 나피온 막의 이온 전도도가 증가하였으며, 수소 투과도가 감소하였음
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탄소 양자점이 코팅된 나피온 막의 화학적 안정성을 Fenton's 시약을 사용하여 측정하였으며, CQD 코팅이 화학적 안정성을 증가시켰음을 확인함
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이온전도도가 가장 높은 CQD-cNafion-0.75의 PEMWE 단일 셀 성능을 측정하여 순수 Nafion-212 막과 비교하였으며, 결과적으로 CQD-cNafion-0.75의 성능이 Nafion-212의 성능보다 1.2배 높았음
발명의 활용 방안
제품 및 서비스 적용
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탄소 양자점은 가시광선 및 근적외선 영역에서의 흡광 및 발광 파장 조절 기능을 활용한 다양한 영상화 기술에 사용됨
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세포 관찰 및 암세포 표적 기술, 광열 치료 등의 의료 분야에서 활용 가능함
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특정 소재와의 결합 기능을 통해 목표 기관이나 장기로의 선택적 전달이 가능함
산업 및 사회 문제 해결
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고분자 전해질막 수전해 장치에서 희귀금속 사용량을 줄이는 새로운 구조 부품 개발로 그린수소 생산에 기여함
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N-도핑 탄소 양자점(CQDs)을 포함하는 다양한 조성물을 Nafion-212 막에 코팅하여 수소 투과도 감소와 함께 형태학 및 이온 전도도에서 향상된 성능을 보임
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이 발명은 나피온 기반 PEMWE의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시함
시장 동향
수소생산 기술 시장 동향
나피온 기반 기술 시장 동향
자발적 탄소시장 동향
대표도면
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