FB-CVI에 의한 탄화규소의 촉매지지체 제조

이성주, 김영준, 김미현, 정귀영

홍익대학교 공과대학 화학공학과

The Fabrication of Catalyst Support of Silicon carbide    by FB-CVI

Sung-Joo Lee, Young-Joon Kim, Mi-Hyun Kim, Gui-Yung Chung

Department of Chemical Engineering, Hongik University

서론

탄화규소는 경도가 높고 내열성, 열전도성이 우수하다. 또한 고온에서 산화에 대한 저항성 및 불활성이 좋다. 이러한 성질들 때문에 탄화규소는 이상적인 촉매 지지체가 될수 있는 것이다.

활성탄내에 매트릭스 물질의 증착에 대한 연구가 광범위하게 진행되었다. [1,2] 활성탄 기공속에의 균일한 증착을 위해서 FB-CVI(Fluidized Bed Chemical Vapor Infiltration)가 이용되었다.[3] 본 연구에서도 이러한 방법에 의해 세라믹 SiC/C복합재료가 제조되었다.

여러 조건하에서 활성탄에 이염화이메틸규소(Dichlorodimethlysilane: DDS)로 부터 SiC가 증착되었다. 샘플내부로의 완전한 증착이 일어나기전에 샘플 입구에서의 증착으로 인해 기공 내부증착이 중단될 수가 있다.[4,5,6] 본 연구에서는 DDS농도, 활성탄크기, 반응압력, 반응시간이 SiC증착양상에 어떠한 영향을 미치는가 하는 것이 연구되었다.

실험방법

실험에 사용된 샘플로는 크기가 4-12, 12-20, 20-40 mesh인 활성탄이 사용되었다. 수직으로 세워진 석영관에 샘플을 넣고 계안의 공기를 완전 제거시킨다. 가열시키면서 500 ℃정도까지 불활성기체인 아르곤을 보낸 후 수소를 보내면서950 ℃까지 온도를 올린 후 증착실험을 하였다. 수소가스를 일정한 유속으로 계안에 보내면서 원하는 압력으로 조절하였다.

증착반응이 끝난 후 샘플의 증착양상을 SEM(Mitachi S-250C), TGA(Du     pont 951 Thermogravimetric Analyzer), 기공도 측정장치(Porosizer 9230)로 분  석하였다.

결과 및 토론

SiC를 일정 시간동안 증착시킨 후의 샘플의 평균기공크기가 Table 1에 나타나

있다. DDS의 농도가 커질수록 평균기공직경이 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 7%의 높은 DDS의 농도에서도 샘플기공 입구가 막히지 않고 기공에 많이 증착되었음을 보여준다. Table 2에는 증착시의 반응압력에 따른 샘플의 기공크기가 나타나 있다. 반응압력이 낮을수록 DDS의 농도가 낮으므로 평균기공직경이 크게 남아있는 것이다.

Fig. 1부터 Fig. 4는 TGA를 사용하여 샘플기공내벽 및 표면에 증착된 SiC양을 측정한 것이다. 그래프에서 보는바와 같이 DDS의 농도가 높을수록, 활성탄의 크기가 작을수록, 반응압력이 낮을수록, 반응시간이 길수록 탄소단위질량당 SiC증착량이 많음을 알 수있다.

Fig.5는 반응압력에 따른 샘플표면에서의 증착양상을 보여준다. SEM사진에 의해서도 반응압력이 낮을때 증착되는 입자의 크기가 작아지는 것을 알 수 있다.

결론

샘플로 사용된 활성탄에 FB-CVI에 의한 SiC증착을 통한 촉매지지체가 제조되었다. 활성탄 크기가 일정할 때 반응압력과 DDS의 농도가 낮을수록 더욱 더 기공내에 많은 증착이 일어났다. 이와 같은 사실은 TGA, SEM, 기공도 분석장치의 결과로 확인되었다.

참고 문헌

[1] R. Moene, M. Makkee, J. Schoonman, and J.A. Moulijn,

Proceedings of the 5th International Carbon Conference in Essen,      Deutschen Keramischen Gesellschaft, 1992, p. 474

[2] R. Moene, F.W. Tazelaar, M. Makkee, and J.A. Moulijn, Dutch       Patent Appl. 93.00816

[3] R. Moene, L.F. Kramer, J. Schoonman, M. Maakkee, and J.A.         Moulijn in Scintific bases for the Prepartion of Hetrogeneous          Catalysts VI, Louvain-la-Neuve, preprints, vol 1, 1994, p.379

[4] Chung, G.Y., B.J. McCoy, and J.M. Smith, Chem.Eng.Sci, 46(3),723(1991)

[5] Chung, G.Y., Cagliostro D.E., McCoy B.J., and Smith J.M., "Rate      of Chemical vapor deposition of SiC and Si on single-layer woven     fabrics", NASA T.M. (1991)

[6] 김정우, 유재훈, 조민수, 주재백, 정귀영: 화학공학, 34(4), 443(1996)

Table 1. Average pore diameters after deposition at different DDS

concentration.

DDS conc.	without deposition	3%	5%	7%
average pore diameter(□)	0.0229	0.0211	0.0207	0.0187

reaction conditions: 950 ℃, 40 torr, 4 hr

size of the activated carbon: 4-12 mesh

Table 2. Average pore diameters after deposition at different reaction

reaction pressure	7 torr	10 torr	40 torr
average pore diameter (□)	0.0216	0.0209	0.0187

pressures.

reaction conditions: 950 ℃, 4 hr ; DDS concentration: 7%

Fig. 2. Amount of deposited SiC for

different size of activated carbon.

reaction conditions: 950 ℃,

40 torr, 7% DDS, 4 hr;

flow rate, 500 cc/min

Fig. 4. Change of the amount of

deposited SiC with reaction time.

reaction conditions: 950 ℃,

40 torr, 12-12 mesh, 3% DDS;

flow rate, 500 cc/min

size of the activated carbon: 4-12 mesh

Fig. 1. Amount of deposited SiC

at different DDS concentrations.

reaction conditions: 950 ℃,

40 torr, 4-12 mesh, 4 hr;

flow rate, 500 cc/min

Fig. 3. Amount of deposited SiC at

different reaction pressures.

reaction conditions: 950 ℃,

4 hr, 4-12 mesh, 7% DDS;

flow rate, 500 cc/min

b) 7torr

a) without deposition

c) 10torr

d) 40torr

Fig. 5. SEM photographs of the surface of the activated carbon                       at reaction different pressures.

reaction conditions: 950 ℃, 7% DDS, 4 hr,

4-12 mesh activated carbon;

flow rate, 500 cc/min.