AB계 Ti-Fe-V 수소저장합금의 초기 수소화 거동 및 유효수소저장용량 향상

Abstract

최근 지속 가능한 발전을 위해 재생에너지의 개발이 중요해지며 친환경에너지인 수소를 저장할 수 있는 수소저장소재에 대한 관심이 증대하고 있다. TiFe 합금은 우수한 수소화 및 탈수소화 가역성과, 초기 수소화 이후의 빠른 수소화 거동, 방출되는 고순도의 수소, 소재 사용 온도 및 압력이 상온과 상압에서 크게 벗어나지 않는다는 점 등 우수한 물성과 저렴한 원자재 가격으로 유망한 수소저장소재로 손꼽히고 있다. 하지만 TiFe 합금의 상용화의 문제점은 TiFe 합금 표면의 산화층으로 인해 상온에서의 초기 수소화가 어렵다는 점이다. 그렇기 때문에 상온에서의 초기 수소화를 용이하게 하는 연구가 필수적이다. 이에 본 연구에서는 TiFe 합금의 격자 자리에 바나듐(V)을 소량 치환시켜 조성에 변화를 주고 희토류 금속인 세륨(Ce)의 첨가량에 변화를 주면서 세륨이 TiFe 합금의 초기 수소화에 어떤 영향을 주는지 알아보았다. 먼저XRD, FE-SEM, EPMA, EBSD/ED 분석을 통해 TiFe 합금이 BCC B2 구조의 TiFe 상과 금속 세륨 상으로 이루어진것을 확인하였고 세륨의 첨가량이 2~4%의 무게 백분율 수준에서 가장 TiFe 합금의 상온 초기 수소화를 용이하게 해주는 것을 확인 할 수 있었다. 첨가된 세륨이 TiFe 합금의 상온 초기 수소화에 도움을 주는 이유는 수소화 과정에서 세륨 수소화물 형성으로 인한 부피 팽창으로 판단되며, 이 부피 팽창에 의해 TIFe 합금 표면 산화막에 균열을 형성해주어 산화되지 않은 TiFe 합금 표면과 수소와의 반응을 용이하게 하여 상온 초기 수소화가 가능하게 되는 것을 XRD, FE-SEM을 통해 확인하였다. 한편, TiFe 합금의 보다 폭넓은 사용을 위해 티타늄, 철 각각의 격자 자리에 바나듐을 다양하게 치환시킬 때 유효수소저장용량과 작동 압력 최적화를 위해 필요한 TiFe 합금의 압력-조성 등온 곡선이 어떻게 변하는지에 대한 연구를 수행하였다. |As the demand of renewable energy recently increases for sustainable development, hydrogen storage materials are attracting much attention. A TiFe alloy, a hydrogen storage alloy is considered as a promising hydrogen storage material because of low raw material cost as well as good hydrogen storage properties such as good reversibility of hydrogen sorption, rapid hydrogenation behavior after initial hydrogenation and high-purity hydrogen desorption at ambient temperature and pressure. However, a problem in the commercialization of TiFe-type alloys is that initial hydrogenation at room temperature is difficult due to oxide layer on the surface of the alloys. In this study, we have investigated the effect of Ce and V addition on the initial hydrogenation of TiFe-type alloys. Through XRD, FE-SEM, EPMA and EBSD/EDS analyses, it is found that the alloys are composed of a TiFe phase with BCC B2 structure and a metallic Ce phase. It is confirmed that the Ce phases play a crucial role in facilitating the initial hydrogenation of the alloys at room temperature. The reason why Ce phases facilitate the initial hydrogenation at room temperature seems to be the volume expansion due to the formation of Ce hydride during hydrogenation, which results in cracks in the surface oxide layer, so that hydrogen can be easily absorbed into the alloys through the cracks. Also, we have studied the effect of V addition on pressure-composition-isotherm curves of the alloys, which are important in optimizing effective hydrogen storage capacity and operating pressure range.