In the present study, catalytic decomposition of $N_2O$ for monopropellant thruster was carried out with three different catalysts (Ir, Pt and Ru). Preparation methods of the catalyst with different supports were described with measurement of the catalyst activity and comparison of characteristics.
Three noble metal catalysts, Ir, Pt and Ru as active materials were used to prepare catalyst by wet-impregnation method with γ -$Al_2O_3$ as a catalyst support. Additionally, due to high temperature of $N_2O$ decomposition, thermally stable catalysts were prepared: Si-doped alumina prepared by impregnation (IMP), one-step catalyst synthesis (OS); and metal-substituted hexaaluminate prepared by using one-pot precipitation method. Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) were used to analyze and determine catalysts’ surface morphology, structure and composition.
Next, a 5N class thruster was designed to perform hot-fire tests with prepared catalysts. First, Ir, Pt and Ru on γ phase of $Al_2O_3$ were tested individually with different chamber pressures and preheating temperatures. During the tests, minimum required preheating temperature decreased as the chamber pressure increased. Thus, compared to Pt, Ir and Ru showed a lower decomposition temperature of $N_2O$ and a lower reaction observed at 230°C. However, further experiments showed stable activation temperature of 300°C for Ir, while Ru showed repeatability at preheating temperature as low as 250°C. In spite of the advantages over Pt, deactivation of the Ir and Ru catalyst was observed during the experiment. In case of θ and λ phase of $Al_2O_3$ supported Ru catalyst, decomposition of $N_2O$ required high preheating temperature (>500°C).
Lastly, Si-doped alumina and hexaaluminate supported Ir, Pt, Ru catalysts were investigated. The activity tests for the gas mixture containing $N_2O$ (28%, v/v) in Ar decomposition demonstrated that Ir and Ru/Si-$Al_2O_3$ prepared by IMP method and Ir/hexaaluminate have higher activity.
$N_2O$ 단일 추진제 추력기의 개발의 일환으로 $N_2O$의 촉매 분해 반응 특성에 관한 연구를 수행하였다. 이리듐(Ir), 백금(Pt) 그리고 루테늄(Ru) 세 가진 귀금속 촉매에 서로 다른 지지체를 적용하여 촉매 활성도 및 특성을 비교하였다.
먼저 Ir, Pt 그리고 Ru를 활성물질로 이용한 γ -알루미나 지지체에 습식 함침법으로 촉매를 담지 하였다, $N_2O$ 분해 시 고온의 환경에 노출되어야 하기 때문에 고온에서 안정한 Si 첨가된 알루미나와 귀금속 금속으로 치환한 hexaalumiate을 지지체로 준비하였다. Si 첨가된 알루미나 촉매는 함침법과 1단계 촉매 합성법으로, 귀금속 금속으로 치환한 hexaalumiate 촉매는 one-pot 침전법으로 제작되었다. 제작된 촉매의 성분, 표면 형상 및 구조는 Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), 그리고 X-ray diffraction (XRD)를 이용하여 분석하였다.
제작된 촉매의 성능 검증을 위해 5N 급 추력기를 설계하여 추력기 작동 실험을 수행하였다. γ-알루미나에 담지 된 Ir, Pt, 그리고 Ru 촉매에 관하여 각각 챔버 압력 및 예열 온도를 달리 하여 특성을 비교하였고, 챔버 압력이 증가할수록 반응에 필요한 최소 예열 온도가 낮아짐을 보였다. Pt 보다 Ir과 Ru 촉매의 예열 온도가 더 낮았고, 230°C의 예열 온도에서도 반응을 관찰할 수 있었지만 안정적이고 반복적인 반응은 Ir의 경우 300°C의 예열 온도에서, Ru의 경우 250°C의 예열 온도에서 시작되었다. 낮은 예열 온도의 장점이 있었지만, 실험 중 Ir과 Ru 촉매에서는 비활성화가 관찰되었다. θ와 λ상의 알루미나 지지체에 담지한 Ru 촉매의 경우 500°C이상의 높은 예열 온도를 필요로 하였다.
Si 첨가된 알루미나 촉매와 hexaaluminate 촉매에 대해서는$N_2O$와 Ar 혼합 가스(28% v/v)의 반응 실험을 수행하였고, Si 첨가된 알루미나에 함침법으로 만들어진 Ir, Ru 촉매와 Ir로 치환된 hexaaluminate촉매가 높은 반응성을 갖는 것을 보였다.