KR100980590B1 - 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 에탄올의 자열개질반응에 의한 수소 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 에탄올의 자열개질반응(Autothermal Reforming)에 의한 수소 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조에 사용되며, 계면활성제를 주형으로 하고 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 첨가되며 졸-겔법에 의해 수화 및 축합한 후 수열중합법에 의해 제조된 0.1nm에서 500nm의 범위의 기공크기를 갖는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체 100중량부에 대해 1 내지 50중량부 범위의 니켈이 담지된 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 에탄올의 자열개질반응에 의한 수소 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 촉매를 에탄올 자열개질반응을 통한 수소제조 공정에 이용할 경우 담체의 구조적 및 열적 안정성과 표면적이 증가하게 되어 니켈촉매가 고분산되므로 수소 선택도가 증가하고 소결 및 탄소침적에 의한 비활성화 속도가 저하하여 장기적인 반응활성이 유지된다.
다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체, 니켈 촉매, 에탄올, 자열개질반응, 수소제조
Description
본 발명은 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 에탄올의 자열개질반응에 의한 수소 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조에 사용되며, 계면활성제를 주형으로 하고 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 첨가되며 졸-겔법에 의해 수화 및 축합한 후 수열중합법에 의해 제조된 0.1nm에서 500nm 범위의 기공크기를 갖는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체 100중량부에 대해 1 내지 50중량부 범위의 니켈이 담지된 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 에탄올의 자열개질반응(Autothermal Reforming)에 의한 수소 제조방법에 관한 것이다.
무공해 청정에너지로써의 수소에너지는 일반연료, 수송연료 및 연료전지의 연료등 현재의 에너지 시스템에서 사용되어지는 대부분의 분야에 이용될 수 있어 그 중요성이 날로 증대되고 있다. 특히, 노트북, 휴대전화 등의 코드리스(Cordless) 기기의 보급과 자동차 배기가스의 배출제한 기준강화에 따라, 수소를 에너지원으로 하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 관련 기술 개발이 집중적으로 이루어지고 있으며, 이의 원활한 상업적인 활용을 위해서는 안정적인 수소의 공급이 필수적이다 [J.D. Holladay, J. Hu, D.L. King, Y. Wang, Catal. Today, 139권, 244-260쪽, 2009년]. 그중에서도 에탄올은 식물의 발효 혹은 바이오매스에 의해 생산되기 때문에 연료의 청정성과 무해성, 저장과 사용의 용이성이라는 장점을 가지고 있으며, 화석연료로부터 생산되는 메탄올에 비하여 환경적 측면이나 에너지 밀도 측면에서도 유리한 장점을 지니고 있기 때문에 수소생산을 위한 원료물질로서 크게 주목받고 있다.
에탄올의 자열개질반응(Autothermal Reforming)은 흡열반응인 수증기개질 반응(Steam Reforming)과 발열반응인 부분산화반응(Partial Oxidation)을 함께 진행시켜 열중화(Thermal Neutralization)를 시키는 반응이다. 이러한 에탄올 자열개질반응은 다음과 같은 반응식으로 표현될 수 있으며, 생성가스 내 높은 수소농도를 유지하면서도 열적으로도 안정적 작동이 가능하다는 장점을 지니고 있다 [S. Cavallaro, V. Chiodo, A. Vita, S. Freni, J. Power Sources, 123권, 10-16쪽, 2003년].
CH3CH2OH(l) + 2H2O(l) + 1/2 O2 → 2CO2(g) + 5H2(g) ΔHo 298 = -50.3 kJ/mole
물과 산소가 동시에 개입되어 복잡한 메카니즘을 갖는 에탄올 자열개질 반응에서 부반응을 제어하고, 수소의 선택도를 높이기 위하여 다양한 귀금속과 비귀금속계 촉매들이 사용되어 왔다 [E. Vesselli, G. Comelli, R. Rosei, S. Freni, F. Frusteri, S. Cavallaro, Appl. Catal. A, 281권, 139-147쪽, 2005년/ H. Song, L. Zhang, R.B. Watson, D. Braden, U.S. Ozkan, Catal. Today, 129권, 346-354쪽, 2007년/ 국제특허 공개 WO 2004/103555호/ 대한민국특허 공개 0711509호]. 그중에서도 니켈촉매는 저가의 전이금속으로 경제적 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 에탄올 자열개질 반응에 우수한 활성을 나타내는 금속으로 담체의 효과적인 사용을 통하여 수소의 선택도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다 [V. Fierro, O. Akdim, H. Provendier, C. Mirodatos, J. Power Sources, 145권, 659-666쪽, 2005년]. 이러한 니켈촉매를 효과적으로 분산시키고 금속표면의 전자적 특성을 유리하게 변형시키기 위하여 지르코니아 담체가 본 발명인들에 의해 제안된 바 있다 [M.H. Youn, J.G. Seo, S. Park, J.C. Jung, D.R. Park, I.K. Song, Int. J. Hydrogen Energy, 33권, 24호, 7457-7463쪽, 2008년/ M.H. Youn, J.G. Seo, K.M. Cho, J.C. Jung, H. Kim, K.W. La, D.R. Park, S. Park, S.H. Lee, I.K. Song, Korean J. Chem. Eng., 25권, 2쪽, 236-238쪽, 2008년]. 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매는 에탄올 자열개질 반응에 있어 우수한 활성을 나타내지만, 담체의 구 조적 불안정성과 낮은 표면적으로 인한 니켈촉매의 비활성화 문제가 단점으로 나타났고, 이를 해결하기 위해 보다 열적 및 구조적으로 안정하고 넓은 표면적을 갖는 다공성의 지르코니아 담체를 설계하고 개발하는 것이 중요하다. 이에 본 발명자들은 이트리아를 안정화제로 첨가하여 지르코니아가 갖는 구조적 불안정성을 보완하고, 다공성 구조의 열적 안정성을 강화하여 보다 장기 활성을 갖는 니켈촉매의 담체로 활용하고, 이렇게 제조된 담지 촉매를 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조에 성공적으로 적용함을써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 에탄올 자열 개질반응에 사용되는 니켈촉매에 있어서 적절한 담체인 다공성 지르코니아의 열적 및 구조적 안정성을 보안하기 위해 이트리아를 안정화제로 첨가하여, 니켈촉매의 탄소침적으로 인한 촉매의 비활성화를 최소화하고, 고온에서도 구조적으로 안정하며, 넓은 표면적을 갖는 다공성의 이트리아 안정화 지르코니아 담체의 제조방법을 제공하고, 상기의 담체에 담지된 니켈촉매를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상기 다공성의 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈 촉매를 에탄올 자열개질반응에 적용하여 고농도의 수소가스를 지속적으로 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 에탄올 자열개질반응에 의 한 수소제조에 사용되며, 계면활성제를 주형으로 하고 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 첨가되며 졸-겔법에 의해 수화 및 축합한 후 수열중합법에 의해 제조된 0.1nm에서 500nm 범위의 기공크기를 갖는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체 100중량부에 대해 1 내지 50중량부 범위의 니켈이 담지된 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매를 제공한다.
또한, 본 발명은 ⅰ)주형물질이 되는 계면활성제를 용해하여 마이셀(Micelle)을 이루는 상태의 혼합액에 하기 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 이트륨 전구체를 분산시킨 이트륨 전구체 혼합용액을 제조하는 단계; ⅱ)지르코늄 전구체 용액을 상기 이트륨 전구체 혼합용액에 혼입하여 지르코늄 전구체와 이트륨 전구체를 수화 및 축합하여 겔화(gelation)하는 단계; ⅲ)상기 겔화된 물질을 수열합성하고 숙성시키는 단계; ⅳ)주형물질을 제거하여 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체를 제조하는 단계; ⅴ)상기 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체와 니켈 전구체를 용해한 용액을 혼합하여 담체 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부의 니켈이 담지되도록 니켈을 담지하는 단계 및; ⅵ)상기 담지된 촉매를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 이트륨 전구체 혼합용액이 pH 2 내지 12 범위인 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 제조방 법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체의 기공크기가 0.01nm에서 500nm의 범위 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 존재 하에 반응온도 300-600oC, 공간속도 1000-50000h-1, 반응물인 물/에탄올의 몰비 1-20, 산소/에탄올의 몰비 0.1-5의 조건하에서 이루어지는 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조 방법을 제공한다.
본 발명은 종래의 낮은 표면적과 열적 및 구조적 불안정성을 갖는 지르코니아를 안정하고 표면적이 넓은 다공성 물질로 개량하여 보다 우수한 담체 특성을 갖도록 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체를 제공하고 여기에 니켈을 담지하여 기존 촉매의 단점인 소결과 탄소침적으로 인한 비활성화 문제를 개선할 수 있는 니켈 담지촉매를 제공한다. 상기 촉매를 이용하여 에탄올 자열개질반응(Autothermal Reforming)에 의한 수소제조 반응을 수행한 결과, 같은 방법으로 제조된 이트륨을 포함하지 않는 다공성 지르코니아에 비하여 우수한 표면적과 안정성을 보였고, 담지된 니켈촉매 역시 향상된 촉매활성(수소 선택도)을 보였으며, 장시간의 반응에도 매우 안정적인 촉매활성을 나타내었다.
이하에서, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매는 구조유도체(Template)로 계면활성제(Surfactant)를 이용하여 지르코늄 및 이트륨 전구체가 수계 반응매질 내에서 계면활성제의 마이셀(Micelle) 주위에 균일하게 배열되도록 혼합하고, 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 첨가되며, 졸-겔법과 수열합성법을 사용하여 주형물질의 구조를 혼합된 금속 전구체에 옮긴 후 주형을 제거함으로써 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체와, 여기에 니켈 금속을 담지한 형태의 것으로, 에탄올의 자열개질반응에 의한 수소제조용 촉매로 사용된다. 본 발명의 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매에서 니켈은 담체 100중량부에 대해 1 내지 50중량부 범위로 담지되는 것이 바람직하다.
주형물질이 마이셀을 이루는 용액에 이트륨 전구체를 분산시킨 이트륨 전구체 혼합용액을 제조하는 단계에서, 상기의 기공구조 유도를 위한 주형물질로서 계면활성제를 사용하며, 바람직하게는 서로 다른 종류의 사슬이 화학결합을 통해 강제로 연결된 고분자중합체중 플루로닉계 또는 테트로닉계 블록 공중합체인 F108, F98, F88, P123, P105 및 P104로 이루어진 군, 또는 양이온성을 지닌 DTAB (Dodecyltrimethylammonium Bromide), TTAB (Tetradecyltrimethylammonium Bromide), CTAB (Cetyltrimethylammonium Bromide), CDEAB (Cetyldimethylethylammonium Bromide) 및 CTAC (Cetyltrimethylammonium Chloride) 또는 음이온성을 지닌 라우릭산, 시트릭산, 옥살산, DCA (Dodecylamine), HDA (Hexadecylamine), SDBS (Sodium Dodecylbenzene Sulfonate), SDS (Sodium Dodecylsulfonate), SLS (Sodium Laurylsulfate), DMS (Dimethylsulfates), ABS (Alkylbenzene Sulfonate) 로 이루어진 군에서 선택된 1종이 될 수 있다. 더욱 바람직하게는 계면활성제로서 CTAB을 사용하며, 이렇게 선택된 주형물질을 50oC 이상 가열된 수계 반응매질, 바람직하게는 물 또는 C1 내지 C10의 알콜 용매 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부 범위로 용해하며, 더욱 바람직하게는 65oC의 물 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부의 주형물질을 용해하고 균일하게 분산된 용액을 제조한다.
상기의 주형물질이 충분히 용해되어 균일하게 분산되면 규칙구조를 갖는 마이셀 (Micelle)을 형성하게 되는데, 이때 사용되는 수계 반응매질의 종류와 주형물질 농도에 따라 2차원 또는 3차원의 구조 조절이 가능하며, 초기 주형물질의 종류에 따라 마이셀의 크기와 형태 역시 조절 가능하다. 이때 주형물질에 의해 생성된 마이셀의 크기는 0.1nm에서 500nm 범위의 평균입경을 갖도록 한다. 상기 마이셀(Micelle)을 이루는 이트륨 혼합용액을 제조하는 단계에서, 수계 반응매질 100 중량부에 대하여 상기 계면활성제를 1 내지 50 범위의 중량부로 첨가하고, 상기 계면활성제의 양에 대하여 0.01 내지 1 범위의 몰비로 산 또는 염기가 첨가되며, 상기 이트륨 전구체는 지르코늄 1몰에 대해 이트륨 함량이 0.01 내지 1 미만의 몰비 가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. pH는 주형물질과 전구체간의 결합을 주도하는 중요한 요인이므로 반응매질과 주형물질, 전구체의 종류에 따라 적절한 pH 조절제를 선택하여 최종 혼합용액의 pH를 2 내지 12, 바람직하게는 pH 2 내지 6의 산성 또는 pH 8 내지 12의 염기성 범위로 조절하며, 보다 바람직하게는 CTAB과 같은 계면활성제를 주형물질로 사용할 경우 낮은 농도의 암모니아 또는 수산화나트륨 수용액을 사용하여 pH를 8 내지 12의 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 상기의 pH가 적절하지 않을 경우, 마이셀 표면과 금속 전구체간의 전기적 반발에 의해 기공 구조를 갖는 산화물이 제대로 제조되지 않는다.
주형물질이 마이셀을 이루고 있는 상기 혼합용액에 탄산염, 질산염, 수산화물, 산화물 중 선택된 1종의 이트륨 전구체를 첨가하여 마이셀 주변에 분산되도록 충분히 교반하며, 더욱 바람직하게는 이트륨 나이트레이트 (Ce(NO3)2ㆍ6H2O)를 첨가하고 급격하게 교반하여 이트륨이 분산된 주형물질 혼합용액을 제조한다. 이트륨 전구체의 양은 지르코늄 1몰에 대해 이트륨 함량이 0.01 내지 1의 몰비, 보다 바람직하게는 0.1 내지 1의 몰비를 갖도록 첨가하고, 이트륨 전구체의 혼합용액은 전체 반응매질 양에 대하여 50중량비가 넘지 않도록 한다.
본 발명에서는 상기의 주형물질과 이트륨 전구체가 포함된 혼합용액에 지르코늄 전구체가 포함된 혼합용액을 천천히 떨어뜨려 두 금속 전구체가 골고루 분산된 상태에서 수화와 축합이 진행되도록 충분히 교반하여 혼합겔을 제조하게 된다. 상기 지르코늄 전구체의 경우 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 나이 트레이트염, 클로라이드염, 하이드레이트염, 알콕사이드 염의 군, 더욱 바람직하게는 지르코늄 부톡사이드 (zirconium butoxide), 지르코늄 프로폭사이드 (zirconium propoxide), 지르코늄 터셔리-부톡사이드 (zirconium tert-butoxide), 지르코늄 이소프로폭사이드 (zirconium isopropoxide) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 지르코늄 알콕사이드 (zirconium alkoxide)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상으로 한다. 또한, 지르코늄 전구체 용액의 경우, 급격한 수화를 방지하기 위하여 수화속도 조절제로 수계 또는 비수계 용액을 사용하며, 바람직하게는 에틸렌글리콜(C2H6O2), 아세틸아세톤(C5H8O2), 에틸아세토아세테이트(C6H10O3), 2,4-펜탄디올(C5H12O2), 부탄-2,3-디올(C4H10O2), 2-메틸-2,4-펜탄디올(C5H11O2), 아크릴산(C3H4O2), 메타크릴산(C4H6O2), 에틸메타크릴레이트(C6H10O2) 및 알릴아세토아세테이트(C7H10O30)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용하고, 지르코늄의 몰수를 기준으로 0.1 내지 100 범위의 몰비로 혼합되도록 한다.
상기 혼합 겔을 수열합성하고 숙성시키는 단계가 50 내지 300 oC의 오토클래이브에서 5 내지 48시간 동안 수열합성하고, 상온에서 1 내지 10일간 숙성시켜 수행되는 것이 바람직하다. 이렇게 얻어낸 침전물을 통상적인 여과를 거쳐 흰색 분말형태의 침전물을 분리해 내고, 상온에서 충분히 건조시킨다. 건조된 시료는 주형물질과 지르코니아-이트리아의 복합된 상태로 존재하므로, 유기 용매, 더욱 바람직하게는 에탄올을 용매로 하는 속실렛 추출을 통하여 주형물질을 추출해 내고, 다 시한번 300 내지 800oC에서 공기를 불어넣어 열처리를 통해 주형물질을 완전히 제거하여, 남은 지르코니아-이트리아 구조체의 열적 안정성을 증가시키는 것이 바람직하다. 이때 소성온도가 너무 낮으면 주형물질과 다른 불순물이 남아 있어서 세공구조가 발현되지 않을 수 있으며, 너무 높으면, 세공구조의 균일도가 및 구조붕괴가 일어날 위험이 있으므로 소성조건은 상기 범위이내에서 충분한 공기분위기를 유지해 주는 것이 바람직하다. 이렇게 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아의 가공구조는 상기 형성된 마이셀에 의한 것이므로 0.1nm에서 500nm 범위의 평균기공크기를 갖는다.
상기의 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아를 담체로 사용하여 담지된 니켈 촉매를 제조하기 위해, 제조된 담체 100 중량부에 대하여 니켈전구체를 니켈 금속 기준으로 계산시 1 내지 50 중량부가 되도록 물이나 에탄올과 같은 용매에 완전히 녹인다. 이때 용매의 양은 전체 담체부피의 50%를 넘지 않는 범위내로 제한하여 효과적인 함침이 일어나도록 유도한다. 니켈 전구체 역시 특별한 제한을 두지 않으나, 바람직하게는 수용성인 니켈 아세테이트 또는 나이트레이트 염을 사용하는 것이 유리하다. 이렇게 전구체를 녹인 용액과 상기의 제조된 담체를 충분히 혼합하여 골고루 분산되도록 한 후, 75-100oC의 공기 분위기 하에서 5-24시간 건조하고, 300-600oC의 공기분위기 하에서 5-15시간 동안 소성한다. 이렇게 제조된 담지 촉매를 300-600oC에서 2-5시간 동안 수소/질소의 몰비가 0.1-1, 바람직하게는 0.3인 혼합가스를 흘려주면서 산화상태의 니켈을 환원시킴으로써 에탄올의 자열개질반응을 위한 촉매가 준비된다.
본 발명에서는 상기와 같이 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아에 담지된 니켈 촉매를 수소 제조를 위한 에탄올 자열 개질 반응에 적용하였다. 에탄올 자열 개질 반응을 위해, 고체상의 담지 촉매를 연속 흐름식 반응기에 장착한 후, 반응온도를 300-800oC, 공간속도를 1000-50000h-1, 반응물인 물/에탄올의 몰비를 1-10, 산소/에탄올의 몰비를 0.1-5로 유지하였으며, 불활성 기체를 운반기체로 사용하여 예열된 반응혼합물을 반응기에 도입함으로써 반응을 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명의 실시 형태를 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이하의 예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것은 아니다.
(제조)실시예 1: 양이온 계면활성제(CTAB)를 주형물질로 이용하여 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아에 담지된 니켈촉매의 제조
65oC로 가열된 물 100 ml에 주형물질인 CTAB (Cetyltrimethylammonium Bromide) 12 그램을 넣고 균일한 상태가 되도록 충분히 교반한 뒤 이트륨 나이트레이트를 지르코늄 1몰에 대하여 이트륨 양이 각각 0.1, 0.2 및 0.3몰이 되도록 계산하여 투입하고 충분히 교반한다. 35% 암모니아수를 이용하여 상기 혼합액의 pH가 10이 되도록 조절한 후, 1시간 이상 충분히 교반하여 마이셀을 이루는 CTAB 주변에 이트륨이 골고루 분산되도록 준비하였다. 또 다른 비이커에 에틸렌 글리콜 (HO(CH2)2OH) 30 ml와 지르코늄 부톡사이드 (Zr[O(CH2)3CH3]4) 12 ml를 넣고 균일한 상태가 되도록 충분히 교반한 후, 상기 이트륨과 CTAB이 들어있는 혼합액에 천천히 떨어뜨려 CTAB의 마이셀 주변에 지르코늄과 이트륨이 고르게 분산되면서 수화 및 축합이 일어나 혼합 겔이 생성되도록 24시간 동안 천천히 교반하였다. 생성된 혼합 겔을 다시 100oC 오토클래이브에서 24시간 동안 수열 합성하였고, 이후 상온에서 4일간 방치하여 충분히 숙성된 겔이 하얀 분말로 침전되도록 하였다. 이 침전물을 여과하고 상온에서 건조한 후 건조된 시료를 에탄올을 용매로 하는 속실렛 추출 장치를 이용하여 12시간 이상 추출하여 계면활성제 성분을 제거한 후 80oC 오븐에서 12시간 동안 건조시킨다. 건조된 시료를 도가니에 넣고 5oC/min의 속도로 500oC까지 승온시킨 후 공기를 20 ml/min의 속도로 흘려주면서 5시간 동안 열처리한 다음 천천히 냉각시켰다. 이렇게 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 니켈 금속을 담지시키기 위하여, 니켈 전구체인 니켈나이트레이트(Ni(NO3)2·6H2O)를 증류수에 녹인 용액에, 상기에서 지르코늄 및 이트륨 함량 변화에 따라 제조된 각각의 다공성 이트리아 안정화 지르코니아를 넣어 혼합하였다. 이때 첨가되는 니켈 전구체의 양은 니켈 금속 양으로 환산하였을 때 담체인 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 양에 대해 20 중량%의 니켈 금속이 담지되도록 조절하였다. 제조된 다공 성 이트리아 안정화 지르코니아 파우더가 완전히 적셔지지 않도록 물의 함량을 조절하여 니켈입자가 골고루 분산되도록 담지한 후, 이를 100oC로 유지된 건조기에서 12시간 동안 건조시켰다. 건조된 시료를 도가니에 넣고 5oC/min의 속도로 500oC까지 승온시킨 후 5시간 동안 열처리한 다음 천천히 냉각함으로써 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매를 제조하였다. 상기에서 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아는 지르코늄 1몰에 대해 이트륨이 0.1, 0.2 및 0.3몰이 함유되도록 제조되었으며, 이렇게 각각 제조된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아를 YSZ-X (X=0.1, 0.2, 0.3; 이때 X는 지르코늄 1몰에 대해 첨가된 이트륨의 몰수를 나타냄; YSZ=Yttria-stabilized Zirconia)로 명명하였다. 또한 상기 담체에 담지된 각각의 니켈촉매를 Ni/YSZ-X (X=0.1, 0.2, 0.3)로 명명하였다.
(제조)비교예 1 : 양이온 계면활성제(CTAB)를 주형물질로 이용하여 제조된 이트륨이 첨가되지 않은 다공성 지르코니아에 담지된 니켈촉매의 제조
상기의 (제조)실시예 1에서와 같이 이트륨을 안정화 물질로 첨가한 다공성의 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매와의 비교를 위해, (제조)실시예 1과 유사한 방법으로 이트륨을 포함하지 않는 다공성 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매를 제조하였다. 65oC로 가열된 물 100 ml에 주형물질인 CTAB (Cetyltrimethylammonium Bromide) 12 그램을 넣고 균일한 상태가 되도록 충분히 교반한 뒤 35% 암모니아수를 이용하여 상기 혼합액의 pH가 10이 되도록 조절하였다. 또 다른 비이커에 에틸 렌 글리콜 (HO(CH2)2OH) 30 ml와 지르코늄 부톡사이드 (Zr[O(CH2)3CH3]4) 12 ml를 넣고 균일한 상태가 되도록 충분히 교반한 후, 상기 CTAB이 들어있는 혼합액에 천천히 떨어뜨려 CTAB의 마이셀 주변에 지르코늄이 고르게 분산되면서 수화 및 축합이 일어나 혼합 겔이 생성되도록 24시간 동안 천천히 교반하였다. 생성된 혼합 겔을 다시 100oC 오토클래이브에서 24시간 동안 수열 합성하였고, 이후 상온에서 4일간 방치하여 충분히 숙성된 겔이 하얀 분말로 침전되도록 하였다. 이 침전물을 여과하고 상온에서 건조한 후 건조된 시료를 에탄올을 용매로 하는 속실렛 추출 장치를 이용하여 12시간 이상 추출하여 계면활성제 성분을 제거한 후 80oC 오븐에서 12시간 동안 건조시킨다. 건조된 시료를 도가니에 넣고 5oC/min의 속도로 500oC까지 승온시킨 후 공기를 20 ml/min의 속도로 흘려주면서 5시간 동안 열처리한 다음 천천히 냉각시켰다. 이렇게 제조된 다공성 지르코니아 담체에 니켈 금속을 담지시키기 위하여, 니켈 전구체인 니켈나이트레이트(Ni(NO3)2·6H2O)를 증류수에 녹인 용액에 상기에서 제조된 다공성 지르코니아를 넣어 혼합하였다. 이때 첨가되는 니켈 전구체의 양은 니켈 금속 양으로 환산하였을 때 담체인 다공성 지르코니아 양에 대해 20 중량%의 니켈 금속이 담지되도록 조절하였다. 지르코니아 파우더가 완전히 적셔지지 않도록 물의 함량을 조절하여 니켈입자가 골고루 분산되도록 담지한 후, 이를 100oC로 유지된 건조기에서 12시간 동안 건조시켰다. 건조된 시료를 도가니에 넣고 5oC/min의 속도로 500oC까지 승온시킨 후 5시간 동안 열처리한 다음 천천히 냉각함으로써 다공성 지르코니아에 담지된 니켈촉매를 제조하였다. 이렇게 제조된 담지 촉매를 Ni/ZrO2이라 명명하였다.
상기의 (제조)실시예 1 및 (제조)비교예 1 의 방법에 따라, 양이온 계면활성제(CTAB)를 주형물질로 이용하고, 지르코늄 1몰에 대하여 각각 0.1, 0.2 및 0.3몰의 이트륨이 포함된 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체 YSZ-X (X=0.1, 0.2, 0.3) 및 이트륨이 포함되지 않은 다공성 지르코니아 담체(ZrO2)의 질소 흡탈착 등온선을 도 1에 나타내었다. 질소 흡탈착 등온선은 77K에서 질소가스가 흡착되는 양을 측정한 것으로, 기공의 형태에 따라서 등온선의 형태가 달라지는데, 도 1에 나타낸 바와 같이 다공성 지르코니아에 이트륨이 첨가되면 보다 뚜렷한 기공특성이 나타나고, 표면적 증가로 인하여 흡탈착된 질소량이 증가함을 확인할 수 있었다.
(사용)실시예 1: 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 및 다공성 지르코니아에 담지된 니켈촉매 상에서 에탄올 자열개질반응에 의한 수소 제조
상기의 (제조)실시예 및 (제조)비교예 1 의 방법에 따라 제조된 니켈 담지촉매를 이용하여 에탄올 자열개질반응 반응에 의한 수소 제조 반응을 수행하였다. 반응을 위해 각각의 촉매 0.05 그램을 고정층 반응기에 충천한 다음, 500oC에서 수 소(10 ml/min)와 질소(30 ml/min)로 이루어진 혼합가스를 흘려주면서 3시간 동안 촉매를 환원시켰다. 이후 반응기의 온도를 반응온도인 500oC로 유지하면서 반응물을 반응기에 주입하였다. 이를 위해, 실린지 펌프를 이용하여 물과 에탄올 혼합물(물/에탄올 몰비=3)을 1.5 ml/min의 속도로 주입시키되, 원활한 반응물 공급을 위하여 운반기체인 질소를 30 ml/min의 속도로 함께 흘려주었으며, 물, 에탄올, 질소 혼합물이 반응기에 도달하기 전에 170oC로 유지되는 예열기를 통과하면서 충분히 기화된 상태에서 반응기에 유입되도록 하였다. 또 다른 반응물인 산소는 물/산소의 몰비가 0.5가 되도록 질량유속조절기를 통하여 주입하였으며, 생성물의 분석은 열전도도 검출기가 장착된 가스크로마토그래피를 이용하여 온라인으로 이루어졌다.
도 2는 에탄올 자열개질 반응에서 본 발명의 (제조)실시예 1 및 (제조)비교예 1 의 방법에 따라 제조된 니켈 촉매에서 지르코늄 1몰에 대하여 첨가된 이트륨 함량의 몰비에 따른 반응개시 15시간에서의 수소선택도를 나타낸 것이다. 모든 경우 에탄올 전환율은 100%이었다. 도 2에 나타난 바와 같이 이트륨이 첨가되지 않는 다공성 지르코니아에 담지된 니켈촉매보다 다공성 이트리아 안정화 지르코니아에 담지된 니켈촉매가 우수한 활성(수소 선택도)을 나타내었고, 첨가된 이트륨 함량이 지르코늄 대비 0.1의 몰비를 갖을 때 가장 우수한 활성을 나타내었다.
도 3은 에탄올 자열개질반응에서 본 발명의 (제조)실시예 1에 의해 제조된 Ni/YSZ-0.1 촉매 및 (제조)비교예 1 의 방법에 의해 제조된 Ni/ZrO2 촉매의 반응 시 간에 따른 수소 선택도를 나타낸 것이다. 두 경우 모두 에탄올 전환율은 100%이었다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 이트륨이 포함되지 않은 다공성 지르코니아에 담지된 니켈촉매는 20시간후 서서히 반응활성(수소선택도)이 감소함에 비해 다공성 이트리아 안정화 지르코니아에 담지된 니켈촉매는 장시간 운전에도 우수한 활성(수소선택도)을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
도 1은 다공성 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ-X) 및 다공성 지르코니아(ZrO2) 담체의 질소 흡탈착 특성을 나타낸 그래프
도 2는 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조공정에서 (제조)실시예 1에 의해 제조된 Ni/YSZ-X (X=0.1, 0.2, 0.3) 촉매 및 (제조)비교예 1 에 의해 제조된 Ni/ZrO2 촉매의 반응개시 15시간에서의 수소선택도를 나타낸 그래프
도 3은 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조공정에서 (제조)실시예 1에 의해 제조된 Ni/YSZ-0.1 촉매 및 (제조)비교예 1 에 의해 제조된 Ni/ZrO2 촉매의 반응시간에 따른 수소선택도를 나타낸 그래프
Claims (5)
- 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조에 사용되며,계면활성제를 주형으로 하고 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 첨가되며 졸-겔법에 의해 수화 및 축합한 후 수열중합법에 의해 제조된 0.1nm에서 500nm 범위의 기공크기를 갖는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체 100중량부에 대해 1 내지 50중량부 범위의 니켈이 담지된 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매.
- ⅰ)주형물질이 되는 계면활성제를 용해하여 마이셀(Micelle)을 이루는 상태의 혼합액에 하기 지르코늄 전구체 1몰에 대하여 이트륨 전구체가 0.01 내지 1몰의 범위를 갖도록 이트륨 전구체를 분산시킨 이트륨 전구체 혼합용액을 제조하는 단계;ⅱ)지르코늄 전구체 용액을 상기 이트륨 전구체 혼합용액에 혼입하여 지르코늄 전구체와 이트륨 전구체를 수화 및 축합하여 겔화(gelation)하는 단계;ⅲ)상기 겔화된 물질을 수열합성하고 숙성시키는 단계;ⅳ)주형물질을 제거하여 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체를 제조하는 단계;ⅴ)상기 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체와 니켈 전구체를 용해한 용액을 혼합하여 담체 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부의 니켈이 담지되도록 니켈을 담지하는 단계 및;ⅵ)상기 담지된 촉매를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 이트륨 전구체 혼합용액은 pH 2 내지 12 범위인 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체의 기공크기는 0.01nm에서 500nm의 범위 것을 특징으로 하는 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 제조방법.
- 제 1항의 다공성 이트리아 안정화 지르코니아 담체에 담지된 니켈촉매 존재 하에서 반응온도 300-600oC, 공간속도 1000-50000h-1, 반응물인 물/에탄올의 몰비 1-20, 산소/에탄올의 몰비 0.1-5의 조건하에서 이루어지는 에탄올 자열개질반응에 의한 수소제조 방법.
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