KR101269621B1 - Mesoporous nickel-M-alumina aerogel catalyst and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤(Aerogel) 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 액화천연가스(LNG)의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조에 사용되며, 증진제(M)/알루미늄의 원자비가 0.001 내지 0.1 범위 및 니켈/알루미늄의 원자비가 0.01 내지 1 범위로 혼재된 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 종래의 니켈계 촉매에 비해 반응활성뿐만 아니라 탄소침적 및 입자소결에 의한 비활성화에 대한 저항력을 극대화시킬 수 있기 때문에 장시간 동안 효율적으로 고순도의 수소가스를 제조할 수 있다.The present invention relates to a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst, a method for preparing the same, and a method for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas (LNG) using the catalyst. Nickel-M-alumina aerogel catalyst which is used for the production of hydrogen gas by steam reforming of natural gas, in which the atomic ratio of enhancer (M) / aluminum is in the range of 0.001 to 0.1 and the atomic ratio of nickel / aluminum is in the range of 0.01 to 1, The present invention relates to a method for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of liquefied natural gas using the catalyst, and according to the present invention, in addition to the reaction activity as compared to conventional nickel-based catalysts, Since the resistance can be maximized, hydrogen gas of high purity can be produced efficiently for a long time.
Description
본 발명은 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤(Aerogel) 촉매, 그의 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 액화천연가스(LNG)의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst, a method for preparing the same, and a method for producing hydrogen gas by steam reforming of a liquefied natural gas (LNG) using the catalyst.
미래에너지로 각광받고 있는 수소에너지는 매장량이 한정적인 기존의 화석연료 및 원자력 등에 비해 월등한 장점을 갖고 있어 화석연료를 대체할 차세대 에너지원으로 크게 주목 받고 있으며, 최근 수십 년간 연료 전지 분야의 지속적인 연구 성과와 시장의 확대로 인해 그 중요성이 더해지고 있다. 특히, 수소에너지는 연소 시에 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 거의 배출되지 않는 장점이 있기 때문에 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
Hydrogen energy, which has been spotlighted as the future energy, has much advantages as a next-generation energy source to replace fossil fuels because it has superior advantages over existing fossil fuels and nuclear power, which have limited reserves. Its importance is growing due to performance and market expansion. In particular, hydrogen energy has an advantage that it is easy to use as a fuel for direct combustion or fuel cell, because it has an advantage that almost no pollutant is discharged except that a very small amount of nitrogen is generated during combustion.
특히 최근에는, 수소에너지를 원료로 사용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 고분자전해질 연료전지(PEMFC/ Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 상용화에 대한 연구가 공장, 각종 운송 수단 및 가정용 발전기(Residential Power Generator) 등의 다양한 방면으로의 적용을 목표로 활발하게 진행되고 있다. 하지만 고분자전해질 연료전지의 상용화를 위해서는 고순도의 수소가스를 안정적이고 효율적으로 생산하고 공급할 수 있는 촉매 공정을 개발하는 것이 선결과제로 남아 있다.
Recently, research on commercialization of PEMFC / Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, which can produce electric energy using hydrogen energy as a raw material, has been conducted in factories, transportation vehicles, and residential power generators. It is actively progressed with the aim of applying to various aspects of the company. However, in order to commercialize the polymer electrolyte fuel cell, it is a priority to develop a catalytic process capable of stably and efficiently producing and supplying high purity hydrogen gas.
탄화수소 및 알코올류로부터 수소를 제조하는 촉매 개질반응은 탄화수소 및 알코올과 함께 사용되는 반응물의 종류에 따라 수증기 개질반응(Steam Reforming), 자열 개질반응(Auto-thermal Reforming), 부분 산화 반응(Partial Oxidation) 및 이산화탄소 개질반응(Carbon Dioxide Reforming) 등으로 구분된다.
Catalytic reforming to produce hydrogen from hydrocarbons and alcohols involves steam reforming, auto-thermal reforming and partial oxidation depending on the type of reactants used with the hydrocarbons and alcohols. And Carbon Dioxide Reforming.
그러나 알려진 개질반응 중에서, 연료전지용 수소 생산을 위해서는 수소 수율이 상대적으로 뛰어난 수증기 개질반응이 적합한 것으로 알려져 있다. 특히, 천연가스로부터 수증기 개질반응을 통해 수소를 생산하는 촉매 공정은 상업적인 수소가스 생산에 적합한 공정으로 널리 알려져 있는데, 이는 천연가스가 세계적으로 막대한 매장량을 보이고 있지만 주로 메탄과 에탄 등의 저급가스로 구성되어 있어 난방 목적 이외에는 별다른 효용 가치가 없어서 그 자체로는 부가가치가 크지 않기 때문이다. 천연가스를 극저온에서 액화시켜 제조되는 액화천연가스는 다른 화석원료에 비해 황함량이 극히 적고 운송 및 보관이 용이한 장점을 갖추고 있기 때문에 지금까지 열병합 발전, 가스 난방, 냉열이용산업 및 운송용 원료로도 사용되었지만, 최근에는 각종 운송 수단 및 가정용 발전기에 탑재된 개질기에 수소를 생산 및 공급하기 위한 효과적인 원료로 주목받고 있다.
However, among the known reforming reactions, it is known that steam reforming reactions having excellent hydrogen yields are suitable for producing hydrogen for fuel cells. In particular, the catalytic process for producing hydrogen from natural gas through steam reforming reaction is widely known as a suitable process for commercial hydrogen gas production. Although natural gas has a huge reserve in the world, it mainly consists of lower gas such as methane and ethane. Because it has no utility value except for heating purpose, it does not add much value by itself. Liquefied natural gas, produced by liquefying natural gas at cryogenic temperatures, has very low sulfur content and easy transport and storage compared to other fossil raw materials, so it has been used as a cogeneration, gas heating, cold heat utilization industry and transportation raw material. Although used, it has recently attracted attention as an effective raw material for producing and supplying hydrogen to reformers mounted in various vehicles and household generators.
하지만 고품질 및 고순도의 수소가스를 장시간 동안 안정적으로 생산하고 공급하기 위해서는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 적합함과 동시에 활성이 매우 높은 수증기 개질 촉매계를 선별하고 개발하는 것이 무엇보다 중요하다.
However, in order to stably produce and supply high quality and high purity hydrogen gas for a long time, it is important to select and develop a steam reforming catalyst system that is suitable for steam reforming of liquefied natural gas and at the same time very active.
탄화수소류 및 알코올류의 수증기 개질반응용 개질 촉매로는 8-10족 전이금속이 가능한 것으로 알려져 있으며, 그 중에서도 상업적으로 많이 쓰이는 촉매는 Ru, Rh, Ir, Pd 및 Pt 등의 귀금속계 촉매와 Ni, Co 및 Fe 등의 비귀금속계 촉매이다. 상기 귀금속 및 비귀금속계 촉매의 수증기 개질반응에서의 반응활성은 RuRh>Ni>Ir>PdPt>CoFe의 순으로 감소하는 것으로 알려져 있다[G. Jones, J.G. Jakobsen, S.S. Shim, J. Kleis, M.P. Andersson, F. Abild-Pedersen, T. Bligaard, S. Helveg, B. Hinnemann, J.R. Rostrup-Nielsen, I. Chorkendorff, J. Sehested, J.K. Norskov, J. Catal. 259권 147쪽 (2008년)]. 귀금속계 촉매인 Ru 및 Rh 촉매가 가장 우수한 반응활성을 나타내지만 이들 귀금속계 촉매는 가격경쟁력이 매우 낮은 단점이 있기 때문에 비귀금속계 촉매 중에서 비교적 높은 활성을 갖는 니켈계 촉매가 상업적인 공정에 가장 많이 이용되고 있다.
It is known that Group 8-10 transition metals can be used as a reforming catalyst for steam reforming reactions of hydrocarbons and alcohols. Among them, commercially available catalysts include noble metal catalysts such as Ru, Rh, Ir, Pd and Pt, and Ni. And non-noble metal catalysts such as Co and Fe. Reaction activity in the steam reforming reaction of the noble metal and the non-noble metal catalyst is Ru Rh>Ni>Ir> Pd Pt> Co It is known to decrease in order of Fe [G. Jones, JG Jakobsen, SS Shim, J. Kleis, MP Andersson, F. Abild-Pedersen, T. Bligaard, S. Helveg, B. Hinnemann, JR Rostrup-Nielsen, I. Chorkendorff, J. Sehested, JK Norskov, J Catal. 259 vol. 147 (2008)]. Although noble metal catalysts Ru and Rh catalysts show the best reaction activity, nickel catalysts having relatively high activity among non-noble metal catalysts are most used in commercial processes because these noble metal catalysts have the disadvantage of very low price competitiveness. It is becoming.
하지만 니켈계 촉매는 메탄의 수증기 개질반응에서 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화에 취약하며 황에 의한 피독 및 활성 입자의 소결 등으로 인한 비활성화 문제가 심각하여 장시간 동안 안정적인 활성을 나타내지 못하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 상업적인 공정에서는 니켈계 촉매의 비활성화를 억제하기 위해서 고온(800℃이상), 고압(20 내지 40 bar) 및 과량의 수증기를 공급하는 등의 가혹한 반응조건을 필요로 하는데, 이는 경제성이 매우 떨어질 뿐만 아니라 불안정하다. 특히 소규모 및 가정용의 수소가스 생산을 위한 공정에서는 상대적으로 저온에서 작동되어야 하는 등의 안정성이 매우 중요하기 때문에 위와 같은 가혹한 반응 조건을 적용시키는 것은 힘들다. 따라서 소규모의 수증기 개질반응에서 높은 활성과 안정성을 동시에 갖는 니켈계 촉매, 탄소침적 및 소결 등에 대한 저항성이 매우 높은 물리 및 화학적 구조를 가져 비활성화 문제를 해결과 동시에 촉매 성능 자체를 향상시키는 촉매를 설계하고 개발하는 것이 필수적이다.
However, nickel-based catalysts are vulnerable to catalyst deactivation due to carbon deposition in steam reforming of methane, and deactivation problems due to poisoning by sulfur and sintering of active particles are serious and do not exhibit stable activity for a long time. In order to solve this problem, commercial processes require harsh reaction conditions such as supplying high temperature (more than 800 ° C.), high pressure (20 to 40 bar), and excess water vapor to suppress deactivation of nickel-based catalysts. Economics are not only very poor but also unstable. In particular, in the process for the production of hydrogen gas in small scale and household, it is difficult to apply such harsh reaction conditions because stability is very important such as operating at a relatively low temperature. Therefore, it has a physical and chemical structure that is highly resistant to nickel deposition, carbon deposition and sintering, etc., which have high activity and stability in small steam reforming reactions, and thus design catalysts that solve the deactivation problem and improve the catalyst performance itself. It is essential to develop.
실제로 니켈계 촉매에 알칼리계 또는 알칼리 토금속계 금속 등의 첨가제를 소량 첨가하여 니켈계 촉매의 안정성을 증가시켜 결과적으로 니켈 입자의 비활성화에 대한 저항성을 증대시킨 연구가 진행된 바 있지만 이들 첨가제는 니켈계 촉매 본래의 반응활성을 감소시킬 수밖에 없는 단점이 있다[J.S. Lisboa, D.C.R.M. Santos, F.B. Passos, F.B. Noronha, Catal. Today, 101권, 15쪽 (2005)]. 또한, 세리아 및 지르코니아 등의 산소 저장능력(Oxygen Storage Capacity)이 월등한 담체의 도입을 통해 니켈계 촉매의 표면 탄소종의 산화반응을 촉진시킴으로써 니켈계 촉매의 탄소침적에 대한 저항성을 증대시킬 수 있음이 보고된 바 있지만 이들 세리아 및 지르코니아 담체는 상업적으로 이용되는 알루미나 담체에 비해 물리적으로 불안정할 뿐만 아니라 가격경쟁력이 현저히 낮은 한계를 가지고 있다[대한민국특허 제 336,968호/대한민국특허 제 858,924호]. 또한, 본 발명자들은 중형기공성 니켈계 촉매를 졸-겔법(Sol-Gel Method) 및 주형법(Templating Method)을 통해 개발함으로써 수증기 개질반응에서 촉매 표면에 흡착 및 용해된 탄소종의 고분자화 반응을 억제함과 동시에 상대적으로 기화반응을 촉진시켜 결과적으로 액화천연가스의 수증기 개질반응에서 안정적이고 높은 반응활성을 나타낼 수 있음을 보고한 바가 있다[J.G. Seo, M.H. Youn, I.K. Song, Catal. Surv. Asia, 14권, 1쪽 (2010년)/J.G. Seo, M.H. Youn, J.C. Jung, I.K. Song, Int. J. Hydrogen Energy, 35권, 6738쪽 (2010년)/대한민국특허 제 883,790호].
In fact, studies have been made to increase the stability of nickel catalysts by adding a small amount of an additive such as alkali or alkaline earth metals to nickel catalysts, thereby increasing resistance to deactivation of nickel particles. There are disadvantages that can only reduce the original reaction activity [JS Lisboa, DCRM Santos, FB Passos, FB Noronha, Catal. Today, Vol. 101, p. 15 (2005)]. In addition, through the introduction of a carrier having superior oxygen storage capacity such as ceria and zirconia, it is possible to increase the resistance of the nickel catalyst to carbon deposition by promoting the oxidation reaction of the surface carbon species of the nickel catalyst. Although reported, these ceria and zirconia carriers are not only physically unstable compared to commercially available alumina carriers, but also have a significantly lower price competitiveness (Korean Patent No. 336,968 / Korean Patent No. 858,924). In addition, the present inventors have developed a mesoporous nickel-based catalyst through the sol-gel method and the casting method to perform the polymerization of carbon species adsorbed and dissolved on the catalyst surface in the steam reforming reaction. At the same time, it has been reported to promote the vaporization reaction relatively, resulting in stable and high reaction activity in the steam reforming reaction of liquefied natural gas [JG Seo, MH Youn, IK Song, Catal. Surv. Asia, Vol. 14, p. 1 (2010) / JG Seo, MH Youn, JC Jung, IK Song, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 6738 (2010) / Korean Patent No. 883,790].
하지만 니켈계 촉매의 반응 활성은 니켈 금속자체의 특성뿐만 아니라 담체의 물리 및 화학적 특성에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 효율적인 니켈계 촉매의 제조를 위해 담체로 주로 쓰이는 알루미나의 물리 및 화학적 특성을 조절하는 연구가 진행된 바 있다. 그 중에서도 특히 중형기공성 알루미나에 대한 연구가 많이 진행되었다 [J.G. Seo, M.H. Youn, K.M. Cho, S. Park, I.K. Song, J. Power Sources, 173권, 943쪽 (2007년)]. 이는 중형 기공 구조를 갖는 알루미나 표면에서 니켈 금속 입자가 매우 고르게 분산되기 때문에 반응 활성점 간의 거리가 기공 구조를 갖지 않는 니켈계 촉매에 비해서 상대적으로 멀어지게 되어 니켈-알루미나 계면에서 일어나는 표면 탄소종의 고분자화 반응을 억제함과 동시에 기화 반응을 촉진하게 되어 결과적으로 탄소 침적 및 니켈 입자의 소결에 의한 촉매 비활성화를 억제하는 효과를 거둘 수 있기 때문이다.
However, the reaction activity of the nickel-based catalyst is known to be affected by the physical and chemical properties of the carrier as well as the properties of the nickel metal itself. Therefore, research has been conducted to control the physical and chemical properties of alumina, which is mainly used as a carrier, for the production of efficient nickel-based catalysts. In particular, many studies on medium-porous alumina have been conducted [JG Seo, MH Youn, KM Cho, S. Park, IK Song, J. Power Sources, Vol. 173, 943 (2007)]. Since the nickel metal particles are very evenly dispersed on the surface of the alumina having a medium pore structure, the distance between the reaction active sites is relatively far from that of the nickel-based catalyst having no pore structure, so that the polymer of the surface carbon species occurs at the nickel-alumina interface. This is because it suppresses the gasification reaction and promotes the gasification reaction, and as a result, it is possible to suppress the catalyst deactivation by carbon deposition and sintering of nickel particles.
하지만 니켈과 알루미나의 간단한 화학적 조성만으로는 니켈계 촉매 표면의 니켈 활성 입자의 분산도를 극대화시키는 것에 한계가 있을 뿐만 아니라 장시간의 수증기 개질반응 운전 조건하에서 니켈 입자의 소결에 따른 활성 감소에 매우 취약한 단점이 있다.
However, the simple chemical composition of nickel and alumina is not only limited to maximizing the dispersibility of nickel active particles on the surface of nickel-based catalysts, but is also very vulnerable to the reduction of activity due to sintering of nickel particles under long-term steam reforming operation conditions. have.
이에 예의 노력한 결과, 본 발명자들은 니켈을 포함하는 금속 입자의 분산도가 매우 우수함과 동시에 탄소침적 및 입자 소결에 대한 저항성이 매우 높아 장시간 동안 안정적인 운전이 가능한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하고, 이를 액화천연가스의 수증기 개질반응을 통한 수소가스 생산에 성공적으로 적용함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.As a result of the intensive efforts, the present inventors have found a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst which has excellent dispersibility of nickel-containing metal particles and very high resistance to carbon deposition and particle sintering, which enables stable operation for a long time. The present invention has been completed by successfully preparing and producing hydrogen gas through steam reforming of liquefied natural gas.
본 발명의 목적은 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조에 있어서 니켈을 포함하는 금속 입자의 분산도가 우수할 뿐만 아니라 탄소침적 및 입자 소결에 대한 저항성이 매우 높아 장시간 동안 안정적인 운전이 가능한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is not only excellent dispersibility of metal particles containing nickel in the hydrogen gas production by the steam reforming reaction of liquefied natural gas but also highly resistant to carbon deposition and particle sintering, which enables stable operation for a long time. To provide a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 상기 촉매를 이용하여 액화천연가스로부터 안정적으로 고농도의 수소가스를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method for stably producing a high concentration of hydrogen gas from liquefied natural gas using the catalyst.
본 발명의 일 측면에 따르면, 0.001 내지 0.01의 증진제(M)/알루미늄 원자비 및 0.01 내지 1의 니켈/알루미늄 원자비로 혼재된 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매가 제공된다.According to one aspect of the present invention, there is provided a mesoporous nickel-M-alumina aerogel catalyst mixed with an enhancer (M) / aluminum ratio of 0.001 to 0.01 and a nickel / aluminum ratio of 0.01 to 1.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 증진제(M)는 Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co, Mg, Cu, Pt, Au, Pd, Rh, Yb, Ag, Ru, Ir, Os, Au, V, Sn 및 Ca로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the enhancer (M) is Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co, Mg, Cu, Pt, Au, Pd, Rh, Yb, Ag, Ru, Ir, Os It may be at least one selected from the group consisting of Au, V, Sn and Ca.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매는 2 내지 50 nm의 평균 기공의 크기 및 2 내지 100 nm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.According to one embodiment of the invention, the catalyst may have an average pore size of 2 to 50 nm and an average particle size of 2 to 100 nm.
본 발명의 다른 측면에 따르면, ⅰ) 가열된 알코올 용매에 알루미늄 전구체를 용해시키는 단계; ⅱ) 상기 용액에 물, 산 및 알코올을 혼합하여 부분 수화시킴으로써 투명한 알루미나 졸(Sol)을 형성시키는 단계; ⅲ) 상기 알루미나 졸(Sol)에 니켈 전구체 및 증진제(M) 전구체를 첨가하여 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 형성시키는 단계; ⅳ)상기 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 상온으로 식혀준 뒤 물과 알코올의 혼합용액과 수화 및 축합 반응을 통해 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 형성시키는 단계; ⅴ)상기 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 숙성시키는 단계; ⅵ)상기 숙성된 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 초임계 이산화탄소를 이용하여 건조시키는 단계; 및 ⅶ)상기 건조된 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 열처리하는 단계를 포함하는 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, i) dissolving an aluminum precursor in a heated alcohol solvent; Ii) forming a transparent alumina sol (Sol) by partially hydrating by mixing water, acid and alcohol in the solution; Iii) adding a nickel precursor and a promoter (M) precursor to the alumina sol (Sol) to form a nickel-M-alumina hybrid sol (Sol); Iii) cooling the nickel-M-alumina hybrid sol (Sol) to room temperature and then forming a nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) through a hydration and condensation reaction with a mixed solution of water and alcohol; Iii) aging the nickel-M-alumina hybrid gel (Gel); Iii) drying the aged nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) using supercritical carbon dioxide; And iii) heat-treating the dried nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) to provide a method for preparing a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알루미늄 전구체는 알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트(Aluminum Nitrate Nonahydrate), 알루미늄 플로라이드 트리하이드레이트(Aluminum Fluoride Trihydrate), 알루미늄 포스페이트 하이드레이트(Aluminum Phosphate Hydrate), 알루미늄 클로라이드 헥사하이드레이트(Aluminum Chloride Hexahydrate), 알루미늄 하이드록사이드 (Aluminum Hydroxide), 알루미늄 설페이트 헥사데카하이드레이트 (Aluminum Sulfate Hexadecahydrate) 및 알루미늄 암모늄 설페이트 도데카하이드레이트 (Aluminum Ammonium Dodecahydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the aluminum precursor is aluminum nitrate nonahydrate (Aluminum Nitrate Nonahydrate), aluminum fluoride trihydrate (Aluminum Fluoride Trihydrate), aluminum phosphate hydrate (Aluminum Phosphate Hydrate), aluminum chloride hexahydrate (Aluminum It may be at least one selected from the group consisting of Chloride Hexahydrate, Aluminum Hydroxide, Aluminum Sulfate Hexadecahydrate, and Aluminum Ammonium Dodecahydrate.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 니켈 전구체는 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트(Nickel Nitrate Hexahydrate), 니켈 클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate), 니켈 아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate) 및 니켈 브로마이드 하이드레이트(Nickel Bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (Nickel Nitrate Hexahydrate), nickel chloride hexahydrate (Nickel Chloride Hexahydrate), nickel acetate tetrahydrate (Nickel Acetate Tetrahydrate) and nickel bromide hydrate (Nickel Bromide) Hydrate) may be one or more selected from the group consisting of.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 증진제(M) 전구체는 메탈 아세테이트 하이드레이트(Metal Acetate Hydrate), 메탈 나이트레이트 하이드레이트(Metal Nitrate Hydrate), 메탈 클로라이드 하이드레이트(Metal Chloride Hydrate) 및 메탈 브로마이드 하이드레이트(Metal Bromide Hydrate)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the enhancer (M) precursor is a metal acetate hydrate (Metal Acetate Hydrate), metal nitrate hydrate (Metal Nitrate Hydrate), metal chloride hydrate (Metal Chloride Hydrate) and metal bromide hydrate (Metal Bromide hydrate) Hydrate) may be one or more selected from the group consisting of.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 ⅵ)단계는 30 내지 80℃의 온도 및 100 내지 300 atm의 압력하에서 수행될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the step iii) may be carried out at a temperature of 30 to 80 ℃ and a pressure of 100 to 300 atm.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 ⅶ)단계는 500 내지 900℃의 온도에서 수행될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the step iii) may be carried out at a temperature of 500 to 900 ℃.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 촉매를 수증기 개질반응기에 충진시키는 단계; 및 ⅱ) 액화천연가스와 수증기로 이루어진 혼합가스를 공간속도 1,000 내지 500,000 ml/g-촉매·h로 반응기안의 촉매층을 통과시키는 단계를 포함하는 수증기 개질반응에 의한 액화천연가스로부터의 수소가스 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the invention, the step of filling the catalyst in a steam reforming reactor; And ii) passing a mixed gas consisting of liquefied natural gas and water vapor through a catalyst layer in a reactor at a space velocity of 1,000 to 500,000 ml / g-catalyst.h, to produce hydrogen gas from liquefied natural gas by steam reforming reaction. This is provided.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 ⅱ) 단계 전에 상기 반응기에 충진된 촉매를 질소와 수소의 혼합가스로 환원시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, before the step ii) may further comprise the step of reducing the catalyst charged in the reactor to a mixed gas of nitrogen and hydrogen.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 질소와 수소의 부피비는 1/10 내지 1/2일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the volume ratio of the nitrogen and hydrogen may be 1/10 to 1/2.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액화천연가스와 수증기 부피비는 1/10 내지 1/1일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the liquefied natural gas and water vapor volume ratio may be 1/10 to 1/1.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수증기 개질반응은 500 내지 900℃의 반응온도에서 수행될 수 있다.
According to one embodiment of the invention, the steam reforming reaction may be carried out at a reaction temperature of 500 to 900 ℃.
본 발명에 따른 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매는 액화천연가스 의 수증기 개질반응에서 장시간 동안 비활성화 없이 높은 액화천연가스의 전환율 및 수소 수율을 보이며, 증진제(M)를 포함하지 않은 니켈-알루미나 에어로젤 및 상용 알루미나 담체에 담지된 니켈 촉매에 비해 금속 입자의 분산도가 우수하며 탄소침적 및 입자소결에 대한 높은 저항성을 보인다.
The medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst according to the present invention shows a high conversion rate and hydrogen yield of liquefied natural gas without deactivation for a long time in the steam reforming of liquefied natural gas, and does not include the nickel-alumina enhancer (M). Compared with nickel catalysts supported on aerogels and commercially available alumina carriers, the dispersion of metal particles is excellent and high resistance to carbon deposition and particle sintering.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 8에 의해 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 X-선 회절 분석 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 8에 의해 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 환원 후 X-선 회절 분석 결과 그래프이다.
도 3은 반응시간에 따른 본 발명의 실시예 1 내지 8에 의해 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매 및 비교예 1에 의해 제조된 상용 알루미나에 담지된 니켈 촉매(Ni/Al2O3-commercial)의 액화천연가스 전환율 변화추이 그래프(좌) 및 수소 수율 변화추이 그래프(우)(★/Ni-La-Al2O3, ○/Ni-Ce-Al2O3, ●/Ni-Y-Al2O3, ■/Ni-Cs-Al2O3, □/Ni-Ni-Al2O3, ▲/Ni-Fe-Al2O3, △/Ni-Co-Al2O3, ◆/Ni-Mg-Al2O3, ◇/Ni/Al2O3-commercial)이다.
도 4는 반응시간 400분 이후 증진제(M)의 종류에 따른 본 발명의 실시예 1 내지 8에 의해 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 반응활성 비교 그래프이다.1 is an X-ray diffraction analysis of Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalysts prepared by Examples 1 to 8 of the present invention. The result graph.
FIG. 2 is X-rays after reduction of Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalysts prepared by Examples 1 to 8 of the present invention. It is a graph of diffraction analysis results.
3 is a comparison of Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalyst prepared by Examples 1 to 8 according to the reaction time Graph of change in liquefied natural gas conversion rate (left) and graph of hydrogen yield change (right) (★ / Ni-La-) of nickel catalyst (Ni / Al 2 O 3 -commercial) supported on commercial alumina prepared in Example 1 Al 2 O 3 , ○ / Ni-Ce-Al 2 O 3 , ● / Ni-Y-Al 2 O 3 , ■ / Ni-Cs-Al 2 O 3 , □ / Ni-Ni-Al 2 O 3 , ▲ / Ni-Fe-Al 2 O 3 , Δ / Ni-Co-Al 2 O 3 , ◆ / Ni-Mg-Al 2 O 3 , ◇ / Ni / Al 2 O 3 -commercial).
Figure 4 is Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe) prepared by Examples 1 to 8 of the present invention according to the type of enhancer (M) after the
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명에서는 0.001 내지 0.1의 증진제(M)/알루미늄 원자비 및 0.01 내지 1의 니켈/알루미늄 원자비로 혼재된 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매를 제공한다.
The present invention provides a mesoporous nickel-M-alumina aerogel catalyst mixed with a promoter (M) / aluminum ratio of 0.001 to 0.1 and a nickel / aluminum ratio of 0.01 to 1.
에어로젤 (aerogel)은 일반적으로 겔 (gel)의 그물조직 사이에서 용매가 제거되고 공기가 들어간 모양의 다공성(多孔性) 겔을 말하는 것으로, 본 발명에서는 니켈-M-알루미나 혼성 겔을 숙성과 건조, 그리고 고온에서 열처리하여 제조된 중형기공성의 니켈-M-알루미나 촉매의 형태적 특징을 말하는 것이다. 본 발명의 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매는 잘 발달된 중형기공과 고분산된 니켈 입자로 인해 촉매 표면에 흡착된 탄화수소 종의 기화반응이 원활하게 이루어져 탄소 침적이 억제되고 니켈 입자의 소결에 의한 촉매 비활성화가 장시간의 운전 중에도 거의 나타나지 않는 우수한 촉매이다.
Aerogels generally refer to porous gels in which a solvent is removed and air enters between the meshes of the gels. In the present invention, a nickel-M-alumina hybrid gel is used for aging, drying, And it refers to the morphological features of the medium-porous nickel-M-alumina catalyst prepared by heat treatment at high temperature. The medium porosity nickel-M-alumina aerogel catalyst of the present invention facilitates the vaporization of hydrocarbon species adsorbed on the catalyst surface due to the well-developed medium pores and highly dispersed nickel particles, thereby suppressing carbon deposition and sintering of nickel particles. Catalyst deactivation by is an excellent catalyst which hardly appears even during long time operation.
상기 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로졸 촉매에서 증진제(M)/알루미늄의 원자비는 촉매 활성 측면 및 촉매 제조의 경제적 측면에서 0.001 내지 0.1일 수 있으며, 바람직하게는 0.01 내지 0.05일 수 있다. 증진제(M)/알루미늄의 원자비가 0.001 미만일 경우, 증진제(M)의 분포확률이 너무 낮을 뿐만 아니라, 최종적으로 얻어진 촉매에서 증진제가 알루미나의 구조에 너무 강하게 결합하게 되어 불활성상인 M-알루미네이트 상을 형성하게 되어 증진제(M)로써의 기능을 하지 못할 수 있으며, 증진제(M)/알루미늄의 원자비가 0.1을 초과할 경우에는 니켈을 포함하는 입자의 분산도의 향상 효과가 미미할 뿐만 아니라, 과량의 증진제(M)가 활성점 역할을 하는 니켈의 표면 노출을 방해하여 촉매활성을 저해할 수 있다. 또한, 상기 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로졸 촉매에서 니켈/알루미늄의 원자비는 촉매 활성 측면 및 촉매 제조의 경제적 측면에서 0.01 내지 1일 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 1일 수 있다. 니켈/알루미늄의 원자비가 0.01 미만일 경우, 니켈 활성점이 너무 희석되어 바람직하지 못할 뿐만 아니라, 최종적으로 얻어진 촉매에서 니켈이 알루미나의 구조에 너무 강하게 결합하게 되어 불활성상인 니켈-알루미네이트 상을 형성하게 되어 활성점으로써의 기능을 하지 못할 수 있으며, 니켈/알루미늄의 원자비가 1을 초과할 경우에는 활성점의 분산이 고르지 못할 뿐만 아니라, 니켈과 알루미나의 상호작용이 너무 약해서 니켈 입자의 소결 현상과 탄소침적에 대한 저항성이 매우 낮아질 수 있다.
The atomic ratio of the enhancer (M) / aluminum in the mesoporous nickel-M-alumina aerosol catalyst may be 0.001 to 0.1, preferably 0.01 to 0.05, in terms of catalyst activity and economics of catalyst preparation. If the atomic ratio of enhancer (M) / aluminum is less than 0.001, not only is the distribution probability of the enhancer (M) too low, but also the enhancer binds too strongly to the structure of the alumina in the finally obtained catalyst to form an inert M-aluminate phase. It may form and may not function as an enhancer (M). When the atomic ratio of the enhancer (M) / aluminum exceeds 0.1, the effect of improving the dispersion of the particles containing nickel is insignificant, and the excess enhancer (M) may inhibit the catalytic activity by interfering with the surface exposure of nickel serving as the active site. In addition, the atomic ratio of nickel / aluminum in the mesoporous nickel-M-alumina aerosol catalyst may be 0.01 to 1, preferably 0.1 to 1 in terms of catalyst activity and economics of catalyst production. If the atomic ratio of nickel / aluminum is less than 0.01, not only is the nickel active point too diluted, but also undesirable, and in the finally obtained catalyst, the nickel binds too strongly to the structure of the alumina to form an inert nickel-aluminate phase. When the atomic ratio of nickel / aluminum exceeds 1, the dispersion of active sites is not uniform, and the interaction between nickel and alumina is so weak that the sintering phenomenon and carbon deposition of nickel particles are too weak. The resistance to this can be very low.
상기 증진제(M)는 Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co, Mg, Cu, Pt, Au, Pd, Rh, Yb, Ag, Ru, Ir, Os, Au, V, Sn 및 Ca로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
The enhancer (M) is Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co, Mg, Cu, Pt, Au, Pd, Rh, Yb, Ag, Ru, Ir, Os, Au, V, Sn and Ca It may be one or more selected from the group consisting of.
본 발명의 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매는 평균 기공이 2 내지 50 nm 이며 평균입자 크기는 2 내지 100 nm 일 수 있다.
The mesoporous nickel-M-alumina aerogel catalyst of the present invention may have an average pore of 2 to 50 nm and an average particle size of 2 to 100 nm.
본 발명에서는 또한, 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매 제조 방법을 제공한다. 상기 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법은 구체적으로 하기와 같은 단계로 이루어진다.
The present invention also provides a method for preparing a mesoporous nickel-M-alumina aerogel catalyst. The method for preparing the medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst is specifically made of the following steps.
먼저, 가열된 알코올 용매에 알루미늄 전구체를 용해시킨다. 상기 알코올 용매로는 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 프로판올(Propanol), 이소프로판올 (Isopropanol), 1-부탄올(1-Butanol) 및 2-부탄올(2-Butanol) 등 대표적으로 알려진 알코올류가 모두 사용될 수 있으며, 그 중에서도 에탄올(Ethanol)을 사용하는 것이 가장 바람직하며, 50 내지 100℃로 가열된 알코올 용매 하에서 알루미나 전구체를 첨가하고 교반시켜 용해시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기 알루미늄 전구체로는 모든 알루미늄 알콕사이드가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 세컨더리-부톡사이드(Aluminum sec-Butoxide), 알루미늄 에톡사이드(Aluminum Ethoxide), 알루미늄 터셔리-부톡사이드(Aluminum tert-Butoxide), 알루미늄 이소프로폭사이드(Aluminum Isopropoxide), 알루미늄 트리-세컨더리-부톡사이드(Aluminum tri-sec-Butoxide) 및 알루미늄 트리-터셔리-부톡사이드(Aluminum tri-tert-Butoxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
First, the aluminum precursor is dissolved in the heated alcohol solvent. The alcohol solvents include all representative alcohols such as ethanol, methanol, propanol, isopropanol, 1-butanol and 2-butanol. Among them, it is most preferable to use ethanol, and it is preferable to dissolve by adding and stirring the alumina precursor under an alcohol solvent heated to 50 to 100 ° C. In addition, all aluminum alkoxides may be used as the aluminum precursor, preferably, aluminum sec-butoxide, aluminum ethoxide, aluminum tert-butoxide. 1 type selected from the group consisting of aluminum isopropoxide, aluminum tri-sec-Butoxide, and aluminum tri-tert-Butoxide. It may be abnormal.
그 다음 상기 알루미늄 전구체가 용해된 용액에 물, 산 및 알코올을 혼합하여 부분 수화시킴으로써 투명한 알루미나 졸(Sol)을 형성시킨다.
Then, a transparent alumina sol (Sol) is formed by partially hydrating by mixing water, acid and alcohol in a solution in which the aluminum precursor is dissolved.
이후 상기 알루미나 졸(Sol)에 니켈 전구체 및 증진제(M) 전구체를 첨가하여 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 형성시킨다. 이때, 상기 알루미나 졸은 가열된 상태이므로 약 20 내지 80℃ 정도로 식혀준 뒤 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 니켈 전구체는 특별히 제한되지 않고 일반적으로 촉매 제조시 사용가능한 니켈 전구체가 모두 사용될 수 있으며, 바람직하게는 니켈 아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate), 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트(Nickel Nitrate Hexahydrate), 니켈 크로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate) 및 니켈 브로마이드 하이드레이트(Nickel Bromide Hydrate)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 니켈 아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate)일 수 있다. 상기 증진제(M) 전구체는 특별히 제한되지 않고 일반적으로 촉매 제조시 사용 가능한 금속(Metal) 전구체가 모두 사용될 수 있으며, 바람직하게는 메탈 아세테이트 하이드레이트(Metal Acetate Hydrate), 메탈 나이트레이트 하이드레이트(Metal Nitrate Hydrate), 메탈 크로라이드 하이드레이트(Metal Chloride Hydrate) 및 메탈 브로마이드 하이드레이트(Metal Bromide Hydrate)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 메탈 아세테이트 하이드레이트(Metal Acetate Hydrate)일 수 있다.
Thereafter, a nickel precursor and a promoter (M) precursor are added to the alumina sol (Sol) to form a nickel-M-alumina hybrid sol (Sol). At this time, since the alumina sol is in a heated state, it is preferable to use it after cooling to about 20 to 80 ° C. In addition, the nickel precursor is not particularly limited and generally all nickel precursors that can be used in preparing a catalyst may be used. Preferably, nickel acetate tetrahydrate, nickel nitrate hexahydrate, and nickel are used. It may be at least one selected from the group consisting of chromide hexahydrate (Nickel Chloride Hexahydrate) and nickel bromide hydrate (Nickel Bromide Hydrate), more preferably may be nickel acetate tetrahydrate (Nickel Acetate Tetrahydrate). The enhancer (M) precursor is not particularly limited and generally all metal precursors that can be used in preparing a catalyst may be used. Preferably, metal acetate hydrate and metal nitrate hydride are used. It may be one or more selected from the group consisting of metal chloride hydride (Metal Chloride Hydrate) and metal bromide hydride (Metal Bromide Hydrate), more preferably may be metal acetate hydrate (Metal Acetate Hydrate).
그 다음, 상기 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 상온으로 식혀준 뒤 물과 알코올의 혼합용액과 수화 및 축합 반응을 통해 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 형성시킨 뒤, 상기 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 숙성시킨다. 이때 숙성은 1 내지 15일 동안 상온에서 숙성시키는 것이 바람직하다.
Then, the nickel-M-alumina hybrid sol (Sol) is cooled to room temperature, and then a nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) is formed through a hydration and condensation reaction with a mixed solution of water and alcohol, and then the nickel The -M-alumina hybrid gel (Gel) is aged. At this time, the aging is preferably aged at room temperature for 1 to 15 days.
이후, 상기 숙성된 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 초임계 이산화탄소를 이용하여 건조시킨다. 건조 과정은 일반적인 이산화탄소의 초임계 구간의 조건에서 수행될 수 있으나 30 내지 80℃의 온도 및 100 내지 300 atm의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다.
Thereafter, the aged nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) is dried using supercritical carbon dioxide. The drying process may be carried out under conditions of a general supercritical section of carbon dioxide, but is preferably performed at a temperature of 30 to 80 ℃ and a pressure of 100 to 300 atm.
이후, 상기 건조된 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 열처리하게 되면 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매가 제조된다. 상기 열처리는 500 내지 900℃ 온도 범위 내에서 수행될 수 있다. 온도가 500℃ 미만일 경우 액화천연가스의 수증기 개질반응에서 충분한 활성을 나타내지 못할 수 있으며, 온도가 900℃를 초과하는 경우 니켈입자의 소결로 인해 촉매의 구조 및 기공성이 붕괴되어 바람직한 촉매활성을 얻을 수 없다.
Thereafter, when the dried nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) is heat treated, a nickel-M-alumina aerogel catalyst is prepared. The heat treatment may be performed in a temperature range of 500 to 900 ℃. If the temperature is less than 500 ℃ may not exhibit sufficient activity in the steam reforming reaction of liquefied natural gas, if the temperature exceeds 900 ℃ sintering of the catalyst due to the sintering of the nickel particles collapses to obtain the desired catalytic activity Can't.
또한, 본 발명은 상기 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매를 수증기 개질반응기에 충진시키는 단계; 및 액화천연가스와 수증기로 이루어진 혼합가스를 공간속도 1,000 내지 500,000 ml/g-촉매·h로 반응기안의 촉매층을 통과시키는 단계를 포함하는 수증기 개질반응에 의한 액화천연가스로부터의 수소가스 제조방법을 제공한다.
In addition, the present invention comprises the steps of filling the medium reformed nickel-M-alumina aerogel catalyst in a steam reforming reactor; And passing the mixed gas consisting of liquefied natural gas and water vapor through a catalyst layer in the reactor at a space velocity of 1,000 to 500,000 ml / g-catalyst.h, providing a method for producing hydrogen gas from liquefied natural gas by steam reforming reaction. do.
상기 촉매를 개질기 반응기에 충진시킨 뒤 반응기 내에 충진된 촉매를 질소와 수소의 혼합가스로 환원시키는 전처리 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로 액화천연가스의 수증기 개질반응에서 활성상은 니켈 산화종이 아니라 환원된 니켈종이므로 모든 니켈계 촉매에서는 반응을 수행하기 전에 수소를 사용하여 환원하는 전처리 과정을 거치는 것이 바람직하다. 상기 전처리 과정에 사용되는 혼합가스는 수소와 질소의 부피비가 1/10 내지 1/2인 것이 바람직하다. 상기 혼합가스의 수소와 질소의 부피비가 1/10 미만일 경우 충분한 환원이 이루어지지 않을 수 있으며, 1/2을 초과할 경우 환원에 필요한 수소의 양을 초과하므로 경제적이지 못하다.
It is preferable to further include a pretreatment process of filling the catalyst in the reformer reactor and then reducing the catalyst charged in the reactor into a mixed gas of nitrogen and hydrogen. In general, in the steam reforming reaction of liquefied natural gas, since the active phase is a reduced nickel species, not a nickel oxide species, it is preferable to undergo a pretreatment process in which all nickel catalysts are reduced with hydrogen before performing the reaction. In the mixed gas used in the pretreatment, the volume ratio of hydrogen and nitrogen is preferably 1/10 to 1/2. If the volume ratio of hydrogen and nitrogen of the mixed gas is less than 1/10 may not be sufficient reduction, if more than 1/2 exceeds the amount of hydrogen required for reduction is not economical.
본 발명에 따른 수소가스 제조시 혼합가스 및 질소가스는 공간속도 1,000 내지 500,000 ml/g-촉매·h 조건으로 혼합가스 내 액화천연가스와 수증기의 부피비를 1/10 내지 1/1로 하여 상기 촉매 층을 통과시켜 주는 것이 바람직하다. 반응물인 액화천연가스와 수증기의 부피비가 1/10 미만일 경우 충분한 활성을 기대할 수 없으며, 부피비가 1/1을 초과할 경우 에너지 효율적인 측면에서 바람직하지 못하다.
In the production of hydrogen gas according to the present invention, the mixed gas and the nitrogen gas have a volume ratio of liquefied natural gas and water vapor in the mixed gas at a space velocity of 1,000 to 500,000 ml / g-catalyst and h at a ratio of 1/10 to 1/1. It is preferable to pass the layer. If the volume ratio of liquefied natural gas and water vapor is less than 1/10, sufficient activity cannot be expected. If the volume ratio exceeds 1/1, it is not preferable in terms of energy efficiency.
또한, 본 발명에 따른 수소가스 제조시 반응온도는 500 내지 900℃일 수 있다. 반응온도가 500℃ 미만일 경우 충분한 촉매활성을 기재할 수 없으며, 반응온도가 900℃를 초과할 경우 촉매의 소결 등으로 인해 안정성이 저하될 수 있다.
In addition, the reaction temperature when producing hydrogen gas according to the present invention may be 500 to 900 ℃. If the reaction temperature is less than 500 ℃ can not describe sufficient catalytic activity, if the reaction temperature exceeds 900 ℃ stability may be lowered due to sintering of the catalyst.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It should be understood, however, that these examples are for illustrative purposes only and are not to be construed as limiting the scope of the present invention.
실시예Example 1: One: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- NiNi -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
80℃로 가열된 에탄올 용매에 알루미늄 전구체로서 알루미늄 세컨더리-부톡사이드(Aluminum sec-Butoxide, Sigma-Aldrich 제품) 7 g을 용해시킨 후 80℃ 온도로 유지하면서 상기 용액에 에탄올/질산/물(40 ml/0.1 ml/0.3 ml) 혼합용액을 서서히 첨가하면서 부분적인 수화 반응을 진행시켜 수분 내에 균일하고 투명한 알루미나 졸(Sol)을 얻었다. 상기 알루미나 졸(Sol)을 60℃로 식힌 다음, 니켈 전구체로서 에탄올 10 ml에 분산된 니켈 아세테이트 테트라하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 2.3 g 및 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 0.5 g을 첨가하여 니켈-Ni-알루미나 혼성 졸(Sol)을 얻게 되었다. 얻어진 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 상온(25℃)으로 식힌 다음, 에탄올/물(5 ml/0.6 ml) 혼합용액을 서서히 주입하여 수화 및 축합반응을 통해 니켈-Ni-알루미나 혼성 겔(Gel)을 얻었으며 이를 7일 동안 상온(25℃)에서 숙성시켰다. 이후 숙성된 겔(Gel)을 50℃ 및 170 atm의 초임계 이산화탄소 분위기에서 24시간 동안 건조시켜 중형기공성 니켈-Ni-알루미나 에어로젤을 얻었다. 최종적으로 얻어진 니켈-Ni-알루미나 에어로젤을 전기로를 이용하여 공기분위기에서 700℃에서 5시간 동안 열처리하여 중형기공성 니켈-Ni-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Ni-Al2O3로 명명하였다.
After dissolving 7 g of aluminum secondary-butoxide (Aluminum sec-Butoxide, manufactured by Sigma-Aldrich) as an aluminum precursor in an ethanol solvent heated to 80 ° C., ethanol / nitric acid / water (40 ml) was added to the solution while maintaining the temperature at 80 ° C. /0.1 ml / 0.3 ml) A partial hydration reaction was carried out while slowly adding the mixed solution to obtain a uniform and transparent alumina sol (Sol) in water. The alumina sol (Sol) was cooled to 60 ° C., followed by 2.3 g of nickel acetate tetrahydrate (manufactured by Sigma-Aldrich) dispersed in 10 ml of ethanol as a nickel precursor and nickel acetate hydrate (manufactured by Sigma-Aldrich) as a precursor (M) 0.5 g was added to obtain a nickel-Ni-alumina hybrid sol (Sol). The obtained nickel-M-alumina hybrid sol (Sol) is cooled to room temperature (25 ° C), and then ethanol / water (5 ml / 0.6 ml) mixed solution is slowly injected to hydrate and condense the nickel-Ni-alumina hybrid gel. (Gel) was obtained and aged for 7 days at room temperature (25 ℃). The aged gel was then dried in a supercritical carbon dioxide atmosphere at 50 ° C. and 170 atm for 24 hours to obtain a medium porosity nickel-Ni-alumina aerogel. Finally, the obtained nickel-Ni-alumina airgel was heat-treated in an air atmosphere at 700 ° C. for 5 hours using an electric furnace to prepare a medium-porous nickel-Ni-alumina airgel catalyst, which was named Ni-Ni-Al 2 O 3 . .
실시예Example 2: 2: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- CeCe -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 대신에 세륨(Ⅲ) 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.2 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-Ce-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Ce-Al2O3로 명명하였다.
Medium porosity in the same manner as in Example 1 using 0.2 g of cerium (III) acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 Nickel-Ce-alumina aerogel catalysts were prepared and named Ni-Ce-Al 2 O 3 .
실시예Example 3: 3: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- LaLa -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 대신에 란타넘(Ⅲ) 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.2 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-La-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-La-Al2O3로 명명하였다.
Medium pores in the same manner as Example 1 using 0.2 g of lanthanum (III) acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 A star nickel-La-alumina aerogel catalyst was prepared and named Ni-La-Al 2 O 3 .
실시예Example 4: 4: 중형기공성Medium porosity 니켈-Y-알루미나 에어로젤 촉매의 제조 Preparation of Nickel-Y-Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 대신에 이트륨(Ⅲ) 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.2 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-Y-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Y-Al2O3로 명명하였다.
Medium porosity in the same manner as in Example 1 using 0.2 g of yttrium (III) acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 Nickel-Y-alumina aerogel catalysts were prepared and named Ni-Y-Al 2 O 3 .
실시예Example 5: 5: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- CsCs -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 대신에 세슘(Ⅲ) 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.1 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-Cs-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Cs-Al2O3로 명명하였다.
Medium porosity in the same manner as in Example 1 using 0.1 g of cesium (III) acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 Nickel-Cs-alumina aerogel catalysts were prepared and named Ni-Cs-Al 2 O 3 .
실시예Example 6: 6: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- FeFe -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 대신에 아이론 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.2 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-Fe-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Fe-Al2O3로 명명하였다.
Medium porosity nickel-Fe in the same manner as in Example 1 using 0.2 g of iron acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 An alumina airgel catalyst was prepared and named Ni-Fe-Al 2 O 3 .
실시예Example 7: 7: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- CoCo -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 대신에 코발트 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.3 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-Co-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Co-Al2O3로 명명하였다.
Medium porosity nickel-Co in the same manner as in Example 1 using 0.3 g of cobalt acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 An alumina airgel catalyst was prepared and named Ni-Co-Al 2 O 3 .
실시예Example 8: 8: 중형기공성Medium porosity 니켈- nickel- MgMg -알루미나 에어로젤 촉매의 제조Preparation of Alumina Aerogel Catalysts
상기 실시예 1의 증진제(M) 전구체로서 니켈 아세테이트 하이드레이트 (Sigma-Aldrich 제품) 대신에 마그네슘 아세테이트 하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품) 0.5 g을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중형기공성 니켈-Mg-알루미나 에어로젤 촉매를 제조하였고 이를 Ni-Mg-Al2O3로 명명하였다.
Medium-porous nickel-Mg in the same manner as in Example 1, using 0.5 g of magnesium acetate hydrate (Sigma-Aldrich) instead of nickel acetate hydrate (Sigma-Aldrich) as the enhancer (M) precursor of Example 1 An alumina aerogel catalyst was prepared and named Ni-Mg-Al 2 O 3 .
비교예Comparative example 1: 상용 알루미나 1: commercial alumina 담체에On the carrier 담지된Supported 니켈 촉매의 제조 Preparation of Nickel Catalyst
1 ml의 증류수에 0.996 g의 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트(Sigma-Aldrich 제품)를 충분히 녹인 후, 1 g의 상용 알루미나(Degussa 제품)를 넣어서 일반적인 함침법으로 균일하게 함침하였다. 상기 과정을 거친 뒤 100℃의 오븐에서 24시간 동안 건조시킨 후, 얻어진 분말을 700℃에서 5시간 동안 열처리하여서 최종적으로 니켈 담지촉매를 얻었다. 이렇게 제조된 니켈 담지촉매를 Ni/Al2O3-commercial 로 명명하였다.
After sufficiently dissolving 0.996 g of nickel nitrate hexahydrate (manufactured by Sigma-Aldrich) in 1 ml of distilled water, 1 g of commercial alumina (manufactured by Degussa) was added and uniformly impregnated by a general impregnation method. After the above process and dried in an oven at 100 ℃ for 24 hours, the powder obtained was heat-treated at 700 ℃ for 5 hours to finally obtain a nickel supported catalyst. The nickel supported catalyst thus prepared was named Ni / Al 2 O 3 -commercial.
시험예Test Example 1: 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 화학적 조성, 1: chemical composition of nickel-M-alumina aerogel catalyst, 비표면적Specific surface area , 기공 부피 및 평균 기공크기 측정, Pore volume and average pore size
상기 실시예 1 내지 8에서 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 촉매의 화학적 조성 및 비표면적, 기공부피 및 평균 기공크기를 표 1에 나타내었다.
Chemical composition and specific surface area, pore volume and average pore size of Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) catalysts prepared in Examples 1 to 8 Is shown in Table 1.
(중량%)(weight%)
표 1에서 보여지는 바와 같이 우선, Ni/Al 원자비가 0.29 내지 0.31, 증진제(M)/Al 원자비가 0.05 내지 0.07인 것으로부터 본 발명의 증진제(M)를 포함한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매 제조방법에 의해 니켈과 증진제 모두 성공적으로 촉매에 도입된 것을 알 수 있다. 또한, 모든 에어로젤 촉매는 비교적 우수한 비표면적, 기공부피 및 평균 기공크기 등의 전형적인 중형기공성 물질의 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
As shown in Table 1, first, the Ni / Al atomic ratio of 0.29 to 0.31 and the enhancer (M) / Al atomic ratio of 0.05 to 0.07 are mesoporous nickel-M-alumina aerogel containing the enhancer (M) of the present invention. It can be seen that both the nickel and the promoter were successfully introduced into the catalyst by the catalyst preparation method. In addition, it can be seen that all aerogel catalysts exhibit the properties of typical mesoporous materials such as relatively good specific surface area, pore volume and average pore size.
특히, 그 중에서도 Ni을 증진제로 사용한 Ni-Ni-Al2O3, 즉 니켈과 알루미나만으로 구성된 촉매가 가장 우수한 물리적 특성을 나타내었다. 주목할만한 점은 각각의 촉매에서 전체 금속의 함량이 크게 다르지 않음에도 불구하고 다른 모든 촉매는 Ni-Ni-Al2O3에 비해 비표면적이 낮고 기공부피가 작을 뿐만 아니라 평균 기공크기도 작은 등 전체적인 물리적 특성이 열등하다는 것이다. 이로부터 증진제(M)를 포함한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조에 있어서 증진제(M)로서 금속의 특성이 최종적인 촉매의 구조적 및 화학적 특성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
In particular, Ni-Ni-Al 2 O 3 using Ni as an enhancer, that is, a catalyst composed of only nickel and alumina, showed the best physical properties. It is noteworthy that despite the fact that the total metal content of each catalyst is not significantly different, all other catalysts have a lower specific surface area, smaller pore volume, and smaller average pore size than Ni-Ni-Al 2 O 3 . Physical properties are inferior. From this, it can be seen that the properties of the metal as the enhancer (M) affect the structural and chemical properties of the final catalyst in the preparation of the medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst including the enhancer (M).
시험예Test Example 2: 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 X-선 2: X-ray of nickel-M-alumina aerogel catalyst 회절diffraction 분석 analysis
도 1에는 본 발명의 상기 실시예 1 내지 8에 의해 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 X-선 회절 분석 결과 그래프를 나타내었다. 도 1에서 주목할만한 점은, 제조된 모든 촉매에서 산화 상태의 니켈(실선) 및 각각의 산화상태의 증진제(M)로서 금속에 해당하는 특성 피크가 발달하지 않는 것인데, 이는 이들 산화상태의 금속이 XRD 분석의 검출한계인 2 nm 이하의 크기로 고르게 분산되어 있기 때문으로 해석할 수 있다. 또한, 모든 촉매에서 감마-알루미나의 회절 피크(점선)가 낮은 각도로 이동하는 것을 발견할 수 있는데, 이로부터 알루미나 표면에 비교적 균일하게 분포 및 상호작용하고 있는 니켈 입자가 알루미나의 격자로 포합(Incorporation)되어 안정적인 니켈-알루미네이트 상이 형성된 것으로 보여진다.
1 shows X-ray diffraction of a Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalyst prepared by Examples 1 to 8 of the present invention. The graph of the analysis result is shown. It is noteworthy in FIG. 1 that all the catalysts produced do not develop characteristic peaks corresponding to metals as nickel (solid line) in the oxidation state and enhancers (M) in the respective oxidation state. This is because it is evenly distributed in the size of 2 nm or less, which is the detection limit of XRD analysis. It is also found that the diffraction peaks (dotted lines) of gamma-alumina are shifted at low angles in all catalysts, from which nickel particles, which are distributed and interact relatively uniformly on the surface of alumina, are incorporated into the lattice of alumina (Incorporation). ) And a stable nickel-aluminate phase is shown.
시험예Test Example 3: 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 환원 후 X-선 3: X-ray after reduction of nickel-M-alumina aerogel catalyst 회절diffraction 분석 analysis
도 2에는 본 발명의 상기 실시예 1 내지 8에 의해 제조된 Ni-M-Al2O3(M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 환원 후 X-선 회절 분석 결과 그래프를 나타내었다. 도 2에서 보여지는 바와 같이 환원된 모든 촉매에서 0 가(Zero-valent) 상태의 금속 니켈에 해당하는 특성피크(실선)가 잘 발달된 것을 확인할 수 있다. 또한, 감마-알루미나의 회절 피크(점선)이 다시 원래 각도로 돌아온 것을 알 수 있는데, 이로부터 본 발명의 환원과정을 통해서 산화 상태의 니켈이 수증기 개질반응의 활성상인 금속 니켈로 완전히 전이되는 것으로 해석할 수 있다. 하지만 Ni-Co-Al2O3의 경우 각각 θ = 37, 43, 63도에서 산화 상태의 니켈에 해당하는 특성 피크가 발달한 것으로 보아 산화상태의 니켈과 금속 니켈이 동시에 존재하는 것을 알 수 있다.
2 shows X- after reduction of the Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalysts prepared by Examples 1 to 8 of the present invention. The graph shows the result of the line diffraction analysis. As shown in FIG. 2, it can be seen that the characteristic peak (solid line) corresponding to the metal nickel in the zero-valent state is well developed in all the reduced catalysts. In addition, it can be seen that the diffraction peaks (dotted lines) of gamma-alumina are returned to their original angles. From this, the oxidation of nickel is completely transferred to metal nickel, which is an active phase of the steam reforming reaction, through the reduction process of the present invention. can do. However, in the case of Ni-Co-Al 2 O 3 , the characteristic peaks corresponding to the nickel in the oxidized state developed at θ = 37, 43, and 63 degrees, respectively, indicating that the nickel and the metal nickel in the oxidized state exist simultaneously. .
시험예Test Example 4: 4: 중형기공성Medium porosity 니켈-M-알루미나 촉매의 수소흡착 Hydrogen Sorption of Nickel-M-Alumina Catalysts
상기 실시예 1 내지 8에서 제조된 Ni-M-Al2O3(M=Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 수소흡착 분석결과를 표 2에 나타내었다. 하기 표 2의 데이터를 얻기 위해서 제조된 모든 촉매를 700℃에서 3시간 동안 수소 분위기에서 환원하였으며, 50℃에서 수소 기체가 흡착되는 양을 측정하였다. 흡착된 수소의 양을 바탕으로 금속 분산도 및 평균 입자크기는 H/Nis=1 즉, 수소 원자 하나가 활성 입자 하나에 화학적으로 흡착한다는 가정 하에서 계산하여 정리하였다.
Hydrogen adsorption analysis of the Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalyst prepared in Examples 1 to 8 are shown in Table 2. All the catalysts prepared to obtain the data in Table 2 were reduced in a hydrogen atmosphere at 700 ° C. for 3 hours, and the amount of hydrogen gas adsorbed at 50 ° C. was measured. Based on the amount of hydrogen adsorbed, the metal dispersion and average particle size were calculated and arranged under the assumption that H / Nis = 1, that is, one hydrogen atom chemically adsorbed to one active particle.
(%)(%)
((
nmnm
))
표 2에서 보여지는 바와 같이, 수소흡착량 및 금속 분산도는 Ni-La-Al2O3 > Ni-Ce-Al2O3 > Ni-Y-Al2O3 > Ni-Cs-Al2O3 > Ni-Ni-Al2O3 > Ni-Fe-Al2O3 > Ni-Co-Al2O3 > Ni-Mg-Al2O3의 순으로 감소하였다. 또한, 평균입자크기는 이와 정반대의 경향성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 증진제의 종류에 따라 증진제(M)를 포함한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 화학적 특성, 특히 반응활성에 밀접하게 연관된 것으로 알려진 금속의 분산도 및 평균입자크기가 민감하게 영향을 받는 것을 알 수 있다. 특히, 증진제(M)로 란타넘을 포함한 Ni-La-Al2O3가 가장 높은 금속 분산도 및 가장 작은 평균입자크기를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
As shown in Table 2, the hydrogen adsorption amount and the metal dispersity are Ni-La-Al 2 O 3 > Ni-Ce-Al 2 O 3 > Ni-Y-Al 2 O 3 > Ni-Cs-Al 2 O 3 > Ni-Ni-Al 2 O 3 > Ni-Fe-Al 2 O 3 > Ni-Co-Al 2 O 3 > Ni-Mg-Al 2 O 3 It was reduced in the order. In addition, it can be seen that the average particle size shows the opposite trend. From this, depending on the type of promoter, the chemical properties of the medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst including the promoter (M), in particular, the dispersion and average particle size of metals known to be closely related to the reaction activity are sensitively affected. I can see it. In particular, it can be confirmed that Ni-La-Al 2 O 3 including a lanthanum as the enhancer (M) has the highest metal dispersion and the smallest average particle size.
시험예Test Example 5: 5: 중형기공성Medium porosity 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매를 이용한 Using Nickel-M-Alumina Aerogel Catalysts 액화천연Liquefied natural 가스( gas( LNGLNG )의 수증기 Water vapor 개질반응Reforming reaction 특성 측정 Characterization
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1에서 제조된 촉매를 이용하여 메탄과 에탄의 혼합가스로 구성된 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조 반응을 수행하였다. Hydrogen gas production was carried out by steam reforming of liquefied natural gas consisting of a mixed gas of methane and ethane using the catalysts prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1.
반응물로 사용된 메탄과 에탄의 혼합가스로 이루어진 액화천연가스는 메탄 92 부피% 및 에탄 8 부피%로 구성되었다. 수증기 개질반응을 위해 촉매를 반응기에 충진시키고, 반응전에 700℃에서 질소(30 ml)와 수소(3 ml)의 혼합가스로 촉매를 3시간 동안 환원시킨 후, 반응물이 반응기 안의 촉매층을 연속적으로 통과하면서 반응이 진행되도록 하였다. 반응물의 공간속도(Space Velocity)는 27,000 ml/g-촉매·h로 유지하였으며, 반응물인 액화천연가스와 수증기의 부피비는 5/10으로 유지하였으며, 액화천연가스의 수증기 개질반응은 600℃에서 수행되었다. 액화천연가스의 전환율 및 수소 수율은 하기 수학식 1, 2에 의해 각각 계산되었다.
The liquefied natural gas consisting of a mixture of methane and ethane used as a reactant was composed of 92% by volume of methane and 8% by volume of ethane. After the catalyst was charged into the reactor for steam reforming, the catalyst was reduced with a mixed gas of nitrogen (30 ml) and hydrogen (3 ml) at 700 ° C. for 3 hours before the reaction, and the reactants were continuously passed through the catalyst layer in the reactor. The reaction was allowed to proceed. The space velocity of the reactants was maintained at 27,000 ml / g-catalyst and h, and the volume ratio of liquefied natural gas and water vapor was maintained at 5/10. The steam reforming reaction of liquefied natural gas was performed at 600 ° C. It became. The conversion rate and the hydrogen yield of the liquefied natural gas were respectively calculated by the following equations (1) and (2).
도 3에는 본 발명의 실시예 1 내지 8 및 비교예 1에서 제조된 촉매의 반응시간에 따른 액화천연가스 전환율 변화추이 그래프(좌) 및 수소 수율 변화추이 그래프(우)를 나타내었다. 도 3에서 보여지는 바와 같이 비교예 1에서 제조된 상용 알루미나에 담지된 니켈 촉매의 경우 반응시간이 경과함에 따라 탄소침적 및 입자소결에 따른 비활성화 경향이 두드러지는 것을 알 수 있다. 이에 반해 본 발명의 실시예 1 내지 8에서 제조된 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매 (M=Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 모두가 반응시간 약 1000분 동안 비교적 안정적인 반응활성을 나타내고 있다. 이러한 결과는 Ni-M-Al2O3(M=Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매가 액화천연가스의 수증기 개질반응에서 탄소침적 및 니켈 입자소결에 의한 촉매 비활성화에 대한 저항력이 매우 우수하다는 것을 의미한다. 3 is a graph showing the liquefied natural gas conversion change graph (left) and the hydrogen yield change graph (right) according to the reaction time of the catalysts prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 of the present invention. As shown in FIG. 3, in the case of the nickel catalyst supported on the commercial alumina prepared in Comparative Example 1, the deactivation tendency due to carbon deposition and particle sintering is noticeable as the reaction time elapses. In contrast, all of the medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalysts (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) prepared in Examples 1 to 8 of the present invention were reacted for about 1000 minutes. It shows relatively stable reaction activity. These results indicate that Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) aerogel catalysts are formed by carbon deposition and nickel particle sintering in steam reforming of liquefied natural gas. This means that the resistance to deactivation is very good.
이는 촉매 표면에 잘 발달된 중형기공 구조 및 비교적 고르게 분산된 니켈 입자가 표면 탄소종의 고분자화반응 및 침적반응을 효과적으로 억제함과 동시에 기화반응을 촉진시켰기 때문으로 해석할 수 있다. 이로부터 본 발명에 의한 증진제(M)을 포함한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매가 액화천연가스의 수증기 개질반응을 통해 고순도의 수소가스를 안정적으로 생산할 수 있는 매우 효율적인 촉매인 것을 알 수 있다.This can be interpreted as the well-developed medium pore structure and relatively evenly dispersed nickel particles effectively suppress the polymerization and deposition reaction of surface carbon species and promote the vaporization reaction. From this, it can be seen that the medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst including the enhancer (M) according to the present invention is a very efficient catalyst capable of stably producing high purity hydrogen gas through steam reforming of liquefied natural gas. .
도 4에는 반응시간 400분 이후 본 발명의 실시예 1 내지 8에서 제조된 Ni-M-Al2O3(M=Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co 및 Mg) 에어로젤 촉매의 증진제(M)의 종류에 따른 반응활성 비교 그래프를 나타내었다. 도 4에서 보여지는 바와 같이 액화천연가스 전환율 및 수소 수율을 포함하는 반응활성은 Ni-La-Al2O3 > Ni-Ce-Al2O3 > Ni-Y-Al2O3 > Ni-Cs-Al2O3 > Ni-Ni-Al2O3 > Ni-Fe-Al2O3 > Ni-Co-Al2O3 > Ni-Mg-Al2O3의 순으로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명의 실시예 1 내지 8에서 제조된 촉매 중에서는 금속 분산도가 가장 높고 평균입자크기가 가장 작은 Ni-La-Al2O3가 가장 높은 반응활성을 나타내었다. 여기서 주목할만한 점은 이러한 결과가 상기 표 2의 데이터에서 언급한 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 금속 분산도 및 평균입자크기와 밀접하게 관계가 있다는 것이다. 이는 액화천연가스의 수증기 개질반응의 반응기작에서 속도결정단계 (Rate-determining Step)인 액화천연가스의 흡착반응이 금속 분산도가 높고 평균입자크기가 작은 촉매일수록 원활히 진행되어 결과적으로 높은 반응활성을 얻게 된 것으로 해석된다.
FIG. 4 shows an enhancer of Ni-M-Al 2 O 3 (M = Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co and Mg) airgel catalysts prepared in Examples 1 to 8 after the reaction time of 400 minutes. A graph showing the reaction activity according to the type of (M) is shown. As shown in FIG. 4, the reaction activity including liquefied natural gas conversion and hydrogen yield is Ni-La-Al 2 O 3 > Ni-Ce-Al 2 O 3 > Ni-Y-Al 2 O 3 > Ni-Cs -Al 2 O 3 > Ni-Ni-Al 2 O 3 > Ni-Fe-Al 2 O 3 > Ni-Co-Al 2 O 3 > Ni-Mg-Al 2 O 3 It can be seen that in order of decreasing, among the catalysts prepared in Examples 1 to 8 of the present invention Ni-La-Al having the highest metal dispersion and the smallest average particle size 2 O 3 showed the highest reaction activity. It is noteworthy here that these results are closely related to the metal dispersion and average particle size of the mesoporous nickel-M-alumina aerogel catalyst mentioned in the data in Table 2. This is because the adsorption reaction of the liquefied natural gas, which is a rate-determining step, in the reactor operation of the steam reforming reaction of the liquefied natural gas proceeds more smoothly with a catalyst having a higher metal dispersion and a small average particle size. It is interpreted as obtained.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.
Claims (14)
상기 증진제(M)는 Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co, Mg, Rh, Yb, Ru, Ir, Os, 및 Ca로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 수증기 개질반응에 의한 액화천연가스로부터의 수소가스 제조용 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매.
Mixed with a promoter (M) / aluminum atomic ratio of 0.001 to 0.1 and a nickel / aluminum atomic ratio of 0.01 to 1,
The enhancer (M) is at least one selected from the group consisting of Ni, Ce, La, Y, Cs, Fe, Co, Mg, Rh, Yb, Ru, Ir, Os, and Ca, liquefied natural by steam reforming reaction. Medium porosity nickel-M-alumina aerogel catalyst for producing hydrogen gas from gas.
상기 촉매는 2 내지 50 nm의 평균 기공의 크기 및 2 내지 100 nm의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst is a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst, characterized in that it has an average pore size of 2 to 50 nm and an average particle size of 2 to 100 nm.
ⅱ) 상기 용액에 물, 산 및 알코올을 혼합하여 부분 수화시킴으로써 투명한 알루미나 졸(Sol)을 형성시키는 단계;
ⅲ) 상기 알루미나 졸(Sol)에 니켈 전구체 및, 메탈 아세테이트 하이드레이트(Metal Acetate Hydrate), 메탈 나이트레이트 하이드레이트(Metal Nitrate Hydrate), 메탈 클로라이드 하이드레이트(Metal Chloride Hydrate) 및 메탈 브로마이드 하이드레이트(Metal Bromide Hydrate)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 증진제(M) 전구체를 첨가하여 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 형성시키는 단계;
ⅳ)상기 니켈-M-알루미나 혼성 졸(Sol)을 상온으로 식혀준 뒤 물과 알코올의 혼합용액과 수화 및 축합 반응을 통해 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 형성시키는 단계;
ⅴ)상기 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 숙성시키는 단계;
ⅵ)상기 숙성된 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 초임계 이산화탄소를 이용하여 건조시키는 단계; 및
ⅶ)상기 건조된 니켈-M-알루미나 혼성 겔(Gel)을 열처리하는 단계;
를 포함하는 수증기 개질반응에 의한 액화천연가스로부터의 수소가스 제조용 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
Iii) dissolving the aluminum precursor in a heated alcohol solvent;
Ii) forming a transparent alumina sol (Sol) by partially hydrating by mixing water, acid and alcohol in the solution;
Iii) Nickel precursor and metal acetate hydrate (Metal Acetate Hydrate), Metal Nitrate Hydrate, Metal Chloride Hydrate and Metal Bromide Hydrate (Metal Bromide Hydrate) in the alumina sol (Sol) Adding at least one enhancer (M) precursor selected from the group consisting of to form a nickel-M-alumina hybrid sol (Sol);
Iii) cooling the nickel-M-alumina hybrid sol (Sol) to room temperature and then forming a nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) through a hydration and condensation reaction with a mixed solution of water and alcohol;
Iii) aging the nickel-M-alumina hybrid gel (Gel);
Iii) drying the aged nickel-M-alumina hybrid gel (Gel) using supercritical carbon dioxide; And
Iii) heat-treating the dried nickel-M-alumina hybrid gel (Gel);
Method for producing a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst for producing hydrogen gas from liquefied natural gas by steam reforming reaction comprising a.
상기 알루미늄 전구체는 알루미늄 나이트레이트 노나하이드레이트(Aluminum Nitrate Nonahydrate), 알루미늄 플로라이드 트리하이드레이트(Aluminum Fluoride Trihydrate), 알루미늄 포스페이트 하이드레이트(Aluminum Phosphate Hydrate), 알루미늄 클로라이드 헥사하이드레이트(Aluminum Chloride Hexahydrate), 알루미늄 하이드록사이드(Aluminum Hydroxide), 알루미늄 설페이트 헥사데카하이드레이트 (Aluminum Sulfate Hexadecahydrate) 및 알루미늄 암모늄 설페이트 도데카 하이드레이트(Aluminum Ammonium Dodecahydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The aluminum precursor may be aluminum nitrate nonahydrate, aluminum fluoride trihydrate, aluminum phosphate hydrate, aluminum chloride hexahydrate, aluminum hydroxide Aluminum Hydroxide, Aluminum Sulfate Hexadecahydrate and Aluminum Ammonium Dodecahydrate (Aluminum Ammonium Dodecahydrate) The preparation of a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst characterized in that at least one selected from the group consisting of Way.
상기 니켈 전구체는 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트(Nickel Nitrate Hexahydrate), 니켈 클로라이드 헥사하이드레이트(Nickel Chloride Hexahydrate), 니켈 아세테이트 테트라하이드레이트(Nickel Acetate Tetrahydrate) 및 니켈 브로마이드 하이드레이트(Nickel Bromide Hydrate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The nickel precursor is one selected from the group consisting of Nickel Nitrate Hexahydrate, Nickel Chloride Hexahydrate, Nickel Acetate Tetrahydrate, and Nickel Bromide Hydrate. Method for producing a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst, characterized in that above.
상기 ⅵ)단계는 30 내지 80℃의 온도 및 100 내지 300 atm의 압력하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The step iii) is a method for producing a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst, characterized in that carried out at a temperature of 30 to 80 ℃ and a pressure of 100 to 300 atm.
상기 ⅶ)단계는 500 내지 900℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 중형기공성 니켈-M-알루미나 에어로젤 촉매의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The step iii) is a method for producing a medium-porous nickel-M-alumina aerogel catalyst, characterized in that carried out at a temperature of 500 to 900 ℃.
ⅱ) 액화천연가스와 수증기로 이루어진 혼합가스를 공간속도 1,000 내지 500,000 ml/g-촉매·h로 반응기안의 촉매층을 통과시키는 단계를 포함하는 수증기 개질반응에 의한 액화천연가스로부터의 수소가스 제조방법.
Iii) charging the catalyst according to claim 1 to a steam reforming reactor; And
Ii) A method for producing hydrogen gas from liquefied natural gas by steam reforming comprising passing a mixed gas consisting of liquefied natural gas and water vapor through a catalyst bed in a reactor at a space velocity of 1,000 to 500,000 ml / g-catalyst.h.
상기 ⅱ) 단계 전에 상기 반응기에 충진된 촉매를 질소와 수소의 혼합가스로 환원시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스로부터의 수소가스 제조방법.
The method of claim 10,
Reducing the catalyst charged in the reactor to the mixed gas of nitrogen and hydrogen before the step ii), the method of producing hydrogen gas from liquefied natural gas.
상기 혼합가스의 질소와 수소의 부피비는 1/10 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 액화천연가스로부터의 수소가스 제조방법.
12. The method of claim 11,
The volume ratio of nitrogen and hydrogen of the mixed gas is a hydrogen gas from liquefied natural gas, characterized in that 1/10 to 1/2.
상기 혼합가스의 액화천연가스와 수증기 부피비는 1/10 내지 1/1인 것을 특징으로 하는 액화천연가스로부터의 수소가스 제조방법.
The method of claim 10,
Hydrogen gas from liquefied natural gas, characterized in that the volume ratio of the liquefied natural gas and water vapor of the mixed gas is 1/10 to 1/1.
상기 수증기 개질반응은 500 내지 900℃의 반응온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조방법.
The method of claim 10,
The steam reforming reaction is a hydrogen gas production method, characterized in that carried out at a reaction temperature of 500 to 900 ℃.
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