KR101570943B1 - A perovskite-like catalyst supported on alumina having a bimodal pore structure for combined steam and co_2 reforming reaction with methane and a preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a perovskite catalyst carried on an alumina support with a bimodal pore structure for a mixed reforming reaction and a manufacturing method thereof, capable of obtaining a high conversion rate of methane and carbon dioxide by carrying a metal catalyst with a perovskite structure of LaSrNiO_3 as an active ingredient on a Al_2O_3 support with a bimodal pore structure and inhibiting inactivation of a catalyst through sintering of nickel as an active ingredient, even when the catalyst is reacted at high temperatures.

Description

이중 세공구조의 알루미나 지지체에 담지된 혼합 개질반응용 페롭스카이트 촉매 및 이의 제조방법{A perovskite-like catalyst supported on alumina having a bimodal pore structure for combined steam and CO₂reforming reaction with methane and a preparation method thereof}[0001] The present invention relates to a perovskite catalyst for mixed reforming supported on an alumina support having a double pore structure, and a method for producing the perovskite-like catalyst supported on an alumina support,

본 발명은 이중 세공구조의 알루미나 지지체에 담지된 혼합 개질반응용 페롭스카이트 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a perovskite catalyst for mixed reforming supported on an alumina support having a double pore structure and a method for producing the same.

화석 연료의 한정된 매장량에 의한 대체 에너지 자원 개발과 CO2에 의한 지구 온난화 문제로 인해 전세계적으로 재생 가능한 대체 에너지 자원의 개발이 중요하게 다루어지고 있다. 천연가스 및 이산화탄소를 반응물로 이용하여 수행하는 혼합 개질반응은 이산화탄소 활용 및 환경 친화적인 수소 및 합성가스 등의 에너지를 개발하기 위한 대안책으로 제시되고 있으며, 특히 이를 이용한 대체 연료유 생산을 위한 방법으로서 DME 합성 공정이나 GTL(Gas to liquid) 기술에 있어서 원료인 합성가스를 적절한 H2/CO 비로 제공할 수 있는 필수적인 공정이다.
The development of renewable alternative energy resources around the world is an important issue due to the development of alternative energy resources by limited reserves of fossil fuels and global warming due to CO 2 . Natural gas and carbon dioxide are used as reactants to provide alternative energy for developing energy such as carbon dioxide and environmentally friendly hydrogen and synthetic gas. In particular, DME It is an indispensable process that can provide the raw material synthesis gas with appropriate H 2 / CO ratio in synthesis process and GTL (Gas to liquid) technology.

천연가스를 이용하여 합성가스를 제조하기 위한 방법에는 산소를 이용하는 메탄의 부분산화 반응(partial oxidation of methane; POM), 메탄의 수증기 개질 반응(steam reforming of methane; SRM), 메탄의 이산화탄소 개질 반응(carbon dioxide reforming of methane; CDR) 등이 일반적인 공정으로 알려져 있다.Methods for producing syngas using natural gas include partial oxidation of methane (POM) using oxygen, steam reforming of methane (SRM), methane carbon dioxide reforming carbon dioxide reforming of methane (CDR).

상기의 개질 반응의 반응식 및 발열량을 비교하면 다음과 같이 정리할 수 있다.The reaction formula of the reforming reaction and the calorific value of the reforming reaction can be summarized as follows.

(1) 메탄의 부분 산화 반응(POM): CH4+0.5O2 = 2H2+CO, ΔH = - 44 kJ/mol (1) Partial Oxidation of Methane (POM): CH 4 + 0.5O 2 = 2H 2 + CO, ΔH = - 44 kJ / mol

(2) 메탄의 수증기 개질 반응(SRM): CH4+H2O = 3H2+CO, ΔH = 226 kJ/mol (2) Steam reforming reaction of methane (SRM): CH 4 + H 2 O = 3H 2 + CO, ΔH = 226 kJ / mol

(3) 메탄의 이산화탄소 개질반응(CDR): CH4+CO2 = 2H2+2CO, ΔH = 261 kJ/mol
(3) Carbon Dioxide Reforming Reaction of Methane (CDR): CH 4 + CO 2 = 2H 2 + 2CO, ΔH = 261 kJ / mol

각 개질 반응에서 생성되는 합성가스는 H2/CO 비가 각기 다르기 때문에 제조된 합성가스가 적용되는 분야도 다양하다. 메탄의 부분 산화 반응(POM)은 발열 반응으로서 메탄올 합성 반응 및 피셔-트롭쉬 반응 조건에 적합한 H2/CO 비가 2 정도로 얻어져서 메탄올/탄화수소 합성반응에 유용한 개질 반응으로 사용될 수 있다. 메탄의 수증기 개질 반응(SRM)의 경우에는 강한 흡열 반응으로 높은 온도(700℃~1,200℃)의 반응 조건이 필요하며 수소 생산 공정 및 암모니아 합성반응에 적합한 H2/CO 비인 3 이상으로 얻어지게 된다.
The syngas produced in each reforming reaction has different H 2 / CO ratios. The partial oxidation reaction (POM) of methane is an exothermic reaction and can be used as a reforming reaction useful for methanol / hydrocarbon synthesis reaction by obtaining a H 2 / CO ratio of about 2 suitable for methanol synthesis reaction and Fischer-Tropsch reaction conditions. In the case of the steam reforming reaction (SRM) of methane, the reaction conditions of high temperature (700 ° C ~ 1,200 ° C) are required due to strong endothermic reaction, and H 3 / CO 2 ratio suitable for the hydrogen production process and ammonia synthesis reaction is obtained .

메탄과 이산화탄소 개질반응(CDR)은 이산화탄소를 원료로 사용하는 개질반응으로서 열역학적으로 코크 형성이 쉬워 촉매의 비활성화가 잘 일어나므로 메탄의 수증기 개질 반응과 혼합한 혼합 개질 반응(combined steam and CO2 reforming with methane; CSCR)으로 주로 사용된다. CSCR 개질 반응의 경우에는 이산화탄소의 효율적인 활용과 카본 침적에 의한 촉매의 비활성화를 억제하기 위한 최적의 방법으로 반응물인 CH4/CO2/H2O의 몰 비 및 미반응물의 재순환 비를 조절하여 메탄올 합성 반응 및 피셔-트롭쉬 반응 등의 후속 단위공정에서 최적으로 요구되는 H2/CO 몰비를 2로 용이하게 조절할 수 있어서 이를 위한 촉매계가 광범위하게 연구되고 있다(대한민국 등록특허 제10-1068995호).
Methane and carbon dioxide reforming (CDR) is a reforming reaction using carbon dioxide as a raw material. Because it is easy to thermo-dynamically form coke, deactivation of the catalyst occurs well. Therefore, combined steam and CO 2 reforming with methane steam reforming methane (CSCR). In the case of the CSCR reforming reaction, the molar ratio of the reactant CH 4 / CO 2 / H 2 O and the recycle ratio of the unreacted material are controlled by controlling the effective utilization of the carbon dioxide and the inactivation of the catalyst by the carbon deposition, The H 2 / CO molar ratio optimally required in subsequent unit processes such as the synthesis reaction and the Fischer-Tropsch reaction can be easily controlled to 2, and thus a catalyst system for this purpose has been extensively studied (Korean Patent No. 10-1068995) .

개질 반응에 사용되는 촉매계는 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, Pt, Rh, Ru 등의 귀금속이 소량으로 담지된 촉매를 사용하는 방법이 활용되고 있거나, 또는 일반적으로는 가격이 저렴한 니켈 담지 촉매가 주로 사용되고 있다. 귀금속 촉매는 촉매의 활성이 뛰어나고 비활성화 현상이 적은 것으로 알려져 있으나 가격 경쟁력이 떨어지므로 니켈계 촉매가 상용화 공정에 더욱 많이 활용되고 있는 실정이다. 그러나, 혼합 개질 반응은 일반적으로 고온의 반응 조건에서 수행되므로 니켈 촉매의 경우 코크의 생성과 소결 현상으로 인한 촉매의 안정성이 감소하는 문제를 가지고 있다.
The catalyst system used in the reforming reaction can be divided into two types. One is a method using a catalyst in which a small amount of noble metal such as Pt, Rh, Ru, etc. is supported, or a nickel- . The noble metal catalysts are known to exhibit excellent catalytic activity and low deactivation phenomenon, but their price competitiveness is poor, so that nickel catalysts are being used more frequently in the commercialization process. However, since the mixed reforming reaction is generally carried out at a high temperature reaction condition, there is a problem that the stability of the catalyst due to the formation of the coke and sintering is reduced in the case of the nickel catalyst.

본 발명에서는 촉매의 안정성을 확보할 수 있도록 활성 성분인 니켈 등의 금속이 포함된 페롭스카이트 구조의 촉매를 사용하여 금속 촉매의 소결 현상에 의한 촉매의 비활성화 현상을 억제하고자 하였으며, 특히 페롭스카이트 구조 촉매성분의 분산성 향상을 위하여 카본블랙을 주형으로 사용하여 제조된 이중 세공구조의 알루미나를 지지체로 사용하여 활성이 우수한 혼합개질 반응용 촉매를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
In the present invention, in order to ensure the stability of the catalyst, the deactivation of the catalyst by the sintering phenomenon of the metal catalyst is suppressed by using a perovskite-structured catalyst containing a metal such as nickel as an active ingredient. In particular, It is possible to provide a catalyst for mixed reforming which is excellent in activity by using alumina having a double pore structure prepared by using carbon black as a template in order to improve the dispersibility of the structural catalyst component.

본 발명의 제1양태는 천연가스를 수증기와 이산화탄소로 동시에 개질시키는 혼합 개질반응용 촉매에 있어서, 카본 블랙을 주형(template)으로 사용하여 제조되어, 카본 블랙이 형성시킨 메조세공과 알루미나가 갖고 있는 메조세공이 동시에 형성되어 있는 이중 세공구조를 갖는 알루미나 지지체; 및 상기 지지체에 담지된 페롭스카이트 구조의 금속 산화물을 함유하는 혼합 개질반응용 촉매를 제공한다.The first aspect of the present invention is a catalyst for mixed reforming reaction in which natural gas is reformed simultaneously with water vapor and carbon dioxide, which is produced by using carbon black as a template, An alumina support having a double pore structure in which mesopores are simultaneously formed; And a metal oxide having a perovskite structure supported on the support.

본 발명의 제2양태는 카본 블랙과 알루미나 전구체를 공침시켜 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 제조하는 단계(단계 1); 상기 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 금속 산화물 전구체와 공침시키는 단계(단계 2); 및 상기 공침된 생성물을 소성하여 카본 블랙을 제거하는 단계(단계 3)를 포함하는 본 발명의 제1양태에 따른 혼합 개질반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention is a method for producing a carbon black composite material, comprising the steps of: (1) preparing a mixture support of carbon black and alumina by coprecipitating carbon black and an alumina precursor; Co-depositing the mixture support of carbon black and alumina with a metal oxide precursor (step 2); And removing the carbon black by firing the coprecipitated product (step 3). The present invention also provides a method for producing a catalyst for mixed reforming according to the first aspect of the present invention.

본 발명의 제3양태는 본 발명의 제1양태에 따른 혼합 개질반응용 촉매의 존재 하에 천연가스를 수증기와 이산화탄소로 동시에 개질시키는 혼합 개질반응을 수행하는 방법을 제공한다.
A third aspect of the present invention provides a method for performing a mixed reforming reaction for simultaneously reforming a natural gas with steam and carbon dioxide in the presence of a catalyst for mixed reforming reaction according to the first aspect of the present invention.

이하 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail.

일반적으로 페롭스카이트 구조의 메탈옥사이드 촉매는 ABO3의 화학식을 가지며 A site에는 란탄(La), 바륨(Ba), 세륨(Ce) 등과 같은 희토류 금속이 사용되고, B site에는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등과 같은 전이 금속이 사용되는 경우가 일반적이다. 페롭스카이트 구조의 촉매는 화학적인 안정성을 지니고 있어 다양한 화학반응 환경에서도 안정하게 사용될 수 있으며, 고온에서도 매우 안정적인 구조를 유지할 수 있다. 반면에, 다공성 물질이 아니어서 낮은 비표면적을 지니는 단점으로 인하여 촉매 지지체로는 폭 넓은 적용 범위를 갖지 못하고 있다.
In general, the metal oxide catalyst of the perovskite structure has a formula of ABO 3 , and rare earth metals such as lanthanum (La), barium (Ba) and cerium (Ce) are used for the A site, and cobalt (Fe), nickel (Ni), or the like is generally used. Perovskite catalysts have chemical stability and can be used stably in various chemical reaction environments and can maintain a very stable structure even at high temperatures. On the other hand, due to the disadvantage of not having a porous material and having a low specific surface area, the catalyst support does not have a wide application range.

천연가스를 수증기와 이산화탄소로 동시에 개질시키는 혼합 개질반응에 있어서, 페롭스카이트 구조의 촉매는 반응물인 메탄, 이산화탄소 및 물과의 기상에서의 접촉면적 증대를 통한 반응성 향상을 필요로 하였으며, 이를 위하여, 페롭스카이트 구조의 산화물이 미세 입자로 지지체에 고르게 분산되어 활성 성분과 기체 반응물이 충분히 반응할 수 있도록 접촉면적을 증대시키는 것이 중요하다.
In the mixed reforming reaction in which the natural gas is reformed simultaneously with steam and carbon dioxide, the perovskite-structured catalyst needs to improve the reactivity by increasing the contact area with methane, carbon dioxide, and water in the vapor phase. It is important to increase the contact area so that the oxide of the perovskite structure is uniformly dispersed on the support by the fine particles so that the active ingredient and the gaseous reactant can sufficiently react.

본 발명에서는 카본 블랙을 주형(template)으로 사용하여 제조되어, 카본 블랙이 형성시킨 메조세공과 알루미나가 갖고 있는 메조세공이 동시에 형성되어 있는 이중 세공구조를 갖는 알루미나 지지체가 넓은 비표면적을 가져 활성성분인 페롭스카이트 구조의 금속 산화물의 분산성을 증가시킬 수 있고 상기 페롭스카이트 구조로 인해 고온에서도 니켈의 소결 현상이 감소되어 촉매 비활성화가 효율적으로 제어될 수 있어 혼합 개질반응에 효과적으로 사용될 수 있음을 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초한 것이다.
In the present invention, an alumina support having a double-pore structure in which carbon black is used as a template and mesopores formed by carbon black and mesopores possessed by alumina are simultaneously formed has a large specific surface area, The dispersibility of the metal oxide of the perovskite structure can be increased and the sintering phenomenon of nickel can be reduced even at a high temperature due to the perovskite structure, so that the catalyst deactivation can be efficiently controlled, And the present invention is based on this.

본 발명에서, 상기 이중 세공구조는 카본 블랙이 형성시킨 30 ㎚ 내지 60 ㎚의 메조세공과 알루미나가 갖고 있는 3 ㎚ 내지 10 ㎚의 메조세공으로 이루어진 것일 수 있다.
In the present invention, the double-pore structure may be composed of mesopores of 30 nm to 60 nm formed by carbon black and mesopores of 3 nm to 10 nm possessed by alumina.

본 발명에서 비표면적이 넓은 이중 세공구조의 알루미나 지지체를 제조하기 위하여, 상기 이중 세공구조는 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 제조한 후 카본 블랙을 제거할 수 있다. 바람직하기로, 상기 이중 세공구조는 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 금속 산화물 전구체와 공침시킨 후 소성하여 카본 블랙을 제거함으로써 얻어질 수 있다.
In the present invention, in order to produce an alumina support having a double pore structure having a large specific surface area, the double-pore structure can remove carbon black after preparing a mixture support of carbon black and alumina. Preferably, the double-pore structure can be obtained by coprecipitating a mixture support of carbon black and alumina with a metal oxide precursor, followed by firing to remove carbon black.

카본 블랙은 소성 온도 400 내지 900℃, 바람직하기로 800℃ 정도에서 대부분 제거될 수 있어 카본 블랙이 차지하고 있던 기공에 의하여 30 ㎚ 내지 60 ㎚, 바람직하기로 40 nm 정도의 큰 기공이 형성되고, 또한 알루미나 자체의 기공에서 기인하는 3 ㎚ 내지 10 ㎚, 바람직하기로 6 ㎚ 내지 8 ㎚의 기공이 동시에 존재하는 이중 세공 구조의 지지체를 제조할 수 있다.
Carbon black can be largely removed at a calcination temperature of 400 to 900 DEG C, preferably about 800 DEG C, so that pores occupied by carbon black form large pores of 30 nm to 60 nm, preferably about 40 nm, It is possible to produce a support having a double-pore structure in which pores of 3 nm to 10 nm, preferably 6 nm to 8 nm, due to pores of alumina itself are present at the same time.

바람직하기로, 상기 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체에서 알루미나의 함량은 2.5 내지 30 중량%일 수 있다. 만일 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체에서 알루미나의 함량이 2.5 중량% 미만이면 촉매의 비표면적이 감소하고 촉매의 활성 성분인 페롭스카이트의 분산성이 감소하는 문제가 있으며, 30 중량% 초과이면 비표면적의 급격한 감소 및 Al2O3 함유량 증가에 따라서 페롭스카이트 활성 성분의 분산성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
Preferably, the content of alumina in the mixture support of carbon black and alumina may be from 2.5 to 30% by weight. If the content of alumina in the mixture support of carbon black and alumina is less than 2.5% by weight, the specific surface area of the catalyst decreases and the dispersibility of perovskite, which is an active component of the catalyst, decreases. And the dispersibility of the perovskite active ingredient may decrease due to an increase in the content of Al 2 O 3 .

본 발명에서, 상기 이중 세공 구조의 알루미나 지지체는 100 ㎡/g 이상의 비표면적을 가질 수 있다. 이러한 넓은 비표면적은 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체에서 알루미나의 함량을 상기한 바와 같이 2.5 내지 30 중량%로 조절함으로써 생성시킬 수 있다.
In the present invention, the alumina support of the double-pore structure may have a specific surface area of 100 m < 2 > / g or more. Such a large specific surface area can be produced by adjusting the content of alumina in the mixture support of carbon black and alumina to 2.5 to 30% by weight as described above.

상기의 방법으로 제조된 이중세공구조의 알루미나 지지체는 넓은 비표면적을 지니고 있어서 활성성분인 페롭스카이트 구조의 산화물의 분산성이 증가하는 효과를 가질 수 있다. 또한 상기의 방법으로 제조된 지지체인 알루미나는 열적, 기계적인 특성이 우수하여 다양한 촉매 반응을 위한 지지체로 사용할 수 있으며, 소성 온도에 따라서 다양한 구조의 알루미나 제조도 가능하다. 일반적으로 온도의 증가에 따라서 감마-알루미나로부터 알파-알루미나로 상전이가 발생하여 비표면적이 크게 감소할 수 있다. 본 발명에서는 상기한 바와 같이 카본 블랙의 제거 과정에서 소성 온도를 400 내지 900℃, 바람직하기로 800℃ 정도로 유지하여 감마-알루미나 상으로 알루미나 지지체를 제조할 수 있다. 알루미나는 일반적으로 넓은 비표면적과 우수한 기계적 강도와 스피넬형 결정 격자를 가지고 있는데 스피넬 형 구조는 감마-알루미나에 독특한 성질을 부여하는 빈 양이온 구조를 포함하고 있어서 촉매 분야에서 다양하게 응용될 수 있다.
The alumina support having a double pore structure produced by the above method has a wide specific surface area and thus can have an effect of increasing the dispersibility of the perovskite structure oxide as an active ingredient. Also, alumina, which is a support produced by the above method, has excellent thermal and mechanical properties and can be used as a support for various catalytic reactions and alumina having various structures can be manufactured according to the calcination temperature. Generally, as the temperature increases, the phase transition from gamma-alumina to alpha-alumina occurs and the specific surface area may be greatly reduced. In the present invention, as described above, the alumina support may be prepared on the gamma-alumina phase by maintaining the firing temperature at 400 to 900 ° C., preferably about 800 ° C., in the process of removing the carbon black. Alumina generally has a wide specific surface area, excellent mechanical strength, and a spinel type crystal lattice. The spinel type structure includes a vacant cation structure that imparts properties unique to gamma-alumina, and thus can be applied in various fields in the catalyst field.

본 발명에서는 이러한 열적 안정성 및 우수한 특성을 지니는 이중 세공구조의 알루미나 지지체를 사용하고, 여기에 페롭스카이트 구조의 금속 산화물을 담지함으로써, 페롭스카이트 구조의 장점을 활용하여 넓은 비표면적을 지니며 반응 초기에 급격한 촉매의 비활성화가 억제되어 메탄 및 이산화탄소의 전환율이 높게 유지될 수 있는 혼합 개질 반응에 우수한 활성을 나타내는 촉매를 제공할 수 있다.
In the present invention, by using an alumina support having a double-pore structure having thermal stability and excellent properties and supporting a metal oxide having a perovskite structure thereon, it has a wide specific surface area by taking advantage of the perovskite structure, It is possible to provide a catalyst exhibiting excellent activity in the mixed reforming reaction in which the inactivation of the catalyst is suppressed at an early stage and the conversion of methane and carbon dioxide can be maintained at a high level.

본 발명에서, 상기 페롭스카이트 구조의 금속 산화물은 니켈(Ni), 란탄(La) 및 스트론튬(Sr)이 함유된 LaSrNiO3계 촉매로서, 화학식 LaxSr1 - xNiO3(x는 0.5 내지 0.95)의 페롭스카이트 산화물일 수 있다.
In the present invention, the perovskite-structured metal oxide is a LaSrNiO 3 -based catalyst containing nickel (Ni), lanthanum (La) and strontium (Sr), and has the formula La x Sr 1 - x NiO 3 0.95) perovskite oxide.

바람직하기로, 상기 페롭스카이트 구조의 금속 산화물에는 니켈(Ni)이 알루미나 지지체 중량 대비 5 내지 15 중량%로 포함되어 있는 것일 수 있다. 만일 상기 페롭스카이트 구조의 금속 산화물에 포함되어 있는 니켈의 함량이 알루미나 지지체 중량 대비 5 중량% 미만이면 촉매의 활성 성분이 부족하여 혼합 개질 반응성이 떨어질 가능성이 있으며, 15 중량% 초과이면 페롭스카이트 활성 성분이 증가하여 촉매의 비표면적이 감소하는 단점과 함께, 니켈 사용량 증대에 따른 촉매 제조 비용이 증가하여 경제적이지 않으므로 적절하지 못하다.
Preferably, the metal oxide of the perovskite structure may contain nickel (Ni) in an amount of 5 to 15% by weight based on the weight of the alumina support. If the amount of nickel contained in the perovskite structure metal oxide is less than 5 wt% based on the weight of the alumina support, there is a possibility that the active ingredient of the catalyst is insufficient and the reactivity of the mixed reforming is lowered. If the amount of nickel exceeds 15 wt% There is a disadvantage in that the specific surface area of the catalyst is decreased due to an increase in the amount of the active ingredient, and the catalyst production cost is increased due to an increase in the amount of nickel used, which is not economical.

본 발명에서는 주촉매 성분인 니켈에 란탄 및 스트론튬을 첨가하여 제조된 LaSrNiO3계 촉매로서, 화학식 LaxSr1 - xNiO3(x는 0.5 내지 0.95) 형태의 페롭스카이트 구조의 촉매를 제조하여 반응에 사용하였다. 상기의 촉매는 페롭스카이트 구조의 특성에 의하여 850℃ 고온에서도 니켈의 소결 현상이 감소되어 촉매 비활성화를 효율적으로 제어할 수 있다.
In the present invention, a LaSrNiO 3 -based catalyst prepared by adding lanthanum and strontium to nickel, which is a main catalyst component, has a perovskite structure in the form of La x Sr 1 - x NiO 3 (x is 0.5 to 0.95) Was used for the reaction. Due to the characteristics of the perovskite structure, the sintering of nickel is reduced even at a high temperature of 850 캜, and the catalyst deactivation can be efficiently controlled.

바람직하기로, 본 발명에 따른 혼합 개질반응용 촉매는 카본 블랙과 알루미나 전구체를 공침시켜 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 제조하는 단계(단계 1); 상기 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 금속 산화물 전구체와 공침시키는 단계(단계 2); 및 상기 공침된 생성물을 소성하여 카본 블랙을 제거하는 단계(단계 3)를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다.
Preferably, the catalyst for the mixed reforming reaction according to the present invention comprises a step (step 1) of preparing a mixture support of carbon black and alumina by coprecipitating carbon black and an alumina precursor; Co-depositing the mixture support of carbon black and alumina with a metal oxide precursor (step 2); And a step of calcining the coprecipitated product to remove carbon black (step 3).

상기 단계 1은 카본 블랙과 알루미나 전구체를 공침시켜 카본 블랙과 알루미나가 혼합되어 있는 혼합물 지지체를 제조하는 단계이다.
The step 1 is a step of coprecipitating carbon black and an alumina precursor to prepare a mixture support in which carbon black and alumina are mixed.

상기 단계 1에서, 상기 알루미나 전구체로는 알루미늄 나이트레이드(aluminum nitrate; Al(NO3)2·6H2O), 알루미늄이소프로폭사이드(aluminum isopropoxide; Al[OCH(CH3)2]3) 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있고, 침전제로는 탄산나트륨 (Na2CO3), 탄산칼륨 (K2CO3), 탄산암모니움 ((NH4)2CO3), 암모니아수(NH3OH) 또는 이의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이외에도 당 분야에서 일반적으로 알루미나 전구체 및 침전제로 사용할 수 있는 것으로 알려져 있는 것이면 제한없이 사용 가능하다.
In the first step, the alumina precursor is an aluminum age trade (aluminum nitrate; Al (NO 3 ) 2 · 6H 2 O), aluminum isopropoxide (aluminum isopropoxide; Al [OCH ( CH 3) 2] 3) , or (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), ammonium carbonate ((NH 4 ) 2 CO 3 ), ammonia water (NH 3 OH) or a mixture thereof may be used as the precipitating agent. And can be used without limitation as long as it is known in the art to be generally usable as an alumina precursor and precipitant.

상기의 공침 과정에서 용매의 pH는 7 ~ 8로 조절하여 수행할 수 있으며, 바람직하기로 수용액 하에서 수행할 수 있고, 공침 반응은 40 내지 90℃의 범위에서 숙성하여 침전물을 여과 및 세척하여 공침된 침전물을 얻을 수 있다. 이때 숙성시간은 1 ~ 10시간 미만, 바람직하게는 2 ~ 8시간으로 유지하는 것이 적절한데, 이는 제시된 숙성시간 범위에서 활성이 우수한 알루미나 지지체의 구조 형성이 유리하기 때문이며, 상기 숙성 시간이 1시간 미만으로 짧으면 알루미나 성분의 구조가 잘 발달되지 않아서 6~8 nm 크기의 기공 형성이 어려워서 알루미나 지지체의 비표면적이 넓게 발달하지 않으며, 10 시간을 초과하는 경우에는 알루미나 입자 사이즈가 증가하여 비표적이 감소하는 문제점과 함께 합성 시간이 증가하여 경제적이지 않으므로 적절하지 못하다.
In the coprecipitation step, the pH of the solvent may be adjusted to 7 to 8, preferably in an aqueous solution, and the coprecipitation reaction may be aged at a temperature in the range of 40 to 90 ° C to precipitate the precipitate, A precipitate can be obtained. In this case, it is appropriate to maintain the aging time at less than 1 to 10 hours, preferably at 2 to 8 hours because the structure of the alumina support excellent in activity is advantageous over the range of the aging time shown, and the aging time is less than 1 hour The structure of the alumina component is not well developed and the formation of pores having a size of 6 to 8 nm is difficult to form, so that the specific surface area of the alumina support is not widely developed, and when the time exceeds 10 hours, the alumina particle size increases, And the synthesis time increases, which is not economical.

상기 단계 2는 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 금속 산화물 전구체와 공침시켜 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체에 페롭스카이트 구조의 금속 산화물을 담지시키는 단계이다.
Step 2 is a step of co-depositing a mixture support of carbon black and alumina with a metal oxide precursor to support a metal oxide of perovskite structure on a mixture support of carbon black and alumina.

본 발명에서는 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체를 금속 산화물 전구체와 공침시켜 카본 블랙과 알루미나의 혼합물 지지체 내에 LaxSr1 - xNiO3(x는 0.5 내지 0.95) 구조의 페롭스카이트 금속 산화물이 형성되도록 유도할 수 있다.
In the present invention, a mixture support of carbon black and alumina is co-treated with a metal oxide precursor to produce La x Sr 1 - x NiO 3 (x is in the range of 0.5 to 0.95) in a mixture support of carbon black and alumina, Lt; RTI ID = 0.0 > perovskite < / RTI > metal oxide.

바람직하기로, La/Sr/Ni의 몰 비는 0.09/0.01/0.1로 조절할 수 있다. 그러나, 페롭스카이트의 구성 성분 및 조성은 일반적인 페롭스카이트 구조가 형성되는 다양한 조성비와 구성 성분으로 제조가 가능하므로, 상기 몰 비로 제한되지 않는다.
Preferably, the molar ratio of La / Sr / Ni can be adjusted to 0.09 / 0.01 / 0.1. However, the composition and composition of the perovskite are not limited to the above-mentioned molar ratios because they can be manufactured with various composition ratios and constituent components to form a general perovskite structure.

상기 단계 2에서 수행되는 공침은 상기 단계 1과 동일한 조건 하에서 수행될 수 있다.
The coprecipitation performed in step 2 may be performed under the same conditions as in step 1 above.

상기 La, Sr 및 Ni 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 제한되지는 않으나, 나이트레이트(nitrate)염, 클로라이드(chloride)염, 브로마이드(bromide)염, 아세테이트(acetate)염 및/또는 아세틸아세토네이트(acetylacetonate)염 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 나이트레이트염을 사용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 La 전구체로서 La(NO3)3·6H2O을 사용하였으며, Sr 전구체로서 Sr(NO3)2·6H2O을 사용하였고, Ni 전구체로서 Ni(NO3)2·6H2O을 사용하였다.
The La, Sr, and Ni precursors are generally used in the art and include, but are not limited to, nitrate salts, chloride salts, bromide salts, acetate salts, and / Acetylacetonate salt and the like can be used, and a nitrate salt can be preferably used. Specifically, in one embodiment of the present invention, La (NO 3 ) 3 .6H 2 O was used as La precursor, Sr (NO 3 ) 2 .6H 2 O was used as Sr precursor, Ni 3 ) 2 · 6H 2 O was used.

상기 단계 3은 공침된 생성물을 소성하여 카본 블랙을 제거함으로써 이중 세공구조를 형성시키는 단계이다.
Step 3 is a step of forming a double pore structure by firing the co-precipitated product to remove carbon black.

상기 단계 2에서 제조된 페롭스카이트 구조의 금속 산화물이 담지된 Al2O3-CB 혼합물 지지체는 상기 단계 3에서 카본 블랙을 연소시키는 온도인 400~900℃의 범위에서 소성하여 혼합 개질 반응용 촉매로서 페롭스카이트 구조의 금속 산화물이 담지된 이중세공구조의 알루미나 지지체로 제조할 수 있다. 상기 소성온도가 400℃ 미만이면 카본블랙의 불완전 연소에 의한 감마-알루미나 상의 형성에 적절하지 못하여 페롭스카이트 촉매 성분의 분산성 및 환원성이 좋지 않으며, 900℃를 초과하는 경우에는 비표면적이 감소하여 혼합 개질 반응용 촉매의 활성 성분인 페롭스카이트의 분산성이 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기의 소성 온도범위를 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
The metal oxide-supported Al 2 O 3 -CB mixture support of the perovskite structure prepared in the step 2 is calcined in the range of 400 to 900 ° C. which is a temperature for burning the carbon black in the step 3, The alumina support having a double-pore structure in which a metal oxide of a perovskite structure is supported. When the calcination temperature is less than 400 ° C, the perovskite catalyst component is not suitable for the formation of the gamma-alumina phase due to the incomplete combustion of carbon black, and the dispersibility and reducibility of the perovskite catalyst component are poor. The dispersibility of perovskite, which is an active component of the catalyst for mixed reforming reaction, may decrease. Therefore, it may be desirable to maintain the calcination temperature range.

본 발명에서는 상기 본 발명에 따른 혼합 개질반응용 촉매의 존재 하에 천연가스를 수증기와 이산화탄소로 동시에 개질시킴으로써 혼합 개질반응을 수행하는 방법을 제공할 수 있다.
The present invention can provide a method for performing a mixed reforming reaction by simultaneously modifying natural gas with steam and carbon dioxide in the presence of the catalyst for mixed reforming according to the present invention.

바람직하기로, 본 발명에 따른 혼합 개질반응용 촉매를 이용하여 혼합 개질반응을 수행하는 방법은 i) 본 발명에 따른 혼합 개질반응용 촉매를 혼합 개질반응기에 적용하는 단계; ii) 상기 촉매를 환원시켜 활성화시키는 단계; 및 iii) 상기 활성화된 혼합 개질반응용 촉매에 의해 혼합 개질반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
Preferably, the method for performing the mixed reforming reaction using the catalyst for mixed reforming according to the present invention comprises the steps of: i) applying the mixed reforming catalyst according to the present invention to a mixed reforming reactor; ii) reducing and activating the catalyst; And iii) performing the mixed reforming reaction by the activated mixed reforming catalyst.

상기 혼합 개질반응을 수행하기 전에, 본 발명에 따른 혼합 개질반응용 촉매는 600℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 수소 분위기 하에 환원시켜 활성화시킬 수 있다. 바람직하기로, 상기 환원 과정은 H2(5%)/N2 환원 가스 하에서 6 내지 24시간, 바람직하기로 약 12시간 동안 수행될 수 있다.
Before performing the mixed reforming reaction, the catalyst for mixed reforming according to the present invention may be activated by reduction under a hydrogen atmosphere at a temperature of 600 to 900 ° C. Preferably, the reduction process can be performed under H 2 (5%) / N 2 reducing gas for 6 to 24 hours, preferably about 12 hours.

상기 반응들은 합성반응기로서 고정층 또는 유동층 반응기에서 수행될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
The reactions can be performed in a fixed bed or fluid bed reactor as a synthesis reactor, but are not limited thereto.

상기 단계 iii)의 혼합 개질반응을 수행하는 단계는 일반적인 혼합 개질 반응 조건에서 수행될 수 있다. 바람직하기로, 상기 혼합 개질 반응에서 반응 온도는 600℃ 내지 1000℃, 반응 압력은 1 ~ 25 kg/㎠일 수 있으며, 공간속도는 1,000 내지 50,000 h-1에서 수행할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The step of performing the mixed reforming reaction of the step iii) may be carried out under the general mixed reforming reaction conditions. Preferably, the reaction temperature in the mixed reforming reaction may be 600 ° C. to 1000 ° C., the reaction pressure may be 1 to 25 kg / cm 2, and the space velocity may be 1,000 to 50,000 h -1 , no.

본 발명에 따른 혼합 개질반응용 촉매는 이중 세공구조의 Al2O3 지지체 상에 활성성분인 LaSrNiO3의 페롭스카이트 구조의 금속 촉매를 담지시켜 제조되어 고온에서 반응시키는 경우에도 활성성분인 니켈의 소결(sintering)에 의한 촉매의 비활성화가 억제되어 높은 메탄 및 이산화탄소의 전환율을 얻을 수 있다.
The catalyst for mixed reforming reaction according to the present invention is prepared by supporting a perovskite structure metal catalyst of LaSrNiO 3 , which is an active ingredient, on an Al 2 O 3 support having a double pore structure, and even when reacting at a high temperature, Deactivation of the catalyst by sintering is suppressed, and high conversion of methane and carbon dioxide can be obtained.

도 1은 BET 분석 결과에 따른 반응 전 LaSrNiO3/Al2O3(10) 촉매의 세공구조 분포도이다.1 is a pore structure diagram of a LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 (10) catalyst according to the BET analysis result.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1:  One: LaSrNiOLaSrNiO 33 // AlAl 22 OO 33 (2.5) 촉매 제조 및 (2.5) catalyst preparation and 혼합개질Mixed reforming 반응 reaction

본 발명에서 사용된 혼합 개질 반응용 촉매의 지지체로 알루미나를 공침법에 의하여 제조하였으며, 이중 세공구조의 형성을 위하여 Al2O3-CB (카본 블랙) 혼합물을 제조하여 하였으며, 이 때 Al2O3/CB 중량비가 2.5/97.5인 혼합물을 공침법으로 제조하였다. 이를 위하여 Na2CO3 침전제(0.61g)를 3차 증류수 200g에 녹여서 이용하였으며,알루미나 전구체는 알루미늄 나이트레이트(Al(NO3)2·9H2O)(1.92g)를 200g의 3차 증류수에 녹인 후에 사용하였다. 구체적으로, 하기와 같이 수행하였다.Alumina was prepared by coprecipitation as a support for the catalyst for mixed reforming reaction used in the present invention, and an Al 2 O 3 -CB (carbon black) mixture was prepared for the formation of the double pore structure. A mixture with an Al 2 O 3 / CB weight ratio of 2.5 / 97.5 was prepared by coprecipitation. To this end, the Na 2 CO 3 precipitant (0.61 g) was dissolved in 200 g of distilled water, and the alumina precursor was dissolved in 200 g of tertiary distilled water containing aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 2 .9H 2 O) After dissolving, it was used. Specifically, it was carried out as follows.

먼저, 삼구플라스크에 카본 블랙 10g과 3차 증류수 100g을 함께 넣고 교반시켜 주었다. 그리고 준비한 각각의 용액을 80℃에서 1 시간 동안 일정한 속도로삼구플라스크로 투입하여 pH = 7에서 2 시간 동안 교반 후에 용매인 물을 제거하고 110℃의 오븐에서 12시간 이상 건조하여 Al2O3(2.5)-CB 혼합물을 제조하였다.First, 10 g of carbon black and 100 g of tertiary distilled water were put in a three-necked flask and stirred. Each of the prepared solutions was poured into a three-necked flask at a constant rate of 80 ° C. for 1 hour, stirred at pH = 7 for 2 hours, and then dried in an oven at 110 ° C. for 12 hours to remove Al 2 O 3 2.5) -CB mixture.

다음으로 상기 제조된 Al2O3(2.5)-CB 지지체를 이용하여 니켈을 포함한 페롭스카이트 구조의 촉매를 제조하기 위하여 공침법을 사용하였으며, 이때 Na2CO3 침전제(0.5g)를 3차 증류수 200g에 녹인 용액과, 활성성분인 페롭스카이드 구조의 LaSrNiO3 구조를 형성하기 위하여 니켈 전구체인 니켈나이트레이트 (Ni(NO3)2·6H2O)(0.037g)와 란타니움 전구체인 La(NO3)3·6H2O(0.048g)과 스트론튬 전구체인 Sr(NO3)2·6H2O(0.0013g)을 200g의 3차 증류수에 용해된 용액을 준비하였다. 이때 페롭스카이트 구조의 La/Sr/Ni의 몰비는 0.09/0.01/0.1로 고정하여 제조하였으며, 니켈의 함량은 Al2O3(2.5) 지지체의 중량 대비 12 중량%가 되도록 제조하였다. 각각의 침전제와 금속 전구체 용액은 200g 3차 증류수에 슬러리 상태로 Al2O3(2.5)-CB 지지체가 분산된 용액에 pH =7의 조건과 80℃에서 1 시간 동안 혼합한 후에 2 시간 동안 동일 온도에서 교반 후에 세척 및 여과를 한 후에 110℃의 오븐에서 12시간 이상 건조하여 800℃에서 3시간 동안 소성하여, 혼합 개질 반응용 최종 반응용 촉매를 제조하였으며, 상기의 방법으로 제조된 촉매는 LaSrNiO3/Al2O3(2.5)로 표기하였으며, BET 분석 결과에 의한 반응 전의 촉매의 표면적은 170 m2/g이었다.Next, a coprecipitation method was used to prepare a perovskite catalyst including nickel by using the Al 2 O 3 (2.5) -CB support prepared above. In this case, Na 2 CO 3 precipitant (0.5 g) (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) (0.037 g) as a nickel precursor to form a LaSrNiO 3 structure having a perovskite structure as an active ingredient and a solution of lanthanum precursor La (NO 3 ) 3 .6H 2 O (0.048 g) and strontium precursor Sr (NO 3 ) 2 .6H 2 O (0.0013 g) were dissolved in 200 g of tertiary distilled water. At this time, the molar ratio of La / Sr / Ni in the perovskite structure was fixed to 0.09 / 0.01 / 0.1, and the content of nickel was 12 wt% based on the weight of the Al 2 O 3 (2.5) support. Each of the precipitant and metal precursor solution was mixed with a solution of Al 2 O 3 (2.5) -CB dispersed in 200 g of tertiary distilled water in a slurry state at pH = 7 and at 80 ° C. for 1 hour, After the catalyst was washed with stirring at a temperature and filtered, it was dried in an oven at 110 ° C. for 12 hours or more and calcined at 800 ° C. for 3 hours to prepare a final reaction catalyst for mixed reforming reaction. The catalyst prepared by the above method was LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 (2.5). The surface area of the catalyst before the reaction according to the BET analysis was 170 m 2 / g.

혼합 개질 반응을 수행하기 전에 촉매 0.1g을 반응기에 장입하고 800℃의 수소(5 부피% H2/N2) 분위기 하에서 3시간 동안 환원 처리한 후에 반응을 수행하였다. 반응온도 850℃에서 반응을 수행하였으며, 반응압력 0.1 MPa, 공간속도는 메탄기준으로 18,000 L(CH4)/kgcat/hr의 조건에서 반응물로는 CH4 : CO2 : H2O : N2의 몰 비를 1 : 0.34 : 1.2 : 0.2의 비율로 고정하여 반응 40시간 이상을 수행하였으며, 활성이 안정화된 5시간 동안의 평균값을 이용하여 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 H2/CO 몰 비를 이용하여 촉매의 활성을 분석하였으며, 반응 결과는 표 1에 나타내었다.
Before carrying out the mixed reforming reaction, 0.1 g of the catalyst was charged into the reactor, and the reaction was carried out after reduction treatment for 3 hours under hydrogen (5 vol% H 2 / N 2 ) atmosphere at 800 ° C. The reaction was carried out at a reaction temperature of 850 ° C. and a reaction pressure of 0.1 MPa and a space velocity of 18,000 L (CH 4 ) / kgcat / hr based on methane was used as a reactant. The reactants were CH 4 : CO 2 : H 2 O: N 2 The molar ratio was fixed at a ratio of 1: 0.34: 1.2: 0.2, and the reaction was carried out for 40 hours or more. The conversion of methane to carbon dioxide and the molar ratio of H 2 / CO were used The activity of the catalyst was analyzed. The results of the reaction are shown in Table 1.

실시예Example 2:  2: LaSrNiOLaSrNiO 33 // AlAl 22 OO 33 (5) 촉매 제조 및 (5) catalyst preparation and 혼합개질Mixed reforming 반응 reaction

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, Al2O3-CB 중량비가 5/95인 LaSrNiO3/Al2O3(5) 촉매를 제조하였으며, BET 분석 결과에 의한 반응 전의 촉매의 표면적은 106 m2/g이었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that a LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 (5) catalyst having a weight ratio of Al 2 O 3 -CB of 5/95 was prepared. The surface area of the catalyst before the reaction Was 106 m 2 / g.

상기 촉매를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 혼합 개질 반응을 수행하였으며, 반응 40시간 이상을 수행하였으며, 활성이 안정화된 5시간 동안의 평균값을 이용하여 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 H2/CO 몰 비를 이용하여 촉매의 활성을 분석하였으며, 반응 결과는 표 1에 나타내었다.
The catalyst was used for the mixed reforming reaction in the same manner as in Example 1, and the reaction was carried out for at least 40 hours. The conversion of methane to carbon dioxide and the conversion of H 2 / CO mol The activity of the catalyst was analyzed using the ratio. The results of the reaction are shown in Table 1.

실시예Example 3:  3: LaSrNiOLaSrNiO 33 // AlAl 22 OO 33 (10) 촉매 제조 및 (10) catalyst preparation and 혼합개질Mixed reforming 반응 reaction

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, Al2O3-CB 중량비가 10/90인 LaSrNiO3/Al2O3(10) 촉매를 제조하였으며, BET 분석 결과에 의한 반응 전의 촉매의 표면적은 144 m2/g이었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that a LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 (10) catalyst having a weight ratio of Al 2 O 3 -CB of 10/90 was prepared. The surface area of the catalyst before the reaction Was 144 m 2 / g.

상기 촉매를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 혼합 개질 반응을 수행하였으며, 반응 40시간 이상을 수행하였으며, 활성이 안정화된 5시간 동안의 평균값을 이용하여 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 H2/CO 몰 비를 이용하여 촉매의 활성을 분석하였으며, 반응 결과는 표 1에 나타내었다.
The catalyst was used for the mixed reforming reaction in the same manner as in Example 1, and the reaction was carried out for at least 40 hours. The conversion of methane to carbon dioxide and the conversion of H 2 / CO mol The activity of the catalyst was analyzed using the ratio. The results of the reaction are shown in Table 1.

실시예Example 4:  4: LaSrNiOLaSrNiO 33 // AlAl 22 OO 33 (15) 촉매 제조 및 (15) catalyst preparation and 혼합개질Mixed reforming 반응 reaction

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, Al2O3-CB 중량비가 10/90인 LaSrNiO3/Al2O3(15) 촉매를 제조하였으며, BET 분석 결과에 의한 반응 전의 촉매의 표면적은 115 m2/g이었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that a LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 (15) catalyst having a weight ratio of Al 2 O 3 -CB of 10/90 was prepared. The surface area of the catalyst before the reaction Lt; 2 > / g.

상기 촉매를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 혼합 개질 반응을 수행하였으며, 반응 40시간 이상을 수행하였으며, 활성이 안정화된 5시간 동안의 평균값을 이용하여 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 H2/CO 몰 비를 이용하여 촉매의 활성을 분석하였으며, 반응 결과는 표 1에 나타내었다.
The catalyst was used for the mixed reforming reaction in the same manner as in Example 1, and the reaction was carried out for at least 40 hours. The conversion of methane to carbon dioxide and the conversion of H 2 / CO mol The activity of the catalyst was analyzed using the ratio. The results of the reaction are shown in Table 1.

비교예Comparative Example 1:  One: LaSrNiOLaSrNiO 33 // AlAl 22 OO 33 (20) 촉매 제조 및 (20) catalyst preparation and 혼합개질Mixed reforming 반응 reaction

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, Al2O3-CB 중량비가 20/80인 LaSrNiO3/Al2O3(20) 촉매를 제조하였으며, BET 분석 결과에 의한 반응 전의 촉매의 표면적은 96 m2/g이었다.The catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that a LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 (20) catalyst having a weight ratio of Al 2 O 3 -CB of 20/80 was prepared. The surface area of the catalyst before the reaction Was 96 m 2 / g.

상기 촉매를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 혼합 개질 반응을 수행하였으며, 반응 40시간 이상을 수행하였으며, 활성이 안정화된 5시간 동안의 평균값을 이용하여 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 H2/CO 몰 비를 이용하여 촉매의 활성을 분석하였으며, 반응 결과는 표 1에 나타내었다.
The catalyst was used for the mixed reforming reaction in the same manner as in Example 1, and the reaction was carried out for at least 40 hours. The conversion of methane to carbon dioxide and the conversion of H 2 / CO mol The activity of the catalyst was analyzed using the ratio. The results of the reaction are shown in Table 1.

비교예Comparative Example 2:  2: LaSrNiOLaSrNiO 33 /카본블랙 촉매 제조 및 / Carbon black catalyst preparation and 혼합개질Mixed reforming 반응 reaction

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하되, Al2O3-CB중량비가 0/100인 LaSrNiO3/CB 촉매를 800℃에서 3시간 동안하는 과정을 생략하여 제조하였으며, 니켈을 포함한 페롭스카이트 구조의 촉매는 공침법을 이용하여 페롭스카이트 구조의 La/Sr/Ni의 몰비는 0.09/0.01/0.1로 고정하여 니켈의 함량은 카본 블랙 지지체 중량 대비 12 중량%가 되도록 제조하였다. BET 분석 결과에 의한 반응 전의 촉매의 표면적은 19 m2/g이었다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the step of treating LaSrNiO 3 / CB catalyst having a weight ratio of Al 2 O 3 -CB of 0/100 at 800 ° C. for 3 hours was omitted. Catalyst was prepared such that the molar ratio of La / Sr / Ni in the perovskite structure was fixed at 0.09 / 0.01 / 0.1 using coprecipitation so that the content of nickel was 12% by weight based on the weight of the carbon black support. The surface area of the catalyst before the reaction by the BET analysis was 19 m 2 / g.

상기 촉매를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 혼합 개질 반응을 수행하였으며, 반응 40시간 이상을 수행하였으며, 활성이 안정화된 5시간 동안의 평균값을 이용하여 메탄과 이산화탄소의 전환율 및 H2/CO 몰 비를 이용하여 촉매의 활성을 분석하였으며, 반응 결과는 표 1에 나타내었다.The catalyst was used for the mixed reforming reaction in the same manner as in Example 1, and the reaction was carried out for at least 40 hours. The conversion of methane to carbon dioxide and the conversion of H 2 / CO mol The activity of the catalyst was analyzed using the ratio. The results of the reaction are shown in Table 1.

구 분division 촉매 및 조성*
(CB/ Al2O3(wt%))
Catalyst and composition *
(CB / Al 2 O 3 ( wt%))
CH4 전환율 / CO2 전환율 (카본몰%)CH 4 conversion / CO 2 Conversion ratio (carbon mole%) H2/CO 몰 비H 2 / CO molar ratio 비표면적
(㎡/g)
Specific surface area
(M < 2 > / g)
실시예 1Example 1 LaSrNiO3/Al2O3(2.5) LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 ( 2.5) 99.6 / 43.899.6 / 43.8 1.851.85 170170 실시예 2Example 2 LaSrNiO3/Al2O3(5) LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 ( 5) 98.9 / 43.598.9 / 43.5 1.851.85 106106 실시예 3Example 3 LaSrNiO3/Al2O3(10) LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 ( 10) 99.5 / 41.7 99.5 / 41.7 1.861.86 144144 실시예 4Example 4 LaSrNiO3/Al2O3(15) LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 ( 15) 98.9 / 44.198.9 / 44.1 1.871.87 115115 비교예 1Comparative Example 1 LaSrNiO3/Al2O3(20) LaSrNiO 3 / Al 2 O 3 ( 20) 98.9 / 36.598.9 / 36.5 1.911.91 9696 비교예 2Comparative Example 2 LaSrNiO3/카본블랙LaSrNiO 3 / carbon black 69.8 / 14.769.8 / 14.7 2.152.15 1919 * LaSrNiO3 페롭스카이트 구조 촉매는 La(0.9)/ Sr(0.01) / Ni(0.1)의 몰 비율로 공침법으로 제조한 촉매이며, Al2O3는 카본블랙(CB) 대비 wt% 기준으로 공침법으로 제조한 Al2O3-CB 지지체를 사용하여 촉매의 활성을 850℃에서 활성이 안정화된 이후의 5시간 동안의 평균값을 사용하였음* LaSrNiO 3 perovskite structure catalyst is a catalyst prepared by co-precipitation at a molar ratio of La (0.9) / Sr (0.01) / Ni (0.1), and Al 2 O 3 is based on wt% of carbon black The activity of the catalyst was measured using an Al 2 O 3 -CB support prepared by coprecipitation at a temperature of 850 ° C. for 5 hours after stabilization of activity

본 발명에서 사용한 이중세공 구조를 지니도록 카본블랙을 주형으로 활용하여 제조한 알루미나 지지체를 이용하여 니켈과 란탄 및 스트론튬이 함유된 페롭스카이트 구조의 혼합 개질 반응용 촉매를 이용하여 반응을 수행한 결과, 높은 메탄 및 이산화탄소의 전환율을 확보할 수 있었다. 특히, 실시예 1 ~ 실시예 4에서 보인 바와 같이 Al2O3 전구체의 양을 적절하게 조절하여 제조된 혼합 개빌 반응용 촉매의 경우에는 촉매의 비표면적 증대 및 페롭스카이트의 미세 구조 형성의 높은 분산성으로 인하여 메탄 전환율 98% 이상과 이산화탄소 전환율 41% 이상의 활성을 보이는 촉매를 제조할 수 있었다. 이때, 이중 세공구조의 알루미나를 형성하기 위해서는 카본블랙 무게 대비 2.5 ~ 20wt%의 알루미나가 형성되도록 지지체를 제조하는 것이 바람직한 것으로 나타났으며, LaSrNiO3 구조의 페롭스카이트 활성 성분을 포함하는 혼합 개질 반응용 촉매에서 페롭스카이트 내의 니켈의 함유량은 Al2O3 지지체의 중량 대비 5 ~ 15wt% 가 되도록 조절하여 사용하는 경우에 상기의 목적을 달성할 수 있었다. 그러나, 비교예 1의 경우에서와 같이 카본 블랙 무게대비 알루미나의 함량이 30% 초과되도록 제조하는 경우에는 넓은 비표면적의 알루미나 형성이 어려워서, 실시예 1 ~ 4에 비해 850 ℃에서 낮은 이산화탄소 전환율을 나타내었고, 촉매의 표면적은 96 m2/g 으로 비교적 낮은 값을 보였다. 비교예 2 에서는 알루미나를 이용하여 전처리 하지 않고 카본 블랙 지지체 위에 페롭스카이트 활성 성분을 담지 후에는 촉매의 표면적이 약 19 m2/g으로 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있으며, 비교예 1 및 2의 촉매에 비해 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 실시예 4 촉매의 경우에는 106 ~ 170 m2/g의 범위의 넓은 비표면적을 확보할 수 있었다.The reaction was carried out using a catalyst for mixed reforming of perovskite structure containing nickel, lanthanum and strontium using an alumina support prepared by using carbon black as a template so as to have the double pore structure used in the present invention , High methane and carbon dioxide conversion rates could be secured. Particularly, as shown in Examples 1 to 4, in the case of the catalyst prepared by adjusting the amount of Al 2 O 3 precursor appropriately, the specific surface area of the catalyst and the high Due to the dispersibility, catalysts with 98% methane conversion and 41% carbon dioxide conversion were obtained. In order to form alumina having a double pore structure, it is preferable to prepare a support such that alumina is formed in an amount of 2.5 to 20 wt% based on the weight of the carbon black. The mixed reforming reaction including the perovskite active component of the LaSrNiO 3 structure The above object can be achieved when the content of nickel in the perovskite is controlled to be 5 to 15 wt% based on the weight of the Al 2 O 3 support. However, as in the case of Comparative Example 1, it is difficult to form alumina having a large specific surface area when the content of alumina is more than 30% by weight based on the weight of carbon black. Thus, the carbon dioxide conversion is low at 850 ° C as compared with Examples 1 to 4 And the surface area of the catalyst was 96 m 2 / g, which was relatively low. In Comparative Example 2, it was confirmed that the surface area of the catalyst was remarkably low, about 19 m 2 / g, after the perovskite active component was supported on the carbon black support without pretreatment using alumina, and the catalysts of Comparative Examples 1 and 2 In the case of the catalysts of Examples 1 to 4 according to the present invention, a wide specific surface area in the range of 106 to 170 m 2 / g could be secured.

또한, 도 1에서 보인 바와 같이 상기의 방법으로 제조된 이중 세공구조의 Al2O3 지지체를 이용하여 니켈이 함유된 활성성분인 페롭스카이트 구조의 촉매 성분은 다양한 조성으로 제조가 가능하며, 일례로 본 발명과 같이 LaSrNiO3 구조의 페롭스카이트 활성 성분을 사용할 수 있다.Also, as shown in FIG. 1, the catalyst component of the perovskite structure, which is an active component containing nickel, can be prepared in various compositions using the Al 2 O 3 support having a double pore structure prepared by the above method, As in the present invention, LaSrNiO 3 Lt; RTI ID = 0.0 > perovskite < / RTI >

본 발명에 따른 방법으로 제조된 혼합 개질 반응용 촉매를 사용하는 경우에는 상기 표 1에서 보인 바와 같이 높은 메탄과 이산화탄소의 전환율의 확보가 가능하였으며, 이는 주로 초기의 촉매 비활성화 현상 억제 효과에서 발생하는 것으로 여겨졌다. 카본블랙의 무게 대비 알루미나의 함량이 2.5wt% 미만이거나, 20wt%를 초과하는 경우에는 제조된 알루미나 지지체의 비표면적이 100 m2/g 이하로 감소하여 작은 입자의 페롭스카이트 구조의 형성이 어려워져서 850℃에서의 메탄, 이산화탄소의 전환율이 현저하게 낮은 값을 가질 수 있으므로, 카본 블랙이 차지하고 있던 기공에 의하여 생성되는 40 nm 정도의 큰 기공과 함께 알루미나 자체의 기공에서 기인하는 6~8 nm의 기공이 동시에 존재하는 비표면적이 100 m2/g 이상인 이중 세공 구조를 지니는 알루미나 지지체를 제조하기 위해서는 카본 블랙 무게 대비 2.5 ~ 20wt%의 Al2O3가 함유되도록 Al2O3-CB 혼합물을 제조하는 것이 중요하며, 이를 통하여 활성 성분인 페롭스카이트 구조 촉매 성분의 분산성을 향상할 수 있게 된다.
In the case of the mixed reforming catalyst prepared by the process according to the present invention, as shown in Table 1, it is possible to secure high conversion rates of methane and carbon dioxide, mainly due to the effect of suppressing the initial catalyst deactivation phenomenon It was considered. When the content of alumina with respect to the weight of carbon black is less than 2.5 wt% or exceeds 20 wt%, the specific surface area of the prepared alumina support decreases to less than 100 m 2 / g, making it difficult to form a perovskite structure of small particles The conversion rate of methane and carbon dioxide at 850 ° C can be remarkably low. Therefore, the pore size of about 40 nm generated by the pores occupied by carbon black and the pore size of 6 to 8 nm Preparation 2 O 3 -CB mixture such that the the Al carbon black weight ratio 2.5 ~ 20wt% of the 2 O 3 containing to the Al surface area of the pores are present at the same time producing the alumina support having a dual pore structure less than 100 m 2 / g It is possible to improve the dispersibility of the perovskite structure catalyst component as an active ingredient.

실험예Experimental Example 1: 본 발명에 따른 혼합  1: Mix according to the present invention 개질반응용For reforming reaction 촉매의  Catalyst XRDXRD 분석 analysis

상기 실시예 1 내지 4의 혼합 개질반응용 촉매에 대하여 혼합 개질반응을 40시간 수행한 뒤 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴 분석을 실시하였다.X-ray diffraction (XRD) pattern analysis was performed after the mixed reforming reaction for the mixed reforming catalysts of Examples 1 to 4 was performed for 40 hours.

그 결과, 본 발명의 혼합 개질반응용 촉매가 XRD 분석으로 계산된 반응 후의 Ni 입자의 크기가 35 nm 이하로 유지되는 안정된 활성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.As a result, it was confirmed that the catalyst for the mixed reforming reaction of the present invention exhibited stable activity, in which the size of the Ni particles after the reaction calculated by XRD analysis remained below 35 nm.

Claims (9)

기상에서 천연가스를 수증기와 이산화탄소로 동시에 개질시키는 혼합 개질반응용 담지 촉매에 있어서,
카본 블랙과 알루미나 전구체를 공침시킨 제1침전물에, 페롭스카이트 구조의 금속 산화물을 형성하는 금속 전구체들과 공침시킨 제2침전물을 소성하여 카본 블랙이 제거된 촉매로서,
제1기공구조를 가지는 다공성 알루미나가, 촉매 제조시 주형(template)으로 사용되고 소성에 의해 제거된 카본 블랙에 의해 제2기공구조(이때, 제1기공 크기 < 제2기공 크기)를 가지는 이중 세공구조의 지지체; 및 상기 지지체의 기공에 담지된 페롭스카이트 구조의 금속 산화물을 함유하고,
제1기공구조 및 제2기공구조에 의해 담지 촉매의 비표면적이 100 m2/g이상인 것이 특징인 혼합 개질반응용 담지 촉매.
A supported catalyst for a mixed reforming reaction in which natural gas is simultaneously reformed with steam and carbon dioxide in a gas phase,
A catalyst in which carbon black is removed by firing a first precipitate prepared by coprecipitation of carbon black and an alumina precursor with a second precipitate co-precipitated with metal precursors forming a metal oxide of perovskite structure,
The porous alumina having the first pore structure is a double pore structure having a second pore structure (here, the first pore size < the second pore size) by the carbon black which is used as a template in the preparation of the catalyst and removed by firing. Support; And a metal oxide of a perovskite structure supported on the pores of the support,
Wherein the specific surface area of the supported catalyst is 100 m 2 / g or more due to the first pore structure and the second pore structure.
제1항에 있어서, 상기 이중 세공구조는 카본 블랙이 형성시킨 30 ㎚ 내지 60 ㎚의 메조세공과 알루미나가 갖고 있는 3 ㎚ 내지 10 ㎚의 메조세공으로 이루어진 것이 특징인 혼합 개질반응용 촉매.
The mixed reforming catalyst according to claim 1, wherein the double pore structure comprises mesopores of 30 nm to 60 nm formed by carbon black and mesopores of 3 nm to 10 nm possessed by alumina.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 제1침전물에서 알루미나의 함량은 2.5 내지 30 중량%인 것이 특징인 혼합 개질반응용 촉매.
The mixed reforming catalyst according to claim 1, wherein the content of alumina in the first precipitate is 2.5 to 30 wt%.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 페롭스카이트 구조의 금속 산화물은 니켈(Ni), 란탄(La) 및 스트론튬(Sr)이 함유된 LaSrNiO3는 화학식 LaxSr1 - xNiO3(x는 0.5 내지 0.95)의 페롭스카이트 산화물인 것이 특징인 혼합 개질반응용 촉매.
The method of claim 1, wherein the metal oxide of the perovskite structure is LaSrNiO 3 containing nickel (Ni), lanthanum (La), and strontium (Sr) having the formula La x Sr 1 - x NiO 3 ) Perovskite oxide. &Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 상기 페롭스카이트 구조의 금속 산화물에는 니켈(Ni)이 지지체 중량 대비 5 내지 15 중량%로 포함되어 있는 것이 특징인 혼합 개질반응용 촉매.
The mixed reforming catalyst according to claim 1, wherein the metal oxide of the perovskite structure contains nickel (Ni) in an amount of 5 to 15 wt% based on the weight of the support.
하기 단계를 포함하는 제1항, 제2항, 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항의 혼합 개질반응용 촉매의 제조방법:
카본 블랙과 알루미나 전구체를 공침시켜 제1침전물을 제조하는 단계(단계 1);
상기 제1침전물을 금속 산화물 전구체와 공침시키는 단계(단계 2); 및
공침된 제2침전물을 소성하여 카본 블랙을 제거하는 단계(단계 3).
A method for producing a catalyst for mixed reforming reaction according to any one of claims 1, 2, 4, 6, and 7, comprising the steps of:
Coagulating the carbon black and the alumina precursor to produce a first precipitate (step 1);
Co-precipitating the first precipitate with a metal oxide precursor (step 2); And
And removing the carbon black by firing the coprecipitated second precipitate (Step 3).
제1항, 제2항, 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항의 혼합 개질반응용 촉매의 존재 하에 천연가스를 수증기와 이산화탄소로 동시에 개질시키는 혼합 개질반응을 수행하는 방법.A method for performing a mixed reforming reaction in which natural gas is reformed simultaneously with steam and carbon dioxide in the presence of the catalyst for the mixed reforming reaction according to any one of claims 1, 2, 4, 6,
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