KR101644976B1 - Cesium promoter-containing iron-carbide/carbon composite catalyst for Fischer-Tropsch synthesis, preparation method thereof, and preparation method of liquid or soild hydrocarbon using the catalyst - Google Patents

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양정일
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이호태
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홍성준
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Abstract

The present invention relates to an iron-carbide/carbon composite catalyst including cesium for fischer-tropsch (FT) synthesis, a manufacturing method thereof, and a method to manufacture liquid or sold hydrocarbon by using the catalyst. More specifically, the present invention relates to a high-vitality iron-carbide/cesium/carbon-based composite catalyst for FT synthesis in which an iron-carbide particle containing cesium with vitality is embodied in a porous carbon support; a manufacturing method of the composite catalyst by using a melting impregnation method, an external vitalizing process in a vitalizing gas atmosphere, and a wetting impregnation method of cesium salt; and a method to manufacture liquid or solid hydrocarbon by using the composite catalyst. The iron-carbide/carbon composite catalyst comprises the porous carbon support; and an iron carbide nano particle in which cesium embodied in an air hole of the porous carbon support is added.

Description

세슘이 포함된 피셔-트롭쉬 합성용 철-카바이드/탄소 복합 촉매, 이의 제조 방법, 및 상기 촉매를 이용한 액체 또는 고체 탄화수소의 제조방법{Cesium promoter-containing iron-carbide/carbon composite catalyst for Fischer-Tropsch synthesis, preparation method thereof, and preparation method of liquid or soild hydrocarbon using the catalyst}The present invention relates to an iron-carbide / carbon composite catalyst for Fischer-Tropsch synthesis containing cesium, a process for preparing the same, and a process for producing a liquid or solid hydrocarbon using the catalyst. synthesis, preparation method thereof, and preparation method of liquid or soild hydrocarbon using the catalyst}

본 발명은 세슘이 포함된 피셔-트롭쉬 합성용 철-카바이드/탄소 복합 촉매, 이의 제조 방법, 및 상기 촉매를 이용한 액체 또는 고체 탄화수소의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an iron-carbide / carbon composite catalyst for Fischer-Tropsch synthesis containing cesium, a process for producing the same, and a process for producing a liquid or solid hydrocarbon using the catalyst.

피셔-트롭쉬(FT) 합성반응은 1920년대 이미 독일의 화학자 Franz Fischer와 Hans Tropsch에 의해 개발된 기술로 아래의 화학식과 같이 합성가스(수소와 일산화탄소)로부터 합성연료(탄화수소)를 제조하는 기술이다.
The Fischer-Tropsch synthesis reaction was developed by German chemists Franz Fischer and Hans Tropsch in the 1920s and is a technology for the production of synthetic fuels (hydrocarbons) from syngas (hydrogen and carbon monoxide) .

(2n+1)H2 + nCO → CnH(2n+2) + nH2O
(2n + 1) H 2 + nCO → C n H (2n + 2) + nH 2 O

이러한 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch Synthesis) 반응에서 코발트 또는 철을 포함한 촉매가 주로 사용되는데, 적용되는 촉매의 종류에 따라 반응 온도 및 압력, 가스조성 등 그 반응조건이 많이 좌우되게 된다.
In such a Fischer-Tropsch synthesis reaction, cobalt or iron-containing catalysts are mainly used. Depending on the type of the catalyst to be used, reaction conditions such as reaction temperature, pressure, gas composition and the like are largely influenced.

FT 반응에서, 일반적으로 코발트계 및 철계 촉매의 존재 하에 얻어진 탄화수소 생성물은 가스상 탄화수소 (C1-C4), 액상 오일 및 고체상 왁스로 분류된다. 최근, 화학물질의 핵심 빌딩 블록으로서 저급 올레핀이 낮은 반응 압력 (~1 bar) 하에서 Na 및 S가 첨가된 Fe/α-Al2O3 또는 Fe/CNF (탄소-나노섬유) 촉매를 사용하는 FTO (Fischer-Tropsch to Olefins) 공정에 의해 선택적으로 합성되었다. 그러나, 낮은 압력의 공급 가스 하에서 CO의 수소화 반응은 높은 압력 (15~20 bar) 하에서 얻을 수 있는 70~80%의 CO 전환율 값에 비해 훨씬 더 낮은 ~1% 수준의 CO 전환율을 나타냈다. 따라서, Fe계 촉매를 사용하여 더욱 높은 생산성으로 액체 탄화수소를 얻기 위하여는 FT 합성 반응을 높은 반응 압력 하에서 수행해야 한다.
In the FT reaction, the hydrocarbon product obtained in the presence of a cobalt-based and iron-based catalyst is generally classified into gaseous hydrocarbons (C 1 -C 4 ), liquid oils and solid waxes. In recent years, as a key building block of chemicals, low olefins have been used as FTOs using Fe / α-Al 2 O 3 or Fe / CNF (carbon-nanofiber) catalysts with Na and S added at low reaction pressure (Fischer-Tropsch to Olefins) process. However, under the low pressure feed gas, the CO hydrogenation reaction showed a much lower CO conversion level of ~ 1% compared to the CO conversion values of 70-80%, which can be obtained at high pressures (15-20 bar). Therefore, in order to obtain liquid hydrocarbons with higher productivity using an Fe-based catalyst, the FT synthesis reaction must be carried out under a high reaction pressure.

다른 한편으로, 탄화수소 생성물 분포는 이후의 용도를 고려하여 촉매 타입 및 반응 조건을 변경함으로써 효과적으로 제어되어 왔다. 예를 들어, 코발트- 및 철-제올라이트 하이브리드계의 이중 작용적 촉매를 사용함으로써 가솔린 범위의 탄화수소를 보다 더 선택적으로 얻는 것이 가능하였다. 산 촉매로서 ZSM-5와 같은 마이크로 다공성 알루미노실리케이트 물질은 탄화수소 생성물 선택성을 강화시키는 것으로 나타났으나, 작은 기공 부피 및 크기로 인한 이의 제한된 표면적 때문에 일반적으로 촉매 활성이 감소하고, 특히 높은 금속 담지량을 갖는 경우에 촉매 활성 감소가 심해졌다.
On the other hand, the hydrocarbon product distribution has been effectively controlled by changing the catalyst type and reaction conditions in consideration of the following applications. For example, it has been possible to obtain hydrocarbons in the gasoline range more selectively by using cobalt- and iron-zeolite hybride-based dual-acting catalysts. Microporous aluminosilicate materials such as ZSM-5 as an acid catalyst have been shown to enhance hydrocarbon product selectivity, but due to their limited surface area due to their small pore volume and size, the catalytic activity generally decreases, The reduction of the catalytic activity became severe.

피셔-트롭쉬 합성반응은 크게 반응온도에 따라 주로 200 ~ 250℃ 사이에서 반응이 이루어지는 저온 FT 반응(low temperature Fischer-Tropsch, LTFT)과 300 ~ 350℃ 사이에서 온도에서 반응이 이루어지는 고온 FT 반응(high temperature Fischer-Tropsch, HTFT)으로 구분될 수 있다(Andrei Y. Khodakov et al, Chem. Rev., 2007, 107, 1672).
The Fischer-Tropsch synthesis reaction consists mainly of a low-temperature Fischer-Tropsch (LTFT) reaction with a reaction between 200 and 250 ° C, and a high-temperature FT reaction with a reaction between 300 and 350 ° C high temperature Fischer-Tropsch, HTFT) (Andrei Y. Khodakov et al., Chem. Rev., 2007, 107, 1672).

전통적으로, 저온 FT 반응의 경우 촉매의 수명이 상대적으로 긴 코발트 촉매를 주로 사용하는데, 코발트계 촉매는 활성이 크고 수명이 오래가는 우수한 장점이 있으나, 황화합물 등에 의한 쉬운 피독이나 철계 촉매에 비해 가격이 매우 비싼 단점이 있다. 게다가, 코발트계 촉매의 경우 수성가스전이(WGS, water gas shift) 반응에 활성이 거의 없기 때문에 FT 합성반응 시에 합성가스의 성분(수소 : 일산화탄소 = 2 : 1) 비율이 반응에 큰 영향을 주게 된다.
Traditionally, low-temperature FT reactions use cobalt catalysts that have a relatively long catalyst lifetime. The cobalt catalysts have high activity and long service life. However, they are easily poisoned by sulfur compounds, It has a very expensive disadvantage. In addition, since the cobalt catalyst has little activity in the water gas shift (WGS) reaction, the ratio of the synthesis gas component (hydrogen: carbon monoxide = 2: 1) during the FT synthesis reaction greatly affects the reaction do.

이에 반해 철계 촉매의 경우 수성가스전이 반응에 활성을 가지고 있어 수소 대 일산화탄소 합성가스 성분비가 1 ∼ 2 내의 다양한 조성에서 사용이 가능하며, 불순 가스인 이산화탄소의 존재 하에서도 사용 가능하다. 따라서, 대형 규모의 상용으로 진행되는 고온 FT 반응의 경우 가격이 저렴하면서도 황화합물에 의한 내피독성이 강한 철계 촉매를 공정에서 주로 사용해 왔다. 지금까지 상용화 된 철계 촉매를 이용한 고온 피셔-트롭쉬 반응의 대표적 예로서 Sasol사에서 용해철(Fused Fe)로 된 철계 촉매를 사용한 Synthol 공정을 들 수 있다(Steynberg A.P. et al Appl. Catal. A: Gen., 1999, 186, 41). 하지만 용해철(Fused Fe)의 경우 제조 시에 다양한 불순물이 포함되어 질 수 있고 촉매 활성이 낮은 단점이 있다.
On the other hand, in the case of the iron catalyst, the water gas field is active in the reaction, so that it can be used in various compositions within 1 to 2 ratio of hydrogen to carbon monoxide synthesis gas, and can also be used in the presence of carbon dioxide which is an impurity gas. Therefore, in the case of high-temperature FT reaction, which is being commercialized on a large scale, an iron-based catalyst having high endotoxicity due to sulfur compounds has been mainly used in the process. As a representative example of a high temperature Fischer-Tropsch reaction using a commercially available iron-based catalyst, there is a Synthol process using an iron-based catalyst composed of fused Fe in Sasol (Steynberg AP et al. Gen., 1999, 186, 41). However, in the case of fused Fe, there are disadvantages that various impurities may be contained in manufacturing and the catalytic activity is low.

현재, 상용공정에 이용되는 철 촉매의 경우 또한 촉매성능을 극적으로 개선시키기 위해 칼륨이나 구리, 실리카 등의 다양한 첨가제(promoters)들을 함께 사용해 오고 있는데, 특히 칼륨은 피셔-트롭쉬 반응에서 촉매의 반응성을 높이고, 메탄의 생성을 줄이며 탄화수소의 사슬 성장 선택도를 향상시키는 것으로 잘 알려져 있다. 칼륨의 역할은 전통적으로 염기(base)로서 전자적 영향이 잘 알려져 있으며 (D. C. Sorescu et al., Surf. Sci., 2011, 605, 401.; Z. P. Liu et al., J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 12596; S. J. Jenkins et al., J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 10610.), 최근에는 이 칼륨이 철 입자의 활성표면의 형성에도 일부 관여하는 것으로 발표되고 있다(C.-F. Huo et al, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 7403).
At present, in the case of iron catalysts used in commercial processes, various promoters such as potassium, copper and silica have been used together to dramatically improve the catalytic performance. In particular, potassium has been used as a catalyst in the Fischer-Tropsch reaction To improve the selectivity of chain growth of hydrocarbons by reducing the production of methane. The role of potassium has traditionally been known to be electron effects as a base (DC Sorescu et al., Surf. Sci., 2011, 605, 401 .; ZP Liu et al., J. Am. , 2001, 123, 12596; SJ Jenkins et al., J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 10610.), recently it has been reported that this potassium is also involved in part of the formation of active surfaces of iron particles (C.-F. Huo et al, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 7403).

한편, FT 반응의 경우 1920년대부터 거의 100여년간 많은 연구가 이루어져 왔지만, 여전히 실제 FT 반응에 참여하는 촉매의 활성 종이 금속성 철 표면인지, 표면이나 벌크 철 카바이드 인지, 아니면 산화철인지 논란이 되고 있으며, 결국 활성화에너지를 비교해 보면 금속성 철 표면에서 FT 반응이 진행되는 에너지 보다 탄소가 확산되어 들어가 철 카바이드로 변환되는 쪽이 에너지가 낮은 특징이 있으므로 철 카바이드 형태로 잘 만들어주는 것이 중요하다 볼 수 있다. 이를 통해 반응도입시기(induction period)를 최소화 시킬 수 있으며, 보다 바람직하게는 보고되고 있는 여러 철 카바이드 상들 중에서도 활성이 큰 해그 카바이드(

Figure 112015018869619-pat00001
)(χ-Fe5C2) 종을 잘 형성시켜 주는 것이 중요하다고 볼 수 있다(Weckhuysen, B. M. et al. Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 2758).
On the other hand, the FT reaction has been studied for almost 100 years since the 1920s, but it is still controversial whether the active species of the catalyst participating in the actual FT reaction is metallic iron surface, surface or bulk iron carbide or iron oxide, Comparing the activation energies, it is important to make iron carbide as well because it is characterized by low energy because the carbon is diffused and converted into iron carbide rather than the energy that the FT reaction proceeds on the metallic iron surface. This can minimize the induction period, and more preferably, among the various iron carbide phases reported, hag carbide
Figure 112015018869619-pat00001
) (χ-Fe 5 C 2 ) it may be seen that it is important to form a species that well (Weckhuysen, BM et al. Chem . Soc. Rev., 2008, 37, 2758).

촉매 제조를 위하여, 활성을 갖는 균일한 Fe5C2 나노입자의 합성을 위한 콜로이드 방법이 일부 보고된 바 있으나, 금속 전구체 및 용매의 높은 가격과 복잡한 제조 방법으로 인하여 여전히 대량 생산에 있어서는 문제점을 갖는다.
For the preparation of catalysts, some colloid methods for the synthesis of active Fe 5 C 2 nanoparticles having activity have been reported, but still have problems in mass production due to the high cost of the metal precursors and solvents and complex manufacturing methods .

본 발명의 목적은 피셔-트롭쉬 반응에서 촉매의 반응성을 높이고, 메탄의 생성을 줄이며 탄화수소의 사슬 성장 선택도를 향상시킬 수 있는 피셔-트롭쉬 합성용 철계 촉매, 이의 제조방법 및 이의 사용 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide an iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis capable of enhancing the reactivity of a catalyst in a Fischer-Tropsch reaction, reducing the production of methane and improving the chain growth selectivity of a hydrocarbon, a method for producing the same, .

본 발명의 제1양태는 다공성 탄소 지지체; 및 상기 다공성 탄소 지지체의 기공 내 담지된, 세슘(Cs) 첨가된 철 카바이드 나노 입자;를 함유하는 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 제공한다.A first aspect of the present invention relates to a porous carbon support comprising: a porous carbon support; And cesium (Cs) added iron carbide nanoparticles supported in the pores of the porous carbon support.

본 발명의 제2양태는 다공성 탄소 지지체 분말과 상기 다공성 탄소 지지체보다 융점이 낮은 철 함유 화합물을 갈아서 혼합하고, 닫힌계에서 상기 철 함유 화합물의 융점 내지 상기 융점 + 5 ℃의 온도로 용융 함침시킨 후 소성하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 얻은 복합 분말에 세슘 함유 용액을 습식 함침시킨 후 소성하는 단계(단계 2)를 포함하는 세슘(Cs) 첨가된 철-카바이드가 다공성 탄소 지지체에 담지된 촉매의 제조방법을 제공한다.In a second aspect of the present invention, a porous carbon support powder and an iron-containing compound having a melting point lower than that of the porous carbon support are mixed and mixed, and the mixture is melted and impregnated in a closed system at a temperature ranging from the melting point to the melting point + (Step 1); And a step (2) of wet-impregnating the composite powder obtained in the step 1 with a cesium-containing solution and then calcining (step 2), wherein the cesium (Cs) added iron-carbide is supported on the porous carbon support .

본 발명의 제3양태는 피셔-트롭쉬 합성용 촉매에 있어서, 상기 제2양태의 방법에 따라 제조되어 세슘과 철이 다공성 탄소 지지체에 균일하게 담지되어 활성화되고, 소성 후 형성된 철 카바이드는 해그 카바이드(

Figure 112015018869619-pat00002
)(χ-Fe5C2) 종을 포함하는 것이 특징인, 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 제공한다.In a third aspect of the present invention, there is provided a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis, which is produced according to the method of the second aspect, wherein cesium and iron are uniformly supported on a porous carbon support to be activated,
Figure 112015018869619-pat00002
) (χ-Fe 5 C 2 ) species.

본 발명의 제4양태는 피셔-트롭쉬 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 또는 고체 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, i) 상기 제1양태 또는 제2양태에 따른 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 피셔-트롭쉬 합성반응기에 적용하는 단계; 및 ii) 상기 피셔-트롭쉬 합성반응기에 합성가스를 주입하여 상기 피셔-트롭쉬 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭쉬 합성반응을 수행하는 단계를 포함하는 것이 특징인 제조방법을 제공한다.
A fourth aspect of the present invention is a method for producing a liquid or solid hydrocarbon from a syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction, comprising the steps of: i) mixing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst according to the first or second aspect To a Fischer-Tropsch synthesis reactor; And ii) injecting a syngas into the Fischer-Tropsch synthesis reactor to perform a Fischer-Tropsch synthesis reaction with the Fischer-Tropsch synthesis catalyst.

이하 본 발명을 자세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch Synthesis) 반응에서, 철계 촉매의 경우 수성가스전이 반응에 활성을 가지고 있어 수소 대 일산화탄소 합성가스 성분비가 1 ∼ 2 내의 다양한 조성에서 사용이 가능하며, 불순 가스인 이산화탄소의 존재 하에서도 사용 가능하다. 따라서, 대형 규모의 상용으로 진행되는 고온 FT 반응의 경우 가격이 저렴하면서도 황화합물에 의한 내피독성이 강한 철계 촉매를 공정에서 주로 사용해 왔다. 그러나, 철계 촉매는 상용공정에 이용되기 위하여는 여전히 촉매성능을 개선시킬 필요가 있다. 본 발명에서는 철계 촉매에 첨가제(promoter)로서 세슘을 사용할 경우 피셔-트롭쉬 반응에서 촉매의 반응성을 높이고, 메탄의 생성을 줄이며 탄화수소의 사슬 성장 선택도를 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 더 나아가, 이러한 세슘이 첨가제로서 첨가된 철계 촉매는 다공성 탄소 지지체를 활용한 용융함침 및 습식함침 과정을 통해 손쉽게 합성하는 방법을 고안하였다. 본 발명은 이에 기초한다.
In the Fischer-Tropsch synthesis reaction, in the case of the iron-based catalyst, the water gas field is active in the reaction, so that it can be used in various compositions within the range of hydrogen to carbon monoxide synthesis gas composition ratio of 1 to 2, Can also be used. Therefore, in the case of high-temperature FT reaction, which is being commercialized on a large scale, an iron-based catalyst having high endotoxicity due to sulfur compounds has been mainly used in the process. However, iron-based catalysts still need to be improved in catalyst performance to be used in commercial processes. In the present invention, it has been found that when cesium is used as an additive (promoter) in an iron-based catalyst, the reactivity of the catalyst in the Fischer-Tropsch reaction can be enhanced, the production of methane can be reduced, and the selectivity of chain growth of hydrocarbons can be improved. Furthermore, the iron-based catalyst added as cesium as an additive has been devised as a method of easily synthesizing through a melt impregnation and a wet impregnation process using a porous carbon support. The present invention is based on this.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 다공성 활성탄 지지체를 활용한 용융함침 및 습식함침 과정을 통해 Cs 첨가된 Fe5C2 나노입자 형태의 촉매를 손쉽게 합성하였으며(실시예 1), 고온 피셔-트롭쉬 반응에 있어서 상기 세슘(Cs) 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매를 사용한 경우, 첨가제가 없는 촉매를 사용한 경우에 비해 더욱 높은 전체 CO 전환율을 나타낼 뿐만 아니라 더욱 짧은 유도 기간을 나타내어 CO 전환율이 반응 12시간 이내에 빠르게 안정 상태에 도달할 수 있음을 확인하였다(도 6).
Specifically, in one embodiment of the present invention, Cs-added Fe 5 C 2 nanoparticle-type catalysts were easily synthesized through melt impregnation and wet impregnation using a porous activated carbon support (Example 1) In the case of using the cesium (Cs) added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst in the Lossh reaction, not only a higher total CO conversion rate as compared with the case of using an additive-free catalyst but also a shorter induction period, It was confirmed that the stable state could be quickly reached within 12 hours (Fig. 6).

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 고온 피셔-트롭쉬 반응에 있어서 세슘(Cs) 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매를 사용한 경우, 메탄 선택성은 10% 이하인 반면 C5 + 선택성은 30% 이상으로 나타나 메탄의 생성을 줄이며 탄화수소의 사슬 성장 선택도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라(도 7) 고온 FT 합성에서 액체 오일의 지속적인 생산이 가능함을 확인하였다(표 1).
In addition, in an embodiment of the present invention, when a cesium (Cs) added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst is used in a high temperature Fischer-Tropsch reaction, the methane selectivity is less than 10%, while the C 5 + selectivity is more than 30% (FIG. 7), it was confirmed that it is possible to continuously produce liquid oil in high-temperature FT synthesis (Table 1), as well as to improve the selectivity of chain growth of hydrocarbon by reducing the generation of methane.

더 나아가, 본 발명에 따른 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매는 320℃ 및 15 bar 하의 고온 FT 반응 조건에서 90 시간 동안 비활성화 없이 우수한 안정성을 보였다(실시예 2).
Further, the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst according to the present invention exhibited excellent stability without deactivation for 90 hours at a high temperature FT reaction condition of 320 ° C. and under 15 bar (Example 2).

본 발명에 따른 피셔-트롭쉬 합성용 촉매는 다공성 탄소 지지체; 및 상기 다공성 탄소 지지체의 기공 내 담지된, 세슘(Cs) 첨가된 철 카바이드 나노 입자;를 함유할 수 있다.
The catalyst for Fischer-Tropsch synthesis according to the present invention comprises a porous carbon support; And cesium (Cs) added iron carbide nanoparticles supported in the pores of the porous carbon support.

본 발명에서, 상기 철 카바이드는 해그 카바이드(

Figure 112015018869619-pat00003
)(χ-Fe5C2) 종을 포함하는 것일 수 있다. 철 카바이드가 해그 카바이드(
Figure 112015018869619-pat00004
)(χ-Fe5C2) 종을 포함함으로써 반응도입시기(induction period), 즉 유도 기간을 최소화시킬 수 있다.
In the present invention, the iron carbide may be selected from the group consisting of Hag Carbide (
Figure 112015018869619-pat00003
) (χ-Fe 5 C 2 ) species. Iron carbide is a mixture of Hag Carbide (
Figure 112015018869619-pat00004
) (χ-Fe 5 C 2 ) species to minimize the induction period, ie, the induction period.

본 발명에서는 Cs/Fe 원자비를 조절하여 촉매 표면 염기도(surface basicity)를 제어함으로써 CO의 해리성 흡착과 H2의 흡착에 영향을 주어 목적하는 탄화수소 생성물에 대한 선택성을 변화시킬 수 있다. 이때 Cs/Fe 원자비가 커질수록 더욱 무거운 탄화수소, 즉 중쇄 탄화수소 생성물에 대한 선택성이 더욱 높아질 수 있다.
In the present invention, by controlling the surface basicity of the catalyst by adjusting the Cs / Fe atomic ratio, it is possible to change the selectivity to the desired hydrocarbon product by affecting the dissociative adsorption of CO and the adsorption of H 2 . At this time, the larger the Cs / Fe atomic ratio, the higher the selectivity to heavier hydrocarbons, that is, the heavy chain hydrocarbon product.

본 발명에서, Cs/Fe 원자비는 몰 기준으로 바람직하기로 0.01 내지 0.1, 더욱 바람직하기로 0.025 내지 0.050 일 수 있다. 바람직하기로, 합성가스 (H2/CO = 1.0, GHSV=8.0 NL·gcat -1·h-1)를 사용한 320℃ 및 15 bar에서의 FT 반응시, Cs/Fe 원자비가 0.01 내지 0.04인 경우에는 액체 오일 생산성이 0.3 gliq·gcat -1·h-1 이상으로 우수할 수 있으며, Cs/Fe 원자비가 0.04 내지 0.1인 경우에는 고체 왁스 생산성이 0.1 gsol·gc at -1·h-1 이상으로 우수할 수 있다.
In the present invention, the Cs / Fe atom ratio may preferably be 0.01 to 0.1, more preferably 0.025 to 0.050 on a molar basis. Preferably, the FT reaction at 320 ° C and 15 bar using a syngas (H 2 / CO = 1.0, GHSV = 8.0 NL · g cat -1 · h -1 ) yields a Cs / Fe atomic ratio of 0.01 to 0.04 case, the liquid oil productivity 0.3 g liq · g cat -1 · h -1 or more can be excellent, and, in the case of Cs / Fe atomic ratio of 0.04 to 0.1, the solid wax productivity 0.1 g sol · g -1 · c at h -1 or more.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 제어된 Cs/Fe 원자비를 갖는 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 나노촉매를 제조한 후 이의 물리화학적 특성 및 피셔-트롭쉬 합성반응 효율을 분석한 결과, 적절한 Cs 도핑에 의해 증진된 작은 Fe5C2 입자 크기 (8.5 nm) 및 표면 염기도에 기초하여, Cs/Fe=0.025인 촉매가 고온 FTS에서 매우 높은 CO 전환율 (>95%) 및 액체 오일 생산성 (~0.4 gliq·gcat -1·h-1)을 나타냄을 확인하였다(도 3b, 도 6 및 표 1).
Specifically, in one embodiment of the present invention, the physicochemical properties and the Fischer-Tropsch synthesis reaction efficiency of the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon nanocatalyst having a controlled Cs / Fe atomic ratio were analyzed , A catalyst with a Cs / Fe = 0.025, based on the small Fe 5 C 2 particle size (8.5 nm) promoted by appropriate Cs doping and the surface basicity, exhibited very high CO conversion (> 95%) and high oil productivity (~ 0.4 g liq · g cat -1 · h -1 ) (FIG. 3B, FIG. 6 and Table 1).

본 발명에서, 전체 촉매의 중량을 기준으로 철의 함량은 5 내지 30 wt%이고 세슘의 함량은 0.5 내지 5 wt%일 수 있다. 철의 함량이 상기 범위인 경우에 입자의 균일한 분산성과 형성 입자의 크기 면에서 유리하고, 세슘의 함량이 상기 범위인 경우에 촉매 성능 개선 면에서 유리하다.
In the present invention, the iron content may be 5 to 30 wt% and the cesium content may be 0.5 to 5 wt% based on the weight of the total catalyst. When the content of iron is within the above range, it is advantageous in terms of uniform dispersion of the particles and size of the formed particles, and in the case where the content of cesium is in the above range, it is advantageous in improving the catalyst performance.

본 발명에서는 균일하면서도 피셔-트롭쉬 반응에 적합한 함량의 입자 담지를 위해서 지지체로 사용되는 다공성 탄소 지지체의 기공 부피가 0.2 ㎤/g 이상이 되는 것이 좋으며, 입자의 담지 함량을 보다 높이기 위해서는 최대한 기공 부피가 큰 탄소 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
In the present invention, it is preferable that the pore volume of the porous carbon support used as a support is at least 0.2 cm 3 / g in order to uniformly carry the particles suitable for the Fischer-Tropsch reaction. In order to further increase the loading of the particles, It is preferable to use a large carbon material.

본 발명에서, 상기 다공성 탄소 지지체는 상용 활성탄소 (activated carbon), 상용 활성탄 (activated charcoal), 상용 아세틸렌 카본 블랙 (acetylene carbon black), 규칙적 다공성 탄소 지지체로서 CMK, 예를 들어 CMK-3, CMK-5 또는 CMK-8 중에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하기로, 본 발명에서는 목재로부터 제조된 상용 활성탄을 사용하였다. 상용 활성탄은 우수한 탄소계 지지체이며, 저가이면서, 열적 안정성, 높은 표면적 (~1000 ㎡/g) 및 큰 기공 부피 (~0.8 ㎤/g)를 가져 상업적으로 대량생산에 이용이 가능하다.
In the present invention, the porous carbon support may be selected from the group consisting of activated carbon, activated charcoal, acetylene carbon black, regular porous carbon supports such as CMK, CMK-3, CMK- 5 or CMK-8. Preferably, commercial activated carbon made from wood is used in the present invention. Commercial activated carbon is a superior carbon based support and is inexpensive, has thermal stability, high surface area (~ 1000 m < 2 > / g) and large pore volume (~ 0.8 cm < 3 > / g)

본 발명에 따른 세슘(Cs) 첨가된 철-카바이드가 다공성 탄소 지지체에 담지된 촉매의 제조방법은 다공성 탄소 지지체 분말과 상기 다공성 탄소 지지체보다 융점이 낮은 철 함유 화합물을 갈아서 혼합하고, 닫힌계에서 상기 철 함유 화합물의 융점 내지 상기 융점 + 5 ℃의 온도로 용융 함침시킨 후 소성하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 얻은 복합 분말에 세슘 함유 용액을 습식 함침시킨 후 소성하는 단계(단계 2)를 포함할 수 있다.
The method for preparing a catalyst in which cesium (Cs) added cesium (Cs) -contained iron-carbide is supported on a porous carbon support comprises grinding and mixing a porous carbon support powder and an iron- containing compound having a melting point lower than that of the porous carbon support, Containing compound at a temperature ranging from the melting point of the compound-containing compound to the melting point + 5 占 폚 and then calcining (step 1); And a step (step 2) of wet-impregnating the cesium-containing solution in the composite powder obtained in the step 1 and then firing it.

상기 단계 1은, 철 함유 화합물의 용융함침(melt infiltration)을 수행하는 단계이다.
Step 1 is a step of performing melt infiltration of an iron-containing compound.

본 발명에 따른 촉매의 제조방법에서, 상기 다공성 탄소 지지체보다 융점이 낮은 철 함유 화합물은 융점이 30 내지 100℃ 범위인 것일 수 있으며, 바람직하기로 철 수화물 염일 수 있다. 이보다 낮은 용융점을 지니는 화합물의 경우 상온에서 액체 상태라 다루기 힘들며, 100 ℃ 이상의 높은 융용점을 가지는 화합물의 경우 물이 끓는 온도보다 고온에서 함침을 하기 때문에 끓는 문제가 발생할 수 있다. 특히, 이러한 금속염들은 각각의 고유한 밀도 값을 가지고 있는데 이러한 금속염의 밀도와 다공성 탄소 지지체의 기공 부피를 고려하여 금속염의 함침양을 정하면 보다 균일하게 염을 함침 시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 철 수화물 염은 Fe(NO3)39H2O(d=1.68 g/㎤, m.p.=47.2℃), FeCl36H2O(d=1.82 g/㎤, m.p.=37℃), FeSO47H2O(d=1.898 g/㎤, m.p.=70℃) 또는 이의 혼합물일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
In the method for producing a catalyst according to the present invention, the iron-containing compound having a melting point lower than that of the porous carbon support may have a melting point in the range of 30 to 100 ° C, preferably iron hydrate. Compounds having a lower melting point are difficult to treat because they are liquid at room temperature. In the case of compounds having a high melting point of 100 ° C or higher, boiling may occur because the water is impregnated at a temperature higher than the boiling point. In particular, these metal salts have their respective density values. The amount of metal salt impregnation can be more uniformly determined by considering the density of the metal salt and the pore volume of the porous carbon support. Specifically, the iron hydrate salt is Fe (NO 3 ) 3 9H 2 O (d = 1.68 g / cm 3, mp = 47.2 ° C), FeCl 3 6H 2 O (d = 1.82 g / FeSO 4 7H 2 O (d = 1.898 g / cm 3, mp = 70 ° C) or a mixture thereof.

또한, 용융함침과정에서 적용되는 금속 수화물염의 양과 반응온도에 따라 반응 용기의 선택이 가능하며, 주로 스테인레스 스틸(stainless steel)로 제작된 반응기나 고분자 플라스틱 중 폴리프로필렌(Polypropylene)이나 테프론(Teflon)으로 제작된 용기를 사용하면 된다.
The reaction vessel can be selected according to the amount of metal hydrate salt and the reaction temperature applied in the melt infiltration process. The reaction vessel made of stainless steel or polypropylene or Teflon among the polymer plastics You can use the prepared container.

또한 철 함유 화합물을 녹여서 다공성 탄소 지지체 내부로 균일하게 함침 시키기 위해서는 반응용기 내부의 온도조절과 압력 유지가 중요하며, 함침 하고자 하는 철 함유 화합물의 완전한 함침이 가능하도록 그 철 함유 화합물의 융점 내지 +5 ℃, 보다 바람직하기로 철 함유 화합물의 융점보다 2 ~ 5 ℃ 정도 높여서 진행을 할 수 있고, 반응 중 발생하는 증기압으로 인한 압력은 외부로 사라지지 않도록 반응은 닫힌계(closed system)에서 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
Further, in order to uniformly impregnate the iron-containing compound into the porous carbon support, it is important to control the temperature inside the reaction vessel and to maintain the pressure. In order to completely impregnate the iron-containing compound to be impregnated, More preferably 2 to 5 ° C higher than the melting point of the iron-containing compound, and the reaction is preferably carried out in a closed system so that the pressure due to the vapor pressure generated during the reaction does not disappear to the outside .

본 발명에 따른 촉매의 제조방법에서, 상기 다공성 탄소 지지체의 종류 및 기공 부피는 상기 피셔-트롭쉬 합성용 촉매에서 설명한 바와 동일하다.
In the method for producing a catalyst according to the present invention, the type and pore volume of the porous carbon support are the same as those described in the above-mentioned Fischer-Tropsch synthesis catalyst.

상기 단계 2는, Cs 용액의 습식 함침(wetness impregnation) 후 소성을 수행하는 단계이다.
Step 2 is a step of performing firing after wetness impregnation of the Cs solution.

본 발명에 따른 촉매의 제조방법에서, 상기 세슘 함유 용액은 세슘 염을 물이나 유기 용매 중에 용해시켜 얻은 것일 수 있다. 본 발명은 습식 담지법을 통해 세슘 염을 철 카바이드 입자 상에 도핑시킨 후 활성화시키고 소성하여 세슘 금속을 철 카바이드 상에 첨가시킬 수 있다. 본 발명에서 사용 가능한 세슘 염으로는 K2CO3, CsOH, CsI, CsCl, CsBr, Cs2Cr2O7, CsNO3, CsC2H3O2, CsMnO4, CsCN, CsIO3, Cs2S2O8, Cs2SO4, CsSCN, CsClO3, CsF, CsH, CsH2PO4, C4H9CsO 등이 될 수 있다.
In the method for producing a catalyst according to the present invention, the cesium-containing solution may be obtained by dissolving a cesium salt in water or an organic solvent. The present invention can add cesium metal onto iron carbide by doping a cesium salt onto the iron carbide particles through wet deposition, followed by activation and calcination. The cesium salts usable in the present invention include K 2 CO 3 , CsOH, CsI, CsCl, CsBr, Cs 2 Cr 2 O 7 , CsNO 3 , CsC 2 H 3 O 2 , CsMnO 4 , CsCN, CsIO 3 , Cs 2 S 2 O 8 , Cs 2 SO 4 , CsSCN, CsClO 3 , CsF, CsH, CsH 2 PO 4 , C 4 H 9 CsO, and the like.

본 발명에서, 상기 단계 1 및 단계 2의 소성은 바람직하기로 활성화가스 분위기 하에서 수행할 수 있다.
In the present invention, the firing of the step 1 and the firing step 2 is preferably carried out in an atmosphere of an activated gas.

철 수화물염과 같은 철 함유 화합물을 담지 한 후에 처리해 주는 소성조건은 함침된 철 함유 화합물이 충분히 분해 되어 활성을 가지는 철 카바이드 상(phase)으로 만들어 주는 것이 중요하며, 소성 온도는 입자의 크기가 너무 커지지 않으면서도 활성을 나타낼 수 있는 300 ~ 400℃ 사이로 하며, 보다 바람직하게는 350℃ 정도가 좋다.
It is important that the sintering condition in which an iron-containing compound such as an iron hydrate salt is treated and then treated is an iron carbide phase in which the impregnated iron-containing compound is sufficiently decomposed to become active, It is preferably 300 to 400 ° C, more preferably about 350 ° C, which can exhibit activity without increasing.

본 발명에 사용되는 활성화 가스는 일산화탄소, 수소, 혼합가스(일산화탄소 + 수소)가 가능 하지만 촉매 활성화 측면에서 보다 바람직하게는 순수 일산화탄소를 사용하는 것이 좋다. 소성시간은 활성화가 충분히 가능하도록 활성화 가스를 분당 100mL 이상으로 흘려주면서 1 ~ 24시간 동안 처리해줌이 바람직하다.
The activation gas used in the present invention may be carbon monoxide, hydrogen, or a mixed gas (carbon monoxide + hydrogen), but it is more preferable to use pure carbon monoxide in terms of catalyst activation. The firing time is preferably 1 to 24 hours while allowing the activation gas to flow at least 100 mL per minute so that the activation can be sufficiently performed.

도 1은 일 실시 양태로서 Cs 첨가된 철-카바이드/활성탄 촉매의 전체적인 합성 과정을 나타낸 모식도이다. Cs가 도핑되어 있는 활성 철-카바이드 나노 입자는 활성화된 활성탄 지지체 내에 다음의 간단한 2 단계를 통해 성공적으로 삽입되었다. 즉, 수화된 철 염의 용융함침(melt infiltration)을 수행하는 제1단계와, Cs 용액의 습식 함침(wetness impregnation) 후 소성을 수행하는 제2단계를 통해 본 발명에 따른 Cs 첨가된 철-카바이드/활성탄 촉매를 제조할 수 있다.
FIG. 1 is a schematic view showing an overall synthesis process of a Cs-added iron-carbide / activated carbon catalyst as one embodiment. The active iron-carbide nanoparticles doped with Cs were successfully inserted into the activated activated carbon support through the following simple two steps. That is, the first step of performing melt infiltration of the hydrated iron salt and the second step of performing firing after wetness impregnation of the Cs solution to form the Cs-added iron-carbide / An activated carbon catalyst can be produced.

제1단계에서, Fe(NO3)3·9H2O 염을 메조다공성 활성탄과 함께 상온에서 간 다음 오븐 내에서 24시간 동안 50℃로 반응 혼합물을 숙성시킴으로써 Fe(NO3)3·9H2O 염을 메조다공성 활성탄 내에 용융 함침시킬 수 있다. 그 다음, 활성탄 내 무정형의 철 염을 CO 흐름 하에서 350℃로 열분해시킴으로써 작은 철-카바이드 나노입자로 전환시켰다. 제2단계에서, 다공성 활성탄 상에 지지된 철-카바이드 나노입자는 Cs2CO3 수용액으로 함침되고 CO 흐름 하에서 350℃로 다시 열처리됨으로써 Cs로 도핑되었다. Cs 첨가된 철-카바이드 입자 내 Cs/Fe 원자비는 Cs2CO3 수용액의 농도를 변화시켜 제어할 수 있다.
In the first step, the Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O salt is taken with the mesoporous activated carbon at room temperature and then aged in the oven at 50 ° C for 24 hours in an oven to form Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O The salt may be melt-impregnated in the mesoporous activated carbon. The amorphous iron salt in activated carbon was then converted to small iron-carbide nanoparticles by pyrolysis at 350 DEG C under CO flow. In the second step, the iron-carbide nanoparticles supported on the porous activated carbon were impregnated with a Cs 2 CO 3 aqueous solution and doped with Cs by being thermally treated again at 350 ° C under a CO flow. The Cs / Fe atomic ratio in the Cs-added iron-carbide particles can be controlled by varying the concentration of the Cs 2 CO 3 aqueous solution.

바람직하기로, 본 발명에 따른 촉매의 제조방법은 상기 단계 2 이후에 소성된 세슘이 첨가된 철-카바이드/탄소 복합 촉매를 유기용매에 넣어 패시베이션을 통해 산화를 방지하여 안정화하는 단계(단계 3)를 추가로 포함할 수 있다.
Preferably, the method for preparing a catalyst according to the present invention comprises a step (step 3) of preventing oxidation and stabilizing the cesium-added iron-carbide / carbon composite catalyst with passivation through an organic solvent after the step 2, . ≪ / RTI >

고온 활성화가스 분위기에서 활성화된 촉매의 안정화를 위한 패시베이션 과정은 외부 환원된 촉매의 추후 반응 적용에 있어 중요한 단계로서, 유기 용매를 사용하여 촉매와 산소와의 반응을 차단해주는 역할을 하게 된다.
The passivation process for stabilizing the activated catalyst in the high temperature activated gas atmosphere is an important step in the subsequent reaction application of the externally reduced catalyst and serves to block the reaction between the catalyst and oxygen by using an organic solvent.

이때 사용될 수 있는 유기 용매로는 에탄올, 미네랄 오일 등 다양한 용매를 쓸 수 있으며, 다만 촉매를 산화 및 변화 시킬 수 있는 물은 사용할 수 없다. 패시베이션은 질소나 다른 불활성(inert) 가스 분위기에서 산소에 노출 되지 않도록 촉매를 유기 용매 내에 직접 담그는 과정을 통해 수행되며, 추후 분석이나 고정층 반응기에 적용하기 위해서는 휘발이 쉬운 에탄올을 용매로 쓰는 것이 바람직하다.
As the organic solvent which can be used at this time, various solvents such as ethanol and mineral oil can be used, but water which can oxidize and change the catalyst can not be used. The passivation is carried out by immersing the catalyst directly in an organic solvent so as not to be exposed to oxygen in an atmosphere of nitrogen or other inert gas, and it is preferable to use ethanol which is easy to volatilize as a solvent for further analysis or application to a fixed bed reactor .

바람직하기로, 본 발명에 따른 촉매의 제조방법은 상기 단계 3 이후에 유기용매 중의 세슘이 첨가된 철-카바이드/탄소 복합 촉매를 회수한 후 건조시키는 단계(단계 4)를 추가로 포함할 수 있다.
Preferably, the method for preparing a catalyst according to the present invention may further comprise a step (step 4) of recovering and drying the iron-carbide / carbon composite catalyst to which cesium is added in the organic solvent after the step 3 .

유기 용매에 적셔진 철 카바이드/세슘/탄소 담지 촉매의 경우 촉매 자체가 자성을 띠기 때문에 자석을 이용하여 용매로부터 용이한 분리가 가능하며, 분리 후 진공 건조 과정을 통해 재 건조하여 바로 사용하거나 진공 포장 또는 질소 포장을 하여 보관하는 것이 바람직하다.
In the case of the iron carbide / cesium / carbon supported catalyst, which is soaked in an organic solvent, the catalyst itself is magnetic, so it can be easily separated from the solvent by using a magnet. After separation, it is dried again by vacuum drying, Or nitrogen packaged.

본 발명에서는 상기의 촉매 제조방법에 따라 제조되어 세슘과 철이 다공성 탄소 지지체에 균일하게 담지되어 활성화되고, 소성 후 형성된 철 카바이드가 해그 카바이드(

Figure 112015018869619-pat00005
)(χ-Fe5C2) 종을 포함하는 촉매 활성이 우수한 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 제공할 수 있다. 바람직하기로, 상기의 촉매 제조방법에 따라 제조된 촉매는 해그 카바이드 종이 전체 철 카바이드 종의 중량을 기준으로 바람직하기로 70 내지 100%일 수 있다.
In the present invention, cesium and iron are prepared by the above-mentioned catalyst production method and supported on the porous carbon support uniformly and activated, and the iron carbide formed after firing is activated with hag carbide
Figure 112015018869619-pat00005
) (χ-Fe 5 C 2 ) species having high catalytic activity can be provided. Preferably, the catalyst prepared according to the above catalyst preparation process can be preferably 70-100%, based on the weight of the total iron carbide species of hagkabide species.

한편, 본 발명은 상기 세슘(Cs) 첨가된 철-카바이드/다공성 탄소 지지체 촉매를 이용하여 높은 CO 전환율 및 선택성을 바탕으로 하여 효과적으로 액체 또는 고체 탄화수소를 제조할 수 있다. 즉, 세슘이 포함된 철 카바이드/탄소 복합 촉매를 피셔-트롭쉬 합성반응기에 주입한 후, 바람직하기로 활성화시킨 다음, 합성가스를 주입하면 피셔-트롭쉬 합성반응에 의해 액체 또는 고체 탄화수소가 제조될 수 있다.
On the other hand, the present invention can effectively produce liquid or solid hydrocarbons based on high CO conversion and selectivity using the cesium (Cs) added iron-carbide / porous carbon support catalyst. That is, after injecting a cesium-containing iron carbide / carbon composite catalyst into a Fischer-Tropsch synthesis reactor and then activating it preferably, a synthesis gas is injected to produce liquid or solid hydrocarbons by Fischer-Tropsch synthesis reaction .

바람직한 일 실시양태로서, 본 발명에 따른 피셔-트롭쉬 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 또는 고체 탄화수소를 제조하는 방법은 i) 상기 제1양태 또는 제2양태에 따른 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 피셔-트롭쉬 합성반응기에 적용하는 단계; 및 ii) 상기 피셔-트롭쉬 합성반응기에 합성가스를 주입하여 상기 피셔-트롭쉬 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭쉬 합성반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
As a preferred embodiment, a method for producing a liquid or solid hydrocarbon from a syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction according to the present invention comprises the steps of: i) preparing a Fischer-Tropsch synthesis catalyst according to the first or second aspect To a Fischer-Tropsch synthesis reactor; And ii) injecting a syngas into the Fischer-Tropsch synthesis reactor to perform a Fischer-Tropsch synthesis reaction with the Fischer-Tropsch synthesis catalyst.

바람직하기로, 본 발명에 따른 피셔-트롭쉬 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 또는 고체 탄화수소를 제조하는 방법은 상기 단계 i)과 단계 ii) 사이에 i-1) 상기 촉매를 환원시켜 활성화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
Preferably, a method of producing a liquid or solid hydrocarbon from a syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction according to the present invention is characterized in that i-1) between said step i) and step ii) Step < / RTI >

본 발명에 사용되는 합성가스는 일산화탄소와 수소 또는 일산화탄소와 수소에 불순물로 불활성 기체, 메탄, 이산화탄소 중 어느 하나가 혼합된 것 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 바람직하기로는, 일산화탄소와 수소를 1 : 1 ~ 2의 비율로 혼합된 것, 가장 바람직하기로는 일산화탄소와 수소를 1 : 1의 비율로 사용하는 것이 생성물의 수득율 측면에서 좋은데, 부수적으로 불순물로 이산화탄소나 메탄 또는 다른 불활성 기체가 포함될 수 있다. 상기 일산화탄소와 수소의 비율은 부피비를 의미한다. 아울러 본 발명 전체에 걸쳐서 피셔-트롭시 반응에서의 합성 가스의 비는 부피비를 의미한다.
The synthesis gas used in the present invention may be selected from among carbon monoxide, hydrogen, carbon monoxide, and hydrogen mixed with any one of inert gas, methane and carbon dioxide as impurities. Preferably, carbon monoxide and hydrogen are mixed in a ratio of 1: 1 to 2, most preferably, carbon monoxide and hydrogen are used in a ratio of 1: 1 in terms of the yield of the product. Incidentally, Methane or other inert gas may be included. The ratio of carbon monoxide to hydrogen means the volume ratio. In addition, the ratio of syngas in the Fischer-Tropsch reaction throughout the present invention means the volume ratio.

또한 합성가스는 바람직하기로 공간속도가 6.0 ~ 24.0 NL/gcat/hr인 범위 내에서 주입될 수 있다. 상기 공간속도 보다 미만일 경우에도 반응 진행에는 큰 무리가 없으나 액체탄화수소의 단위시간당 생산성이 낮은 문제가 발생하며 상기 공간속도 보다 많은 합성가스를 주입할 경우 일산화탄소의 전환율이 감소할 수 있다.
The syngas can also be injected preferably within a range of space velocities of 6.0 to 24.0 NL / g cat / hr. Even if the space velocity is less than the space velocity, there is no problem in the reaction progress, but the productivity of the liquid hydrocarbon is low, and the conversion rate of carbon monoxide can be reduced when the synthesis gas is injected at a rate higher than the space velocity.

상기 단계 ii)에서 반응온도는 250 ~ 350℃에서 진행이 가능하나 일산화탄소의 전환율을 높이고 액체탄화수소의 수득률을 늘리기 위해 300 ~ 350℃ 사이에서 진행하는 것이 바람직하다.
In the step ii), the reaction temperature may be 250-350 ° C., but it is preferable to increase the conversion of carbon monoxide and increase the yield of liquid hydrocarbons to 300-350 ° C.

상기 단계 ii)에서 반응압력은 일산화탄소의 전환율을 높이고 액체탄화수소의 수득률을 늘리기 위해 바람직하기로 10 내지 30 bar, 가장 바람직하기로 15 bar일 수 있다.
The reaction pressure in step ii) above may preferably be 10 to 30 bar, most preferably 15 bar, in order to increase the conversion of carbon monoxide and increase the yield of liquid hydrocarbons.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 세슘이 첨가된 철-카바이드/다공성 탄소 지지체 촉매는 피셔-트롭쉬 합성반응시, 300℃ 이상의 고온 조건에서 일산화탄소의 전환율이 높고, 메탄의 생성도는 낮으면서도 C5 + 이상의 액체탄화수소의 선택도를 증가 시킬 수 있는 장점을 가지므로 고온 피셔-트롭쉬 반응의 우수한 촉매로서 상용 공정까지 적용될 수 있다. 또한, Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 나노촉매는 고온 FT 합성에서 액체 오일의 지속적인 생산을 가능하게 하는 상업적으로 이용가능한 촉매 플랫폼의 역할을 할 수 있다.
As described above, the cesium-added iron-carbide / porous carbon support catalyst according to the present invention has a high conversion of carbon monoxide at a high temperature of 300 ° C or higher in the Fischer-Tropsch synthesis reaction, 5 + or more liquid hydrocarbons, it can be applied to commercial processes as an excellent catalyst for high temperature Fischer-Tropsch reaction. In addition, the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon nanocatalyst can serve as a commercially available catalyst platform enabling the continuous production of liquid oils in high temperature FT synthesis.

본 발명은 다공성 탄소 지지체에 활성을 띠는 세슘 함유 철-카바이드 입자가 담지된 FT 합성용 고활성 철-카바이드/세슘/탄소계 복합촉매를 제공할 수 있으며, 또한 FT 합성용 고활성 철-카바이드/세슘/탄소계 복합촉매를 제조하는 과정에서 용융함침법과 활성화가스 분위기 중에서의 외부활성화 과정 및 세슘염의 습식 담지법을 혼용 사용하여 대량으로 활성 철-카바이드 촉매를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a highly active iron-carbide / cesium / carbon-based composite catalyst for FT synthesis carrying cesium-containing iron-carbide particles activated on a porous carbon support, and also can provide a high activity iron- It is possible to provide a method for producing an active iron-carbide catalyst in a large amount by using a melt impregnation method, an external activation process in an activated gas atmosphere, and a wetting method of a cesium salt in a process of producing a cesium / have.

본 발명에 의해 제공되는 FT 합성용 고활성 철-카바이드/세슘/탄소계 복합촉매는 300℃ 이상의 고온 FT 반응에서도 구조적으로 열에 안정하며 선택적으로 액체 탄화 수소를 높은 수득율로 얻을 수 있는 장점을 갖는다.
The high activity iron-carbide / cesium / carbon composite catalyst for FT synthesis provided by the present invention is structurally stable to heat even at a high temperature FT reaction of 300 ° C or higher and has the advantage of selectively obtaining liquid hydrocarbons with high yield.

도 1은 Cs 첨가된 철-카바이드/활성탄 나노촉매의 전체적인 합성 과정을 나타낸 모식도이다.
도 2는 Cs/Fe = 0.025로 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 TEM(a) 및 HADDF-STEM(b) 이미지, 상응하는 FT 패턴(c의 삽입도)과 함께 나타낸 Cs 첨가된 Fe5C2 단일 입자의 HRTEM 이미지(c), Cs/Fe=0.050로 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 TEM 이미지(d), 및 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 XRD 스펙트럼(e)이다. 이때, 바는 50 nm (a,d), 20 nm (b), 및 5 nm (c)를 나타낸다.
도 3은 Cs/Fe = 0.025 (a,b) 및 Cs/Fe = 0.050 (c,d)인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄의 TEM 이미지 및 입자 크기 분포도이다. 이때 각 샘플 당 200개 이상의 입자를 계측하였다. 바(a,c)는 20 nm를 나타낸다.
도 4는 Cs/Fe = 0.025인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 XPS 스펙트럼이다.
도 5는 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 (a) N2 흡착/탈착 등온선 및 (b) 기공 크기 분포 다이아그램이다.
도 6은 Cs/Fe = 0.025 (a) 및 Cs/Fe = 0.050 (b)인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 CO 전환율 그래프이다.
도 7은 Cs/Fe = 0.025 (a) 및 Cs/Fe = 0.050 (b)인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 CO2 및 탄화수소 생성물 선택성 그래프이다.
도 8은 고온 FT 합성에서 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 촉매 성능을 나타내는 그래프이다.
도 9는 탄화수소 생성물 분포 (a), 및 C5 + 탄화수소 및 사슬 성장 가능성의 ASF 플롯(b)이다.
도 10은 탄화수소 생성물 분포도이다. 각 샘플의 탄화수소 분포(wt%)는 가스 생성물 (C1-C4)의 GC 분석 및 분리된 액체 및 고체 생성물의 SIMDIS 분석으로부터 계산된다.
FIG. 1 is a schematic view showing the overall synthesis process of Cs-added iron-carbide / activated carbon nanocatalyst.
Figure 2 shows TEM (a) and HADDF-STEM (b) images of a Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst with Cs / Fe = 0.025 and a Cs added Fe 5 C 2 XRD spectrum of a single HRTEM images of the particles (c), Cs / Fe = 0.050 Cs added Fe to 5 C 2 / activated carbon catalyst of the TEM image (d), and Cs doped Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst ( e). At this time, the bars represent 50 nm (a, d), 20 nm (b), and 5 nm (c).
3 is a TEM image and particle size distribution diagram of Cs added Fe 5 C 2 / activated carbon with Cs / Fe = 0.025 (a, b) and Cs / Fe = 0.050 (c, d). At this time, more than 200 particles per sample were measured. Bar (a, c) represents 20 nm.
4 is an XPS spectrum of a Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst having Cs / Fe = 0.025.
FIG. 5 is (a) N 2 adsorption / desorption isotherm and (b) pore size distribution diagram of Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst.
6 is a graph of the CO conversion of Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst with Cs / Fe = 0.025 (a) and Cs / Fe = 0.050 (b).
7 is a graph of CO 2 and hydrocarbon product selectivity of Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst with Cs / Fe = 0.025 (a) and Cs / Fe = 0.050 (b)
8 is a graph showing the catalytic performance of Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst added with Cs in high temperature FT synthesis.
Figure 9 is a hydrocarbon product distribution (a), and an ASF plot (b) of C 5 + hydrocarbon and chain growth potential.
10 is a hydrocarbon product distribution diagram. The hydrocarbon distribution (wt%) of each sample is calculated from the GC analysis of the gaseous product (C 1 -C 4 ) and the SIMDIS analysis of the separated liquid and solid product.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 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. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1: 세슘( 1: Cesium ( CsCs ) 첨가된 ) Added FeFe 55 CC 22 /활성탄 촉매 제조/ Activated carbon catalyst production

먼저, 4.6 mmol의 Fe(NO3)3·9H2O (Sigma-Aldrich, ACS reagent, ≥98%)를 1.0 g의 상용 activated charcoal (Sigma-Aldrich, -100 mesh particle size)과 함께 막자사발에 넣고 분말이 균일하게 검정색이 될 때까지 대기 조건 하에서 수분 동안 충분히 막자로 갈아 주었다.First, 4.6 mmol of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O (Sigma-Aldrich, ACS reagent, ≥98%) was added to 1.0 g of commercially activated charcoal (Sigma-Aldrich, -100 mesh particle size) And the mixture was poured into a pest for several minutes under atmospheric conditions until the powder became uniformly black.

충분히 균일하게 될 때까지 갈아준 다음, 검정색의 혼성 분말(powder)를 폴리프로필렌(polypropylene) 용기에 담은 후 용기의 마개를 꽉 조인 후 50℃로 온도가 설정된 건조 오븐에 넣고 24시간 동안 보관하였다. 24시간 동안의 숙성 이후에 혼성 분말을 상온으로 냉각시키고, 튜브 타입 퍼니스 내 알루미나 보트(boat)에 넣었다. 최종적으로, 상기에서 얻은 철이 함유된 활성탄 분말을 소성 오븐을 이용하여 일산화탄소 가스 분위기 하(상압, 유속 200 mL/min)에서 350℃까지 2.7 ℃/min의 승온 속도로 서서히 가열한 다음, 지속적인 일산화탄소 가스 분위기 하에서 4시간 동안 350℃에서 열처리하였다. 열처리 후, 생성된 검정색 분말을 상온으로 냉각시킨 다음, 500 mL/min의 N2 흐름 하에서 20 mL의 무수 에탄올에 침지시켰다. 상기 침지된 Fe/C 분말을 자석을 사용하여 간단히 분리시키고 50℃의 진공 오븐에서 완전히 건조시켰다.The mixture was stirred until it became sufficiently homogeneous. Then, black powder mixed with polypropylene was tightly tightened. The container was placed in a drying oven set at 50 ° C and stored for 24 hours. After aging for 24 hours, the mixed powder was cooled to room temperature and placed in an alumina boat in a tube-type furnace. Finally, the activated carbon powder containing iron obtained above was slowly heated in a firing oven at a rate of 2.7 DEG C / min up to 350 DEG C under a carbon monoxide gas atmosphere (normal pressure, flow rate of 200 mL / min) Lt; RTI ID = 0.0 > 350 C < / RTI > for 4 hours. After the heat treatment, the resulting black powder was cooled to room temperature and then immersed in 20 mL of anhydrous ethanol under an N 2 flow of 500 mL / min. The immersed Fe / C powder was simply separated using a magnet and completely dried in a vacuum oven at 50 ° C.

그 다음, 증류수에 용해시킨 Cs2CO3 (Aldrich, ReagentPlus, 99%)를 상기 건조된 Fe/C 분말 상에 초기 습식 방법(incipient wetness method)으로 함침시켰다. 각각 0.057 mmol 및 0.114 mmol의 Cs2CO3 염을 사용하여 몰 기준으로 Cs/Fe=0.025 및 Cs/Fe=0.050의 비율로 Cs 첨가된 Fe5C2 촉매를 제조하였다. Cs-첨가된 샘플을 200 mL/min의 지속적인 CO 흐름 하에서 4 시간 동안 350℃에서 다시 열처리하였다. 그 다음, 생성된 분말을 상온으로 냉각시키고 N2 흐름 하에 무수 에탄올 중에 다시 침지시켰다. 마지막으로, 분말을 분리하여 50℃의 진공 오븐에서 건조시켰다.
Cs 2 CO 3 (Aldrich, ReagentPlus, 99%) dissolved in distilled water was then impregnated onto the dried Fe / C powder by an incipient wetness method. 0.057 mmol and 0.114 mmol of Cs 2 CO 3 salt were used to prepare Fe 5 C 2 catalyst added with Cs at a ratio of Cs / Fe = 0.025 and Cs / Fe = 0.050 on a molar basis. The Cs-added sample was reheated at 350 < 0 > C for 4 hours under continuous CO flow of 200 mL / min. Then, cooling the resulting powder to room temperature and was then immersed in absolute ethanol under N 2 flow. Finally, the powder was separated and dried in a vacuum oven at 50 ° C.

실험예Experimental Example 1: 세슘( 1: Cesium ( CsCs ) 첨가된 ) Added FeFe 55 CC 22 /활성탄 촉매 특성 분석/ Characterization of Activated Carbon Catalysts

상기 실시예 1에서 얻은 샘플을 HRTEM (Tecnai G2 F30 operated at 300 kV, KAIST)을 이용하여 분석하였다. TEM 분석을 위하여, 폼바-탄소 구리 그리드(formvar-carbon copper grid) (Ted Pellar, Inc) 상에 해당 콜로이드 용액을 몇 방울 떨어뜨려 샘플을 준비하였다. 또한 분석을 위하여 고출력 분말-XRD (High power powder-XRD, Rigaku D/MAX-2500, 18kW)를 사용하였다.The sample obtained in Example 1 was analyzed using HRTEM (Tecnai G2 F30 operated at 300 kV, KAIST). For TEM analysis, a sample was prepared by dropping a few drops of the corresponding colloidal solution on a formvar-carbon copper grid (Ted Pellar, Inc). For analysis, high power powder-XRD (Rigaku D / MAX-2500, 18 kW) was used.

그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.The results are shown in Fig. 2 and Fig.

도 2는 Cs/Fe 원자비 = 0.025로 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 TEM(a) 및 HADDF-STEM(b) 이미지, 상응하는 FT 패턴(c의 삽입도)과 함께 나타낸 Cs 첨가된 Fe5C2 단일 입자의 HRTEM 이미지(c), Cs/Fe=0.050로 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 TEM 이미지(d), 및 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 XRD 스펙트럼(e)이다. 이때, 바는 50 nm (a,d), 20 nm (b), 및 5 nm (c)를 나타낸다.Figure 2 shows the TEM (a) and HADDF-STEM (b) images of Fe 5 C 2 / activated carbon catalysts with Cs / Fe atomic ratios of 0.025 and the Cs addition shown with the corresponding FT pattern the Fe 5 C 2 XRD of the HRTEM image (c), Cs / Fe = the Cs was added as 0.050 Fe 5 C 2 / TEM images of the activated carbon catalyst (d), and Cs doped Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst in a single particle Spectrum (e). At this time, the bars represent 50 nm (a, d), 20 nm (b), and 5 nm (c).

도 3은 Cs/Fe = 0.025 (a,b) 및 Cs/Fe = 0.050 (c,d)인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄의 TEM 이미지 및 입자 크기 분포도이다. 이때 각 샘플 당 200개 이상의 입자를 계측하였다. 바(a,c)는 20 nm를 나타낸다.3 is a TEM image and particle size distribution diagram of Cs added Fe 5 C 2 / activated carbon with Cs / Fe = 0.025 (a, b) and Cs / Fe = 0.050 (c, d). At this time, more than 200 particles per sample were measured. Bar (a, c) represents 20 nm.

도 2a 및 도 3a를 통해, 작은 철-카바이드 나노 입자가 활성탄 지지체 내에 잘 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 이들 나노 입자들은 평균 입자 크기가 8.5±1.4 nm인 것으로 관찰되었다(도 3b). HAADF-STEM (high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy) 이미지는 각각 철-카바이드 나노 입자와 탄소 지지 구조체를 나타내는 밝은 스팟과 상대적으로 어두운 영역을 보여준다(도 2b). High-resolution TEM (HRTEM) 및 상응하는 푸리에-변환 패턴 분석을 통해, 최종적인 Cs 첨가된 철-카바이드 입자가 구 형태를 가지며, 이웃하는 경계선 간에 0.208 nm의 거리를 가지는 단 결정(single crystal)이고, 철-카바이드의 (021) plane과 잘 매치됨을 알 수 있다(도 2c).It can be seen from FIGS. 2A and 3A that the small iron-carbide nanoparticles are well dispersed in the activated carbon support. These nanoparticles were observed to have an average particle size of 8.5 +/- 1.4 nm (Figure 3b). High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) images show bright spots and relatively dark areas representing iron-carbide nanoparticles and carbon support structures, respectively (FIG. Through high-resolution TEM (HRTEM) and corresponding Fourier-transform pattern analysis, the final Cs-added iron-carbide particles were spherical in shape, single crystal with a distance of 0.208 nm between neighboring boundaries , And the (021) plane of the iron-carbide (FIG. 2C).

Cs/Fe 원자비가 0.050인 Cs 첨가된 철-카바이드 입자는 약간 불규칙적이고 큰 입자 크기를 보였으며, 평균 입자 크기가 13.8±2.8 nm인 것으로 측정되었다 (도 2d, 도 3c-d). 2θ = 43-45°에서 넓은 피크를 나타내는 X-선 회절 (XRD) 스펙트럼은 Cs/Fe=0.025 및 Cs/Fe=0.050 둘다에서 Cs 첨가된 철-카바이드 입자가 2개의 단사정계

Figure 112015018869619-pat00006
(χ-Fe5C2) 상과 매치됨을 보여주었다 (도 2e, JCPDS No. 36-1248 및 No. 51-0997). 2θ = 26.5°의 날카로운 피크는 활성화된 활성탄의 결정질 탄소 구조에 해당한다 (JCPDS No. 26-1077). XRD 스펙트럼에서, 임의의 결정질 세슘 화합물에 관련된 유의적인 피크는 관찰되지 않았다.
The Cs-added iron-carbide particles with a Cs / Fe atomic ratio of 0.050 were slightly irregular and showed a large particle size and an average particle size of 13.8. + -. 2.8 nm (FIGS. 2d and 3c-d). 2 X-ray diffraction (XRD) spectrum showing broad peaks at ? = 43-45 ° shows that the Cs-added iron-carbide particles in both Cs / Fe = 0.025 and Cs / Fe =
Figure 112015018869619-pat00006
(χ-Fe 5 C 2 ) phase (FIG. 2e, JCPDS No. 36-1248 and No. 51-0997). 2 A sharp peak at θ = 26.5 ° corresponds to the crystalline carbon structure of activated carbon (JCPDS No. 26-1077). In the XRD spectrum, no significant peak related to any crystalline cesium compound was observed.

한편, 단색 Al Kα 광원을 구비한 Thermo VG Multilab 2000 분광기를 사용하여 X-선 광전자 분광학 (XPS) 분석을 수행하였다. N2 흡착 등온선은 TriStar II 3020 표면적 분석기로 77 K(-196℃)에서 측정하였다. 측정 전에, 샘플을 4 시간 동안 300℃ 진공에서 탈기시켰다.On the other hand, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis was performed using a Thermo VG Multilab 2000 spectrometer equipped with a monochromatic Al K? Light source. N 2 adsorption isotherms were measured at 77 K (-196 ° C) with a TriStar II 3020 surface area analyzer. Prior to measurement, the sample was degassed in a vacuum of 300 DEG C for 4 hours.

상기와 같이 Cs 첨가된 Fe5C2 입자의 표면 상태를 확인하기 위하여, Fe 및 Cs의 코어-레벨 X-선 광전자 분광학 (core-level X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 스펙트럼을 측정하였다. Fe 및 Cs 밴드의 에너지 영역(energy region)의 XPS 스펙트럼은 2 세트의 지정된(assigned) 날카로운 피크, 즉 707.9 eV 및 721.0 eV의 철 카바이드 (Fe(0)) 피크와 725.7 및 739.5 eV의 세슘 (Cs(0)) 피크를 나타내었다 (도 4). 710.8 eV의 또 다른 약한 피크는 샘플링 과정 중에 Fe5C2의 약간 산화된 표면으로부터 산화철 상 (Fe(3+))이 기인함을 보여주었다.Core-level X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra of Fe and Cs were measured to confirm the surface state of the Cs-added Fe 5 C 2 particles as described above. The XPS spectrum of the energy region of the Fe and Cs bands shows two sets of assigned sharp peaks, namely iron carbide (Fe (0)) peaks at 707.9 eV and 721.0 eV and cesium at 725.7 and 739.5 eV (0)) peak (Fig. 4). Another weak peak at 710.8 eV showed that the iron oxide phase (Fe (3+)) was due to the slightly oxidized surface of Fe 5 C 2 during the sampling process.

Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 모든 Fe 담지량은 열분해 후 질산철 염으로부터 전환된 Fe에 기초하여 대략 20 wt%인 것으로 계산되었고 확인되었다. Fe5C2, Cs 및 활성탄을 합한 전체 촉매 중량 중 Cs 함량은 탄산세슘 전구체로부터 전환된 Cs에 기초하여 Cs/Fe=0.025에서 대략 1wt%이고 Cs/Fe=0.050에서 2wt%인 것으로 계산되었고 확인되었다. Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매에 대한 77 K에서의 N2 흡착 실험은 0.5의 상대 압력에서 지연된 모세관 증발이 일어나는 타입 IV 흡착-탈착 히스테리시스(hysteresis)를 나타내었다 (도 5a). Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 표면적은 Cs/Fe=0.025에서 541.1 ㎡/g이고 Cs/Fe=0.050에서 516.2 ㎡/g인 것으로 계산되었고 확인되었다. 또한, 전체 기공 부피는 Cs/Fe=0.025에서 0.42 ㎤/g이고 Cs/Fe=0.050에서 0.37 ㎤/g인 것으로 측정되었다. Cs/Fe=0.050에서 BET 표면적과 기공 부피가 약간 감소하는 것은 주로 Cs/Fe=0.025 (8.5 nm)일 때보다 Fe5C2 입자 크기가 13.8 nm으로 더욱 커졌기 때문일 수 있다. 탈착 분지선(desorption branch)에 대한 BJH (Barrett-Joyner-Halenda) 법을 사용하여, Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 작은 기공 크기가 3.8 nm 인 것을 확인하였다 (도 5b).
All Fe loading of Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst was calculated and confirmed to be approximately 20 wt% based on Fe converted from iron nitrate after pyrolysis. The Cs content of the total catalyst weight combined Fe 5 C 2 , Cs and activated carbon was calculated to be about 1 wt% at Cs / Fe = 0.025 and 2 wt% at Cs / Fe = 0.050 based on Cs converted from cesium carbonate precursor, . N 2 adsorption experiments at 77 K on Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalysts showed type IV adsorption-desorption hysteresis with delayed capillary evaporation at a relative pressure of 0.5 (FIG. 5A). The BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area of the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst was calculated to be 541.1 m 2 / g at Cs / Fe = 0.025 and 516.2 m 2 / g at Cs / Fe = 0.050. Also, the total pore volume was measured to be 0.42 cm 3 / g at Cs / Fe = 0.025 and 0.37 cm 3 / g at Cs / Fe = 0.050. The slight decrease in the BET surface area and pore volume at Cs / Fe = 0.050 may be due to the fact that the Fe 5 C 2 particle size is larger at 13.8 nm than at Cs / Fe = 0.025 (8.5 nm). Using the BJH (Barrett-Joyner-Halenda) method for the desorption branch, it was confirmed that the small pore size of the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst was 3.8 nm (FIG.

실시예Example 2: 세슘( 2: Cesium ( CsCs ) 첨가된 ) Added FeFe 55 CC 22 /활성탄 촉매를 이용한 고온 피셔-/ High Temperature Fisher with Activated Carbon Catalyst - 트롭쉬Tropsch 반응 reaction

피셔-트롭쉬 (FT) 반응은 내부 직경이 5 mm이고 길이가 180 mm인 고정층 스테인리스 스틸 반응기(fixed-bed stainless steel reactor)에서 수행하였다. 촉매 0.3g을 핫-스팟 생성을 억제하기 위하여 유리 비드 (3.5 g, 425~600 mm size)와 함께 희석시킨 다음 고정층 반응기에 넣었다. 촉매는 4 시간 동안 350℃에서 40 mL/min의 CO 흐름 하에서 인시츄로 재활성화시켰다. 그 다음, 합성가스 (H2/CO = 1.0, GHSV=8.0 NL·gcat -1·h-1)를 사용하여 320℃ 및 15 bar에서 90 시간 동안 FT 반응을 수행하였다. 출구 가스의 유속은 습식 가스 유량계(wet-gas flow meter, Shinagawa Co.)로 측정하였으며, 가스는 분자체와 플롯 Q 컬럼이 장착된 온라인 가스 크로마토그래프 (Agilent, 3000A Micro-GC)를 사용하여 분석하였다. 90 시간 동안 FT 합성 반응을 수행한 후에, 고체 탄화수소 생성물은 230℃의 핫 트랩에서 수집하고, 액체 탄화수소 생성물과 물은 0℃의 콜드 트랩에서 수집하였다. 왁스 및 액상 오일의 조성은 모의 증류 방법 (simulated distillation method, ASTM D2887)을 이용하여 오프라인 GC (Agilent, 6890 N)로 분석하였다.
The Fischer-Tropsch (FT) reaction was carried out in a fixed-bed stainless steel reactor with an internal diameter of 5 mm and a length of 180 mm. 0.3 g of the catalyst was diluted with glass beads (3.5 g, 425-600 mm size) to inhibit hot spot formation and then placed in a fixed bed reactor. The catalyst was reactivated in situ under a CO flow of 40 mL / min at 350 < 0 > C for 4 hours. The FT reaction was then carried out at 320 ° C and 15 bar for 90 hours using syngas (H 2 / CO = 1.0, GHSV = 8.0 NL · g cat -1 · h -1 ). The flow rate of the outlet gas was measured with a wet-gas flow meter (Shinagawa Co.) and the gas was analyzed using an on-line gas chromatograph equipped with a molecular sieve and a Plot Q column (Agilent, 3000A Micro-GC) Respectively. After performing the FT synthesis reaction for 90 hours, the solid hydrocarbon product was collected in a hot trap at 230 ° C, and the liquid hydrocarbon product and water were collected in a cold trap at 0 ° C. The composition of wax and liquid oil was analyzed by offline GC (Agilent, 6890 N) using the simulated distillation method (ASTM D2887).

상기한 바와 같이 고온 FT 합성을 15 bar, 320℃, H2/CO = 1에서 수행하고, Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 CO 전환율 및 선택성을 90시간 동안 반응 스트림 상에서 측정하였다. 결과는 미반응된 CO, H2, CH4, C2-C4 탄화수소 및 CO2를 포함하는 출구 가스의 가스 크로마토그래피 (GC) 분석을 통해 얻었다. 콜드 트랩 내에서 얻은 액체 탄화수소 및 핫 트랩 내에서 얻은 고체 탄화수소는 상기한 바와 같이 모의 증류 방법 (SIMDIS)으로 분석하였다.
As described above, the high temperature FT synthesis was carried out at 15 bar, 320 ° C, H 2 / CO = 1 and the CO conversion and selectivity of the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst were measured over the reaction stream for 90 hours. The results were obtained by gas chromatography (GC) analysis of the exit gas containing unreacted CO, H 2 , CH 4 , C 2 -C 4 hydrocarbons and CO 2 . The liquid hydrocarbons obtained in the cold trap and the solid hydrocarbons obtained in the hot trap were analyzed by a simulated distillation method (SIMDIS) as described above.

탄화수소 형성은 FT 합성에 의해 하기와 같이 진행된다.
Hydrocarbon formation proceeds as follows by FT synthesis.

nCO + (2n+1)H2 → CnH2n +2 + nH2O : 파라핀nCO + (2n + 1) H 2 ? C n H 2n + 2 + n H 2 O: paraffin

nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O : 올레핀
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O: olefin

또한, CO2가 하기와 같이 동반되는 WGS 반응에 의해 생성될 수 있다.
In addition, CO 2 can be produced by the accompanying WGS reaction as follows.

CO + H2O → CO2 + H2
CO + H 2 O? CO 2 + H 2

도 6을 통해, CO 전환율이 반응 12시간 이내에 빠르게 안정-상태에 도달함을 알 수 있다. 모든 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매가 비활성화되지 않고 매우 높은 전체 CO 전환율을 보였다. 구체적으로, Cs/Fe=0.025에서 96.9%, Cs/Fe=0.050에서 95.5%의 전체 CO 전환율을 보였다. 다른 한편으로, 첨가제가 없는(promoter-free) Fe5C2/활성탄 촉매는 FT 반응 중에 90.8%의 상대적으로 낮은 CO 전환율을 보이고 매우 긴 반응도입 기간 (~66 h)을 나타내었다. 90 시간의 TOS (time-on-stream)에 대한 CO로부터 HC, 및 CO로부터 CO2의 전환율은 각각 Cs/Fe=0.025에서 56.4% 및 40.5%이고(도 6a), Cs/Fe=0.050에서 58.7% 및 36.8%(도 6b)인 것으로 관찰되었다.
6, it can be seen that the CO conversion quickly reached a steady-state within 12 hours of the reaction. All Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalysts showed very high total CO conversion without deactivation. Specifically, the total CO conversion was 96.9% at Cs / Fe = 0.025 and 95.5% at Cs / Fe = 0.050. On the other hand, the promoter-free Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst showed a relatively low CO conversion of 90.8% during the FT reaction and a very long reaction induction period (~66 h). The conversion of CO to HC and CO to CO 2 for 90 hours of time-on-stream was 56.4% and 40.5% at Cs / Fe = 0.025, respectively (Fig. 6a) % And 36.8% (Fig. 6b).

선택성 데이터에서, Cs/Fe=0.025의 그래프는 TOS 90 h에서 CH4 (8.3%), C2-C4 (16.9%), 및 C5 + (33.1%)의 선택성을 보여주었다 (도 7a). 다른 한편으로, Cs/Fe=0.050에서는 더욱 낮은 CH4 선택성 (6.2%) 및 더욱 높은 C5 + 선택성 (38.2%)을 나타내었다 (도 7b). Cs/Fe=0.050에서 나타나는 무거운 탄화수소에 대한 더욱 높은 선택성은 주로 촉매의 더욱 높은 표면 염기도(surface basicity)에서 기인한 것일 수 있다. Cs/Fe 원자비에 의해 제어되는 표면 염기도는 CO의 해리성 흡착과 H2의 흡착에 영향을 주어 목적하는 탄화수소 생성물에 대한 선택성을 변화시킬 수 있다.
In the selectivity data, the graph of Cs / Fe = 0.025 shows that at TOS 90 h CH 4 (8.3%), C 2 -C 4 (16.9%), and C 5 + (33.1%) (Fig. 7A). On the other hand, Cs / Fe = 0.050 shown in the lower CH 4 selectivity (6.2%) and higher C 5 + selectivity (38.2%) (Fig. 7b). The higher selectivity for heavier hydrocarbons appearing at Cs / Fe = 0.050 may be mainly due to the higher surface basicity of the catalyst. The surface basicity controlled by the Cs / Fe atomic ratio can affect the dissociative adsorption of CO and the adsorption of H 2 to change the selectivity to the desired hydrocarbon product.

촉매 활성은, FT 반응 중 촉매의 CO 전환율 및 탄화수소 선택성을 반영하는, FTY (iron-time-yield), 즉 초당(per second) 철의 그램 당 탄화수소로 전환된 CO 몰수로서 기록되었다(도 8). Cs/Fe=0.050에서 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매는 Cs/Fe=0.025인 경우(1.398×10-4 molCO·gFe -1·s-1)보다 약간 더 높은 1.454×10-4 molCO·gFe -1·s-1의 FTY 값을 나타내었다. 이는 Cs/Fe=0.050인 경우에 CO로부터 CO2로의 선택성이 38.6%으로서, Cs/Fe=0.025에서의 40.4%보다 더 낮기 때문이다.
The catalytic activity was recorded as CO moles converted to hydrocarbons per gram of iron per second (FTY), ie, per second, reflecting CO conversion and hydrocarbon selectivity of the catalyst during the FT reaction (Figure 8) . If the Cs / Cs = Fe the Fe 5 C 2 / active carbon catalyst is added at 0.050 Cs / Fe = 0.025 1.454 × 10 slightly higher than (1.398 × 10 -4 mol CO · g Fe -1 · s -1) - And an FTY value of 4 mol CO · g Fe -1 · s -1 . This is because the selectivity from CO to CO 2 is 38.6% when Cs / Fe = 0.050 is lower than 40.4% at Cs / Fe = 0.025.

Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 FTY, 액체 및 고체 탄화수소 생산성을 하기 표 1에 나타내었다.The productivity of FTY, liquid and solid hydrocarbons of Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalysts is shown in Table 1 below.

Cs/Fe=0.025Cs / Fe = 0.025 Cs/Fe=0.050Cs / Fe = 0.050 FTY (10-4 molCO·gFe -1·s-1)FTY (10 -4 mol CO · g Fe -1 · s -1 ) 1.3981.398 1.4541.454 액체 오일 생산성(gliq·gcat -1·h-1)Liquid oil productivity (g liq · g cat -1 · h -1 ) 0.4010.401 0.2960.296 고체 왁스 생산성(gsol·gcat -1·h-1)Solid wax productivity (g sol · g cat -1 · h -1 ) 0.0260.026 0.1640.164 [주] gcat은 Fe와 활성탄 지지체의 중량 합계이고, gliq 및 gsol은 각각 반응 후 분리된 액체 오일 및 고체 왁스의 중량을 나타냄.[Note] g cat is the total weight of Fe and activated carbon support, g liq and g sol are the weight of liquid oil and solid wax separated after reaction, respectively.

흥미롭게도, Cs/Fe=0.025인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매는 Cs/Fe=0.050인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매(0.296 gliq·gcat -1·h-1) 보다 90 시간 동안 FT 반응 이후 0.401 gliq·gcat -1·h-1의 매우 높은 액체 오일 생산성을 나타내었다(표 1). 반대로, Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 고체 왁스 생산성은 높은 액체 오일 생산성에 비해 매우 낮았다. 구체적으로, Cs/Fe=0.025에서는 0.026 gsol·gcat -1·h- 1으로 나타나, 0.164 gsol·gcat -1·h-1을 나타내는 Cs/Fe=0.050 경우보다 훨씬 더 낮은 값을 보였다.
Interestingly, the Cs / Fe = 0.025 Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst has a Cs / Fe = 0.050 Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst (0.296 g liq · g cat -1 · h -1 ) After 90 hours of FT reaction, it showed very high liquid oil productivity of 0.401 g liq · g cat -1 · h -1 (Table 1). Conversely, the solid wax productivity of the Cs-added Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst was very low compared to the high liquid oil productivity. Specifically, Cs / Fe = 0.025 In 0.026 g sol · g cat -1 · h - indicated by 1, a much lower value than Cs / Fe = 0.050 representing 0.164 g sol · g cat -1 · h -1 It looked.

상기한 바와 같이, 액체 및 고체 탄화수소의 상세한 조성을 ASTM D2887로 분석한 결과를 도 9a에 나타내었다. 탄화수소의 사슬 성장 가능성 (α)은 하기 수학식의 ASF (Anderson-Schulz-Flory) 사슬 성장 메커니즘을 사용하여 계산하였다(도 9b).As described above, the detailed composition of the liquid and solid hydrocarbons was analyzed by ASTM D2887, and the result is shown in FIG. 9A. The chain growth potential (α) of the hydrocarbons was calculated using the ASF (Anderson-Schulz-Flory) chain growth mechanism of the following equation (FIG.

[수학식 1][Equation 1]

log(Wn/n) = log(ln2α) + n·logα log (W n / n) = log (ln 2 α) + n · logα

상기 식에서, Wn은 탄소수 n을 갖는 탄화수소의 중량 분율(weight fraction)이다.
Where W n is the weight fraction of hydrocarbon having n carbon atoms.

2개의 α 값 (C5 내지 C18의 α1 및 C19 내지 C4의 α2)은 2개의 선형 회귀에 의해 피팅된 그래프의 기울기에 의해 얻어졌다. Cs/Fe=0.025에서의 0.744 및 Cs/Fe=0.050에서의 0.762의 낮은 값, 및 Cs/Fe=0.025에서의 0.852 및 Cs/Fe=0.050에서의 0.877의 높은 값은 각각 촉매의 Cs-결핍 위치 및 Cs-풍부 위치로 인한 것이다. Cs/Fe=0.050에서의 α 값 (α1 = 0.762 및 α2 = 0.877)이 Cs/Fe=0.025에서의 α 값보다 더욱 높았다. 이는 더욱 큰 Cs가 도핑된 Fe5C2 표면이 FT 합성 중 탄소 사슬의 성장을 위한 더욱 유리한 조건을 제공할 수 있음을 나타낸다.
Two α value (the C 5 to C 18 of the α 1 and C 19 to C 4 α 2) was obtained by fitting the slope of the graph by means of two linear regression. The high values of 0.744 at Cs / Fe = 0.025 and 0.762 at Cs / Fe = 0.050 and 0.852 at Cs / Fe = 0.025 and 0.877 at Cs / Fe = And Cs-enriched position. (? 1 = 0.762 and? 2 = 0.877) at Cs / Fe = 0.050 were higher than the? Value at Cs / Fe = 0.025. This indicates that a larger Cs doped Fe 5 C 2 surface can provide a more favorable condition for growth of carbon chains during FT synthesis.

가스상 탄화수소 생성물 (C1-C4 가스)에 대하여, 탄화수소 생성물 수율 (초당 철의 그램 당 생성된 탄화수소의 그램)을 계산하여 하기 표 2에 나타내었다.The yield of hydrocarbon products (grams of hydrocarbons produced per gram of iron per second) for the gaseous hydrocarbon product (C 1 -C 4 gas) is shown in Table 2 below.

촉매catalyst 가스 생성물 수율 (10-4 gHC·gFe -1·s-1)Gas product yield (10 -4 g HC · g Fe -1 s -1 ) CH4 CH 4 C2-C4 올레핀C 2 -C 4 olefins C2-C4 파라핀C 2 -C 4 paraffin 전체all Cs/Fe = 0.025Cs / Fe = 0.025 2.952.95 1.941.94 3.673.67 8.568.56 Cs/Fe = 0.050Cs / Fe = 0.050 2.422.42 3.623.62 1.991.99 8.038.03

Cs/Fe=0.025인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 경우, 전체 가스 생성물 수율이 8.56 × 10-4 gHC·gFe -1·s- 1으로 Cs/Fe=0.050인 경우의 8.03 × 10-4 gHC·gFe -1·s-1에 비해 상대적으로 높았다. 그러나, Cs/Fe=0.025에서 C2-C4 올레핀/C2-C4 파라핀의 생성물 수율 비율(0.53)은 Cs/Fe=0.050인 경우(1.82)에 비해 훨씬 더 낮았다. Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 CH4, C2-C4 올레핀, C2-C4 파라핀, C5-C12, C13-C18, 및 C19 +의 전체 중량부에서, 중탄화수소(heavy hydrocarbon)(C19+)의 중량부는 Cs/Fe=0.025에서 유의적으로 낮았다. 이는 촉매의 상대적으로 낮은 표면 염기도로 인한 것으로 여겨졌다 (도 10). 따라서, 고온 FT 합성에서, 이러한 조합은 CO 전환율을 증가시키고 고체 왁스 형성을 감소시킬 수 있으므로, 적절한 반응 온도 (320℃) 및 반응 압력 (15 bar)의 조합, 및 Cs/Fe=0.025인 Cs 첨가된 Fe5C2/활성탄 촉매의 사용은 액체 오일을 높은 생산성으로 선택적인 생산을 하기 위한 최상의 방법일 수 있다.Cs / Fe = 0.025 is added to the Cs Fe 5 C 2 / For the activated carbon catalyst, the total gas product yields 8.56 × 10 -4 g HC · g Fe -1 · s - 1 to 8.03 in the case of Cs / Fe = 0.050 X 10 -4 g HC · g Fe -1 s -1 . However, the product yield ratio (0.53) of C 2 -C 4 olefin / C 2 -C 4 paraffins at Cs / Fe = 0.025 was much lower than that for Cs / Fe = 0.050 (1.82). Cs In the total parts by weight of the CH 4 , C 2 -C 4 olefins, C 2 -C 4 paraffins, C 5 -C 12 , C 13 -C 18 , and C 19 + of the Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst added, The weight fraction of heavy hydrocarbons (C 19+ ) was significantly lower at Cs / Fe = 0.025. This was due to the relatively low surface basicity of the catalyst (FIG. 10). Thus, in high temperature FT synthesis, this combination can increase the CO conversion and reduce the formation of solid wax, so a combination of the appropriate reaction temperature (320 DEG C) and the reaction pressure (15 bar) and the combination of Cs / Fe = 0.025 The use of an activated Fe 5 C 2 / activated carbon catalyst may be the best way to produce liquid oils with high productivity and selective production.

Claims (20)

다공성 탄소 지지체; 및 상기 다공성 탄소 지지체의 기공 내 담지된, 세슘(Cs) 첨가된 철 카바이드 나노 입자;를 함유하고,
몰 기준으로 0.01 내지 0.04의 Cs/Fe 원자비를 가져, 고체 왁스 생산성(gsol·gcat -1·h-1)에 대한 액체 오일 생산성(gliq·gcat -1·h-1)의 비가 0.401/0.026 이상인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성용 촉매.
A porous carbon support; And cesium (Cs) added iron carbide nanoparticles supported in the pores of the porous carbon support,
(G liq · g cat -1 · h -1 ) relative to solid wax productivity (g sol · g cat -1 · h -1 ), with a Cs / Fe atomic ratio of 0.01 to 0.04 on a molar basis Wherein the ratio is 0.401 / 0.026 or more.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 철 카바이드는 해그 카바이드(
Figure 112015105673912-pat00019
)(χ-Fe5C2) 종을 포함하는 것이 특징인 촉매.
The method of claim 1, wherein the iron carbide is selected from the group consisting of Hag Carbide
Figure 112015105673912-pat00019
) (χ-Fe 5 C 2 ) species.
제1항에 있어서, 전체 촉매의 중량을 기준으로 철의 함량은 5 내지 30 wt%이고 세슘의 함량은 0.5 내지 5 wt%인 것이 특징인 촉매.
The catalyst according to claim 1, wherein the content of iron is 5 to 30 wt% and the content of cesium is 0.5 to 5 wt% based on the weight of the total catalyst.
제1항에 있어서, 상기 다공성 탄소 지지체는 기공 부피가 0.2 ㎤/g 이상인 것이 특징인 촉매.
The catalyst according to claim 1, wherein the porous carbon support has a pore volume of 0.2 cm 3 / g or more.
제1항에 있어서, 상기 다공성 탄소 지지체는 상용 활성탄소 (activated carbon), 상용 활성탄(activated charcoal), 상용 아세틸렌 카본 블랙(acetylene carbon black) 및 규칙적 다공성 탄소 지지체로서 CMK 중에서 선택된 것인 촉매.
The catalyst according to claim 1, wherein the porous carbon support is selected from CMK as activated carbon, activated charcoal, acetylene carbon black and ordered porous carbon support.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 피셔-트롭쉬 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 고체 왁스 생산성(gsol·gcat -1·h-1)에 대한 액체 오일 생산성(gliq·gcat -1·h-1)의 비가 0.401/0.026 이상이 되도록 액체 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서,
i) 제1항에 기재된 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 피셔-트롭쉬 합성반응기에 적용하는 단계; 및
ii) 상기 피셔-트롭쉬 합성반응기에 합성가스를 주입하여 상기 피셔-트롭쉬 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭쉬 합성반응을 수행하는 단계를 포함하는 것이 특징인 제조방법.
The ratio of liquid oil productivity (g liq · g cat -1 · h -1 ) to the solid wax productivity (g sol · g cat -1 · h -1 ) from the syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction was 0.401 / 0.026 < / RTI > or more,
i) applying the catalyst for Fischer-Tropsch synthesis according to claim 1 to a Fischer-Tropsch synthesis reactor; And
ii) injecting a syngas into the Fischer-Tropsch synthesis reactor to perform a Fischer-Tropsch synthesis reaction with the Fischer-Tropsch synthesis catalyst.
제15항에 있어서, 상기 단계 i)과 단계 ii) 사이에 i-1) 상기 촉매를 환원시켜 활성화시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 특징인 제조방법.
16. The method of claim 15, further comprising: i-1) reducing and activating the catalyst between step i) and step ii).
제15항에 있어서, 상기 합성가스는 일산화탄소와 수소 또는 일산화탄소와 수소에 불순물로 불활성 기체, 메탄, 이산화탄소 중 어느 하나가 혼합된 것 중에서 선택된 것을 사용하는 것이 특징인 제조방법.
16. The production method according to claim 15, wherein the synthesis gas is one selected from the group consisting of carbon monoxide, hydrogen, carbon monoxide, and hydrogen mixed with any one of inert gas, methane and carbon dioxide.
제15항에 있어서, 상기 합성가스는 일산화탄소와 수소를 1 : 1 ~ 2의 부피 비율로 혼합된 것을 사용하는 것이 특징인 제조방법.
16. The method according to claim 15, wherein the synthesis gas is a mixture of carbon monoxide and hydrogen in a volume ratio of 1: 1 to 2: 1.
제15항에 있어서, 상기 합성가스는 공간속도가 6.0 ~ 24.0 NL/gcat/hr인 범위 내에서 주입되는 것이 특징인 제조방법.
16. The method of claim 15, wherein the synthesis gas is injected at a space velocity in the range of 6.0 to 24.0 NL / g cat / hr.
제15항에 있어서, 상기 단계 ii)는 250 ~ 350℃에서 수행되는 것이 특징인 제조방법.The process according to claim 15, wherein said step ii) is carried out at 250 to 350 ° C.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020153780A1 (en) * 2019-01-23 2020-07-30 한국화학연구원 Bifunctional catalyst for hydrogenation of carbon dioxide, and method for preparing hydrocarbon by using same
CN114988977A (en) * 2022-06-17 2022-09-02 浙江大学 CO/CO catalysis by physical mixing hydrophobic auxiliary agent mode 2 Method for preparing olefin by hydrogenation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101339902B1 (en) * 2013-03-27 2013-12-10 한국에너지기술연구원 Preparation method of iron-carbide/carbon nanocomposite catalysts including potassium additives for high temperature fischer-tropsch synthesis reaction and the iron-carbide/carbon nanocomposite catalysts thereof, and manufacturing method of liquid hydrocarbon using the same and liquid hydrocarbon thereof
KR101342514B1 (en) * 2012-06-25 2013-12-17 한국에너지기술연구원 Manufacturing method for fe/carbon nanocomposite catalysts for high-temperature fischer-tropsch synthesis reaction, fe/carbon nanocomposite catalysts thereof and manufacturing method of liquid hydrocarbon using the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101342514B1 (en) * 2012-06-25 2013-12-17 한국에너지기술연구원 Manufacturing method for fe/carbon nanocomposite catalysts for high-temperature fischer-tropsch synthesis reaction, fe/carbon nanocomposite catalysts thereof and manufacturing method of liquid hydrocarbon using the same
KR101339902B1 (en) * 2013-03-27 2013-12-10 한국에너지기술연구원 Preparation method of iron-carbide/carbon nanocomposite catalysts including potassium additives for high temperature fischer-tropsch synthesis reaction and the iron-carbide/carbon nanocomposite catalysts thereof, and manufacturing method of liquid hydrocarbon using the same and liquid hydrocarbon thereof

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020153780A1 (en) * 2019-01-23 2020-07-30 한국화학연구원 Bifunctional catalyst for hydrogenation of carbon dioxide, and method for preparing hydrocarbon by using same
US11865521B2 (en) 2019-01-23 2024-01-09 Korea Research Institute Of Chemical Technology Bifunctional catalyst for hydrogenation of carbon dioxide, and method for preparing hydrocarbon by using same
CN114988977A (en) * 2022-06-17 2022-09-02 浙江大学 CO/CO catalysis by physical mixing hydrophobic auxiliary agent mode 2 Method for preparing olefin by hydrogenation
CN114988977B (en) * 2022-06-17 2024-03-26 浙江大学 Catalyzing CO/CO by means of physically mixed hydrophobic auxiliary agent 2 Method for preparing olefin by hydrogenation

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Free format text: TRIAL NUMBER: 2016101000107; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20160108

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