KR101958429B1 - Perovskite catalysts for reforming bio-gas and methods of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
LaCrO3의 Cr자리에 전이 금속을 도핑 치환 시킨 바이오 가스 개질용 촉매, 및 이의 제조 방법을 제공된다. 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 탄소 침적에 대하여 우수한 저항성을 갖고, 활성도가 높아 해당 촉매가 사용되는 연료 전지가 장기 운전되는 경우에도 높은 활성을 유지함으로써, 특히 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스의 건식 개질 시 수소, 일산화탄소 등을 포함하는 합성 가스를 용이하게 제조할 수 있다. There is provided a biogas reforming catalyst in which a Cr site of LaCrO 3 is substituted with a transition metal by doping, and a method for producing the same. The biogas reforming catalyst has excellent resistance to carbon deposition and has high activity, so that even when the fuel cell in which the catalyst is used is operated for a long time, the biogas reforming catalyst maintains high activity, and in particular, the dry reforming of biogas including methane and carbon dioxide A synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and the like can be easily produced.
Description
본 발명은 바이오 가스 개질용 촉매 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 바이오 가스 건식 개질(dry reforming of bio-gas)용 촉매 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biogas reforming catalyst and a process for producing the same. More particularly, the present invention relates to a catalyst for dry reforming of bio-gas and a process for its preparation.
화석 연료의 대체 에너지 중 하나로서 각광받고 있는 연료 전지는 수소 생산 및 보관 기술에 크게 의존하기 때문에 사용이 제한적이다. 이에, 수소 생산 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 현재까지 개발된 수소 생산 방법 중 가장 경제적이고 친환경적인 방법은 바이오매스로부터 생성된 바이오 가스를 이용한 메탄 개질 반응을 이용하는 것이다. Fuel cells, one of the alternative energy sources for fossil fuels, have limited use because they rely heavily on hydrogen production and storage technologies. Therefore, the hydrogen production method has been actively studied, and the most economical and environmentally friendly method of the hydrogen production method developed so far utilizes the methane reforming reaction using the biogas generated from the biomass.
특히, 수증기 사용으로 인한 에너지 손실을 방지하고자, 수증기 개질 반응보다는 바이오 가스에 포함된 메탄 및 이산화탄소를 직접 이용하는 건식 개질 반응을 이용할 수 있다. 건식 개질 반응의 경우 이산화탄소를 직접 이용한 개질 반응으로 이산화탄소를 분리하는 공정이 따로 필요하지 않아 효율을 극대화할 수 있다. Particularly, in order to prevent energy loss due to the use of steam, a dry reforming reaction in which methane and carbon dioxide contained in the biogas are directly used can be used instead of the steam reforming reaction. In the case of the dry reforming reaction, there is no need to separate the carbon dioxide by the reforming reaction using the carbon dioxide directly, thereby maximizing the efficiency.
이러한 건식 개질 반응에는 일반적으로 니켈(Ni)을 기반으로 하는 촉매가 사용되며, 건식 개질 효율을 높이기 위해서 가격이 귀금속 촉매(Ru, Rh, Pd 등)를 주로 사용하나 경제적으로 수소 생산을 위해서는 저가 촉매 개발이 시급한 실정이다. 또한, 촉매 표면에 탄소 침적이 일어나 활성 저하를 발생시켜 내구성이 낮아지는 문제점이 있다. 따라서 탄소 침적에 저항성을 가지고, 메탄과 이산화탄소를 효율적으로 분해하는 촉매 개발이 요구된다. In this dry reforming reaction, a catalyst based on nickel (Ni) is generally used. In order to improve the dry reforming efficiency, a noble metal catalyst (Ru, Rh, Pd, etc.) Development is urgent. In addition, there is a problem that carbon deposition occurs on the surface of the catalyst to cause degradation of the activity, resulting in low durability. Therefore, it is required to develop a catalyst which is resistant to carbon deposition and efficiently decomposes methane and carbon dioxide.
이를 해결하고자, 귀금속 촉매 대신 페로브스카이트 구조를 가진 촉매를 바이오 가스 개질용으로 사용하면서, 나아가 탄소 침적에 저항성을 가지는 촉매에 대한 연구가 진행되고 있다. In order to solve this problem, a catalyst having a perovskite structure instead of a noble metal catalyst is being used for the reforming of biogas, and a catalyst having resistance to carbon deposition is being studied.
본 발명의 일 목적은 탄소 침적에 대하여 우수한 저항성을 갖고, 활성도가 높아 해당 촉매가 사용되는 연료 전지가 장기 운전되는 경우에도 높은 활성을 유지함으로써, 바이오 가스 개질, 특히 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스의 건식 개질 시 수소, 일산화탄소 등을 포함하는 합성 가스를 용이하게 제조할 수 있는 바이오 가스 개질용 촉매, 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell that has excellent resistance to carbon deposition and high activity and maintains high activity even when the fuel cell in which the catalyst is used is operated for a long time, The present invention provides a biogas reforming catalyst capable of easily producing a synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and the like during dry reforming of a biogas reforming catalyst, and a process for producing the same.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 바이오 가스 개질용 촉매를 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention provide a biogas reforming catalyst comprising a compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LaCr1 - xMxO3 -y LaCr 1 - x M x O 3 - y
화학식 1에 있어서, M은 전이 금속이고, x는 0보다 크고 1보다 작으며, y는 0 이상 1 이하이다. In Formula (1), M is a transition metal, x is greater than 0 and less than 1, and y is greater than or equal to 0 and less than or equal to 1.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 제1항에 따른 바이오 가스 개질용 촉매의 제조방법에 있어서, LaCrO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 크롬(Cr) 일부를 전이 금속으로 도핑 치환하여, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법을 제공한다.In an exemplary embodiment of the present invention, in the method for producing a catalyst for biogas reforming according to the above-mentioned first aspect, a part of chromium (Cr) among the perovskite substances represented by LaCrO 3 is converted into a transition metal To prepare a compound represented by the formula (1). The method for preparing a biogas reforming catalyst according to the present invention comprises the steps of:
본 발명의 구현예들에 따른 바이오 가스 개질용 촉매는 기존의 귀금속 촉매들과 비교하여 적은 귀금속 촉매를 함량함에도 불구하고 촉매 활성도가 높고, 탄소 침적에 대한 우수한 저항성을 가져, 장기 운전을 수행하더라도 높은 활성을 유지하며 대용량으로 바이오 가스(이산화탄소 포함)를 이용한 건식 개질 반응을 진행할 수 있다. 이에 따라, 장시간 높은 활성으로 수소 비율이 높은 합성 가스를 용이하게 제조할 수 있다. The catalyst for biogas reforming according to the embodiments of the present invention has high catalytic activity and excellent resistance to carbon deposition even though it contains a small amount of noble metal catalyst as compared with conventional noble metal catalysts, It is possible to carry out a dry reforming reaction using biogas (including carbon dioxide) at a large capacity while maintaining the activity. As a result, a synthesis gas having a high hydrogen ratio with high activity for a long time can be easily produced.
또한, 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 페로브스카이트 구조로서 구조적으로 열적 안정성이 뛰어나, 높은 온도의 바이오 가스 개질 반응에서도 성능이 저하되지 않아 고온에서도 효율적으로 바이오 가스를 개질시킬 수 있다. In addition, the biogas reforming catalyst has a perovskite structure and is structurally excellent in thermal stability. Therefore, the biogas reforming catalyst does not deteriorate its performance even in a high temperature biogas reforming reaction, and can efficiently reform the biogas at a high temperature.
나아가, 본 발명에 따른 바이오 가스 개질용 촉매는 그 제조 방법에 있어서, 기존 졸-겔 법(Sol-Gel method)에서 사용하던 유기 용매 대신 증류수 또는 탈이온수(deionized water, DI water)를 사용하여 제조되기 때문에, 실질적으로 불순물을 포함하지 않으며 단일 상의 균일 촉매로 제조될 수 있다. Further, the catalyst for reforming biogas according to the present invention may be prepared by using deionized water or deionized water (DI water) instead of the organic solvent used in the sol-gel method , It is substantially free from impurities and can be produced as a single phase homogeneous catalyst.
아울러, 본 발명에 따른 바이오 가스 개질용 촉매는 촉매 담지체 없이 단독으로 사용 가능하므로, 매우 경제적이고 효율적으로 촉매를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 개질용 촉매 제조시, 압력을 증가시키지 않아도 제조할 수 있다는 이점이 있다.In addition, since the catalyst for biogas reforming according to the present invention can be used alone without a catalyst carrier, the catalyst can be produced economically and efficiently. Further, there is an advantage that the biocatalyst for reforming of the present invention can be produced without increasing the pressure.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법의 흐름을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 바이오 가스 개질용 촉매 및 비교예 1에 따른 촉매의 X선 회절 분석(X-ray diffractiometry, XRD) 그래프이다.
도 3a는 실시예 1 및 2에 따른 바이오 가스 개질용 촉매 및 비교예 1에 따른 촉매의 표면을 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 이미지이고, 도 3b는 실시예 3에 따라 제조한 촉매의 건식 개질 반응 전, 후의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)이미지 및 에너지 분산형 분광기(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS) 결과이다.
도 4a 내지 4d는 실시예 1 내지 3에 따른 바이오 가스 개질용 촉매 및 비교예 1에 따른 촉매의 X-선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)에서 O 1s구간을 나타낸 그래프이고, 도 4e 및 4f는 실시예 3에 따른 바이오 가스 개질용 촉매의 건식 개질 반응 전, 후의 Ir 4f 구간을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 내지 3에 따른 바이오 가스 개질용 촉매 및 비교예 1에 따른 들의 건식 개질 결과를 메탄 전환율(CH4 Conversion)로 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 6b는 실시예 3에 따라 제조한 촉매의 온도 변화에 따른 메탄 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2 및 실시예 3에 따른 바이오 가스 개질용 촉매에 있어서 운전시간에 따른 메탄 전환율을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a flowchart showing a flow of a method for producing a biogas reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph of X-ray diffractometry (XRD) of the catalyst for biogas reforming according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.
3A is an image obtained by observing the surfaces of the catalyst for biogas reforming according to Examples 1 and 2 and the catalyst according to Comparative Example 1 with a scanning electron microscope (SEM), and FIG. (SEM) images and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) results before and after dry reforming of a catalyst.
4A to 4D are graphs showing the O1s section in the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the catalyst for the biogas reforming according to Examples 1 to 3 and the catalyst according to Comparative Example 1, And 4f are graphs showing the section of
FIG. 5 is a graph showing the results of dry reforming according to the catalyst for biogas reforming according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, by CH 4 conversion. FIG.
6A and 6B are graphs showing methane conversion rates of the catalyst prepared according to Example 3 according to the temperature change.
FIG. 7 is a graph showing the results of experiments on the methane conversion rate according to the operation time in the biogas reforming catalyst according to Example 2 and Example 3 of the present invention.
용어 정의Term Definition
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the present specification are for illustrative purposes only and the embodiments of the present invention can be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments described in the text .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that the invention is not to be limited to the specific forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention, As will be understood by those skilled in the art.
본 발명의 구현예에서 바이오 가스(bio-gas)란, 하수슬러지, 음식물 폐기물과 같은 바이오매스(biomass)를 혐기성 소화(anaerobic digester), 가스화(gasification), 및 열분해(pyrolysis)를 통해 생산할 수 있는 가스 상의 연료이다. 이러한 바이오 가스는 주성분으로서 메탄(55-70%) 및 이산화탄소(30-45%)를 포함하며, 황(S)과 같은 불순물을 포함하고 있다.In the embodiment of the present invention, bio-gas refers to biomass such as sewage sludge and food waste that can be produced through anaerobic digester, gasification, and pyrolysis It is a gas-phase fuel. These biogas include methane (55-70%) and carbon dioxide (30-45%) as main components and contain impurities such as sulfur (S).
본 발명의 구현예에서 건식 개질 반응(dry reforming reaction)이란, 이산화탄소 및 메탄을 반응시켜 일산화탄소와 수소를 생산하는 반응을 의미한다. 건식 개질 반응은 이산화탄소의 재이용 측면에서 유용하며, 흡열 반응이어서 반응이 낮다. 참고로, 하기 반응식 1은 이산화탄소의 건식 개질 반응의 반응식이다. In the embodiment of the present invention, the term "dry reforming reaction" means a reaction in which carbon monoxide and methane are reacted to produce carbon monoxide and hydrogen. The dry reforming reaction is useful in terms of reuse of carbon dioxide and is an endothermic reaction, so the reaction is low. For reference, the following
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 (△H2 = +247 kJ/mol)CH 4 + CO 2 ↔ 2CO + 2H 2 (ΔH 2 = +247 kJ / mol)
본 발명의 구현예에서 균일 촉매(homogenous catalyst)란, 물질 격자 내에 치환되는 활성 물질이 포함되어 단일 상(single phase)을 유지할 수 있는 촉매를 의미한다. In the embodiments of the present invention, a homogenous catalyst means a catalyst capable of maintaining a single phase by containing an active material substituted in a material lattice.
본 발명의 구현예에서 촉매의 장기 안정성이란, 촉매의 전환율 또는 수소 선택도(반응에 소모된 연료에 대한 생성된 수소의 몰 비), 즉 촉매 활성을 요구되는 수준 이상으로 장기간 높게 유지할 수 있는 특성을 의미한다. 따라서, 촉매의 장기 안정성이 향상된다는 것은 촉매의 수명이 향상되는 것을 의미한다. In the embodiment of the present invention, the long-term stability of the catalyst means that the conversion rate of the catalyst or the hydrogen selectivity (molar ratio of generated hydrogen to the consumed fuel), that is, . Thus, the improvement in the long-term stability of the catalyst means that the lifetime of the catalyst is improved.
본 발명의 구현예에서 졸-겔 법(Sol-Gel method)이란 광범위하게, 폴리머 수지(구연산)에 포함된 산과 용매에 녹아있는 양이온들 간의 킬레이트(chelation) 작용, 용매인 물과 구연산의 중합반응 및 각 금속 시약들의 수화물인 질소산화물 및 수분과 구연산의 중합반응과 같은 두 가지 중합 반응(에스테르화 반응)에 의한 작용이 양이온의 분산을 일으켜 화학적으로 균일하고 안정한 전구체를 얻을 수 있는 분말 합성법을 의미한다.In the embodiment of the present invention, the Sol-Gel method widely refers to a method in which a chelating action between an acid contained in a polymer resin (citric acid) and a cation dissolved in a solvent, a polymerization reaction between water as a solvent and citric acid And the effect of two polymerization reactions (esterification reaction) such as the polymerization of nitric oxide, which is the hydrate of each metal reagent, and the reaction of water and citric acid, leads to the dispersion of cations to obtain chemically uniform and stable precursor do.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention.
예시적인 Illustrative 구현예들의Implementations 설명 Explanation
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
바이오 가스 건식 Biogas dry 개질용For reforming 촉매 catalyst
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 바이오 가스 개질용, 보다 구체적으로는 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스의 건식 개질(dry reforming of bio-gas)용 촉매로서, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 바이오 가스 개질용 촉매를 제공한다. Exemplary embodiments of the present invention are directed to a dry reforming of bio-gas catalyst for biogas reforming, more specifically, biogas comprising methane and carbon dioxide, And a catalyst for reforming the biogas.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
LaCr1 - xMxO3 -y LaCr 1 - x M x O 3 - y
화학식 1에 있어서, M은 전이 금속이고, x는 0보다 크고 1보다 작으며, y는 0 이상 1 이하이다.In Formula (1), M is a transition metal, x is greater than 0 and less than 1, and y is greater than or equal to 0 and less than or equal to 1.
참고로, LaCrO3의 페로브스카이트 격자 구조 내에 전이 금속이 도핑되면 도핑 금속에 의하여 O의 함량에 미세한 변화가 생길 수 있다. 즉, 상기 화학식 1에서 페로브스카이트의 O3은 O3-y(y는 0 이상 1 이하)로 미세하게 변화될 수 있다.For reference, when the transition metal is doped in the perovskite lattice structure of LaCrO 3 , a minute change in the content of O may be caused by the doping metal. That is, the O 3 of the perovskite in the formula (1) may be finely changed to O 3-y (y is 0 or more and 1 or less).
종래 LaCrO3는 열 안정성이 뛰어나고, 저렴하며, 탄소에 대한 내구성이 우수하나, 바이오 가스에 대한 촉매 활성이 다소 낮다는 단점이 있었다. 따라서, 본 발명자들은 전이 금속을 첨가하여 촉매 활성을 높여 귀금속 수준의 활성을 확보할 수 있는 촉매를 개발하였다. Conventionally, LaCrO 3 has excellent thermal stability, is inexpensive, has excellent durability against carbon, but has a disadvantage in that the catalytic activity for biogas is somewhat low. Accordingly, the present inventors have developed a catalyst capable of enhancing the catalytic activity and securing the activity at the level of the noble metal by adding a transition metal.
상기 화합물은, LaCrO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 크롬(Cr) 일부가 전이 금속, 바람직하게는 9족에 해당하는 전이 금속으로 도핑 치환될 수 있다. 즉, 상기 화합물은, ABO3의 구조를 갖는 페로브스카이트 물질에서 B 자리(Cr)의 일부가 다른 물질(전이 금속)로 도핑 치환됨으로써, 페로브스카이트 구조를 유지할 수 있다. The above compound may be doped with a transition metal having a part of chromium (Cr) among the perovskite materials represented by LaCrO 3 as a transition metal, preferably a group 9 transition metal. That is, in the perovskite material having a structure of ABO 3 , the above-mentioned compound can maintain the perovskite structure by doping and substituting a part of the B-site (Cr) with another material (transition metal).
따라서, 종래의 촉매들이 일반적으로 지지체에 활성 물질을 열처리함으로써 제조되어 2개 이상의 상(phase)으로 구성되는 이른바 불균일 촉매인 것과 달리, 상기 화합물은 촉매로서 사용될 때 단일 상(single phase)의 균일 촉매(homogeneous catalyst)로 작용할 수 있다. 그러므로 상기 화합물을 포함하는 촉매는 최소화된 합성 공정을 통해 제조될 수 있어 종래 촉매들보다 공정 효율 및 경제적 측면에서 보다 유용하다. Thus, unlike conventional catalysts, which are generally so-called heterogeneous catalysts prepared by heat treatment of the active material on a support and composed of two or more phases, the compound, when used as a catalyst, can act as a homogeneous catalyst. Therefore, the catalyst containing the compound can be produced through a minimized synthesis process, which is more advantageous in terms of process efficiency and economy than conventional catalysts.
상기 화합물 중, 크롬 자리(페로브스카이트 구조의 B 자리)에 치환되는 전이 금속, 바람직하게는 9족의 전이 금속은 높은 촉매 활성을 갖는다. 더욱이 ABO3의 구조를 갖는 페로브스카이트 촉매는 고유적으로 황(S) 및 탄소(C)에 대하여 저항성이 우수하므로, 상기 화합물을 포함하는 바이오 가스 개질용촉매는 바이오 가스 개질 반응에 대한 높은 촉매 활성을 가질 수 있고, 또한 탄소 침적 현상 및/또는 촉매 피독 현상에 대해 높은 저항성을 가질 수 있다. Of the above compounds, transition metals, preferably transition metals of Group 9, substituted in the chromium sites (B-sites of the perovskite structure) have a high catalytic activity. Furthermore, since the perovskite catalyst having the ABO 3 structure inherently has excellent resistance to sulfur (S) and carbon (C), the biogas reforming catalyst containing the above compound is highly resistant to biogas reforming Can have catalytic activity, and can also have high resistance to carbon deposition and / or catalyst poisoning.
예시적인 구현예에서, 상기 전이 금속은 바람직하게는 9족에 해당하는 전이 금속일 수 있고, 더욱 바람직하게는 코발트(Co), 루테늄(Rh), 이리듐(Ir), 마이트네븀(Mt), 사마륨(Sm) 또는 플루토늄(Pt)일 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition metal may preferably be a transition metal corresponding to Group 9, more preferably Co, ruthenium (Rh), iridium (Ir), mite niobium (Mt), samarium (Sm) or plutonium (Pt).
예시적인 구현예에서, 촉매의 단일 상 유지, 탄소 침적 및/또는 촉매 피독 방지, 촉매의 활성 유지와 향상된 전기전도도를 모두 고려할 때, 크롬 자리(페로브스카이트 구조의 B 자리)에 치환되는 전이 금속의 양, 즉 상기 화학식 1에서 x는 0보다 크고 0.05 이하(0<x≤0.5)인 것이 바람직할 수 있다. 특히, x는 0.03인 경우가 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition to the chromium site (the B-site of the perovskite structure), taking into account both the single phase retention of the catalyst, the carbon deposition and / or the catalyst poisoning prevention, the active maintenance of the catalyst and the improved electrical conductivity, The amount of the metal, that is, x in the above formula (1), is preferably greater than 0 and less than or equal to 0.05 (0 < x? 0.5). Particularly, x may be preferably 0.03.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 질소(N), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등을 포함하는 비활성 기체를 이용하여 활성화 처리되거나, 수소(H)를 이용하여 환원 분위기 하에서 활성화 처리된 것일 수 있다. 특히, 상기 촉매는 환원 분위기 하에서 활성화 처리된 것일 수 있으며, 환원 분위기에서는 촉매 표면에 붙은 산소를 제거하여 활성점에 반응물이 화학흡착 될 수 있게 된다.In the exemplary embodiments, the biogas reforming catalyst may be activated using an inert gas containing nitrogen (N), helium (He), argon (Ar), or the like, Lt; RTI ID = 0.0 > atmosphere. ≪ / RTI > Particularly, the catalyst may be activated in a reducing atmosphere, and in a reducing atmosphere, oxygen attached to the surface of the catalyst may be removed to chemically adsorb the reactant to the active site.
예시적인 구현예에서, 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 단일 상(single phase)의 균일 촉매(homogeneous catalyst)일 수 있다. In an exemplary embodiment, the biogas reforming catalyst may be a single phase homogeneous catalyst.
예시적인 구현예에서, 담지체가 없이 단독으로 사용 가능한 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, it may be one that is usable alone without the support.
예시적인 구현예에서, 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 바이오 가스 건식 개질용일 수 있다. 보다 구체적으로는, 바이오 가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 선택적으로 제거함으로써 개질 반응이 진행되는 스팀 개질보다, 이산화탄소를 개질 반응에 직접 사용하여 별도의 이산화탄소 분리 공정이 추가적으로 요구되지 않는 건식 개질에 사용될 경우, 그 효과가 극대화될 수 있다.In an exemplary embodiment, the biogas reforming catalyst may be for biogas dry reforming. More specifically, when the carbon dioxide contained in the biogas is used for dry reforming, in which carbon dioxide is directly used for the reforming reaction and the carbon dioxide separation process is not further required, rather than steam reforming in which the reforming reaction proceeds, The effect can be maximized.
예시적인 구현예에서, 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 700℃ 내지 800℃에서 50시간 내지 100시간 운전 하는 동안 75%이상의 메탄 전환율을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 750℃에서 50시간 운전 동안 75%이상의 메탄 전환율을 보일 수 있다.In an exemplary embodiment, the biogas reforming catalyst may exhibit a methane conversion of greater than 75% during a 50 to 100 hour operation at 700 ° C to 800 ° C. More specifically, the biogas reforming catalyst may exhibit a methane conversion rate of 75% or more during a 50-hour operation at 750 ° C.
예시적인 구현예에서, 상기 바이오 가스 개질용 촉매는 탄소 침적에 저항성을 가진다. 이산화탄소를 포함한 바이오 가스의 건식 개질에서 가장 문제가 되는 부분은 촉매의 탄소침적이다. 탄소침적은 건식 개질에서 반응 중에 생성되는 탄소가 촉매의 활성점을 막아 성능 저하의 주된 요인이다. 일반적으로 사용하는 상용촉매는 니켈을 기반으로 하는 촉매인데 이는 운전 초기 높은 활성도를 보이고 가격이 저렴하지만 고온의 건식 개질에서 소결 현상이 일어나고 탄소 침적에 약해 장기적 성능이 좋지 않다는 단점을 가지고 있다. 본 발명에 따른 바이오 가스 개질용 촉매는 후술하는 실험결과에서 볼 수 있듯이, 탄소 침적에 저항성이 높아, 반응 전 후 성능 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.In an exemplary embodiment, the biogas reforming catalyst is resistant to carbon deposition. The most problematic part of the dry reforming of biogas, including carbon dioxide, is the carbon deposition of the catalyst. Carbon deposition is a major factor in performance degradation due to the carbon generated during the reaction in the dry reforming, blocking the active sites of the catalyst. Commercial catalysts commonly used are nickel-based catalysts, which exhibit high activity at the beginning of operation and are inexpensive. However, they suffer from sintering phenomenon in high temperature dry reforming and are poor in carbon deposition and long-term performance. The biogas reforming catalyst according to the present invention has high resistance to carbon deposition as shown in the experimental results described below, and shows little difference in performance before and after the reaction.
바이오 가스 건식 Biogas dry 개질용For reforming 촉매의 제조 방법 Method for producing catalyst
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 바이오 가스 개질용 촉매의 제조방법에 있어서, LaCrO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 크롬(Cr) 일부를 전이 금속으로 도핑 치환하여, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법을 제공한다. In the exemplary embodiments of the present invention, in the above-described method for producing a catalyst for biogas reforming, a part of chromium (Cr) in a perovskite material represented by LaCrO 3 is doped and substituted with a transition metal, To prepare a compound represented by the above formula (1).
예시적인 구현예에서, 전술한 도핑 치환은, LaCrO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질을 용해시키기 위한 용매로서 증류수 또는 탈이온수(deionized water, DI water)를 사용하여 졸-겔 법(Sol-Gel method)을 통해 수행될 수 있다. In an exemplary embodiment, the above-described doping substitution is accomplished by a sol-gel method (e. G., Using deionized water, DI water) as a solvent for dissolving the perovskite material represented by LaCrO 3 Sol-Gel method).
보다 구체적으로, 증류수 또는 탈이온수(DI water)에 구연산을 용해시킨 후, 질산란타넘 헥사하이드레이트[La(NO3)36H2O] 및 질산크로늄 노나하이드레이트[Cr(NO3)39H2O] 을 용해시켜 용액을 제조한다. 그 후, 전이 금속이 포함된 염을 첨가한 후, 겔 상태가 되도록 80 내지 90℃에서 충분히 교반한다. More specifically, after dissolving the citric acid in distilled water or deionized water (DI water), nitric acid Lanthanum hexahydrate [La (NO 3) 3 6H 2 O] and nitric acid chromium nona-hydrate [Cr (NO 3) 3 9H 2 O] is dissolved to prepare a solution. Thereafter, a salt containing a transition metal is added, and then sufficiently agitated at 80 to 90 캜 so as to become a gel state.
상기 겔 상태로 변한 용액을 150℃ 내지 250℃에서 열처리하여 유기물을 1차적으로 제거하고, 800 내지 1000℃에서 하소(calcination)하여 촉매 제조 중 발생될 수 있는 유기물을 효과적으로 제거할 수 있다.The gel-state solution is subjected to heat treatment at 150 ° C to 250 ° C to primarily remove organic substances and calcine at 800 to 1000 ° C to effectively remove organic substances that may be generated during catalyst production.
이후, 제조된 바이오 가스 개질용 촉매를 활성화 처리하여 촉매의 활성을 향상시킬 수 있다.Then, the produced biogas reforming catalyst may be activated to improve the activity of the catalyst.
예시적인 구현예에서, 상기 페로브스카이트(perovskite) 물질을 부분적으로 전이 금속으로 도핑 치환한 후에, 상기 화학식 1로 표시되는 촉매를 수소, 질소, 헬륨 및 아르곤으로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상으로 활성화 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, after the perovskite material is partially doped with a transition metal, the catalyst represented by
특히, 상기 활성화 처리는 환원 분위기 하에서 수행될 수 있다. 환원 분위기에서는 촉매 표면에 붙은 산소를 제거하여 활성점에 반응물이 화학흡착 될 수 있게 된다.In particular, the activation treatment may be performed in a reducing atmosphere. In the reducing atmosphere, the oxygen attached to the catalyst surface is removed, and the reactant can be chemisorbed to the active site.
예시적인 구현예에서, 상기 활성화 처리는 비활성 기체로서 수소를 포함하는 가스를 사용하여 750℃ 내지 900℃에서 수행될 수 있다. 상기 범위 미만으로 활성화 처리 공정이 진행되는 경우 촉매 활성 향상의 효과가 미비할 수 있으며, 상기 범위를 초과하여 활성화 처리 공정이 진행되는 경우 오히려 촉매의 성능이 저하될 수 있다.In an exemplary embodiment, the activation treatment may be performed at a temperature between 750 [deg.] C and 900 [deg.] C using a gas comprising hydrogen as an inert gas. If the activation treatment process is carried out below the above range, the effect of improving the catalytic activity may be insufficient, and if the activation treatment process is performed in excess of the above range, the performance of the catalyst may be deteriorated.
전술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따라 제조된 바이오 가스 개질용 촉매는 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상기 공정 수행시, 별도로 촉매 지지체에 담지하는 과정이 없으므로 기존 공정에 비해 단순한 방식으로 촉매를 제조할 수 있어, 제조 시간을 단축할 수 있다. As described above, the biogas reforming catalyst prepared according to the exemplary embodiments of the present invention may include a material having a perovskite structure. Since there is no process of supporting the catalyst on the catalyst support during the above process, the catalyst can be manufactured in a simple manner as compared with the conventional process, and the manufacturing time can be shortened.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다.Hereinafter, specific embodiments according to exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail. It should be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments described below, but that various embodiments of the invention may be practiced within the scope of the appended claims, It will be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention to those skilled in the art.
실시예Example
실시예Example 1: One: LaCrOLaCrO 33 의of Cr자리에Cr place Co을 Co 도핑시킨Doped 바이오 가스 Biogas 개질용For reforming 촉매 catalyst
1차 증류수 200ml에 구연산[HOC(COOH)(CH2COOH)2 (알드리치)]을 40g 용해시킨 후, 질산란타넘 헥사하이드레이트[La(NO3)36H2O (알드리치)] 21.65g을 질산크로늄 노나하이드레이트[Cr(NO3)39H2O (알드리치)] 19g과 함께 용해하였다. 다음으로 질산코발트 헥사하이드레이트[Co(NO3)36H2O (알드리치)]를 첨가한 후 핫플레이트 온도를 85℃로 맞춰주고 겔 상태로 변할 때까지 계속 교반하였다. 겔 상태로 변한 용액을 200℃에서 열처리를 시켜 유기물을 1차적으로 제거하고 900℃에서 공기 중 조건으로 하소(Calcination) 하였다. 이에 따라, Co 5mol%가 도핑된 LaCr0 . 95Co0 . 05O3 촉매가 제조되었다.After dissolving 40 g of citric acid [HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 (Aldrich)] in 200 ml of primary distilled water, 21.65 g of lanthanum hexahydrate nitrate lanthanum hexahydrate [La (NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich) Was dissolved together with 19 g of chromium nonahydrate [Cr (NO 3 ) 3 9H 2 O (Aldrich)]. Next, cobalt nitrate hexahydrate [Co (NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich)] was added thereto, and the temperature of the hot plate was adjusted to 85 ° C, and stirring was continued until the temperature was changed to gel state. The gel-like solution was heat-treated at 200 ° C to remove organic matter, and calcined at 900 ° C in air. Accordingly, a LaCr 0 . 95 Co 0 . 05 O 3 catalyst was prepared.
실시예Example 2: 2: LaCrOLaCrO 33 의of Cr자리에Cr place Rh을 Rh 도핑시킨Doped 바이오 가스 Biogas 개질용For reforming 촉매 catalyst
1차 증류수 200ml, 구연산[HOC(COOH)(CH2COOH)2 (알드리치)] 40g, 질산란타넘 헥사하이드레이트[La(NO3)36H2O (알드리치)] 21.65g, 질산크로늄 노나하이드레이트[Cr(NO3)39H2O (알드리치)] 19g, 염화로듐 하이드레이트 [RhCl3xH2O (알파에이사)] 0.523g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Rh이 5mol% 도핑된 LaCr0.95Rh0.05O3 촉매가 제조되었다.40 g of citric acid [HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 (Aldrich)], 21.65 g of lanthanum hexahydrate [La (NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich)], 200 ml of chromium nonahydrate Except that 19 g of [Cr (NO 3 ) 3 9 H 2 O (Aldrich)] and 0.523 g of rhodium chloride hydrate [RhCl 3 x H 2 O (Alpha Eisai)] were used, % Doped LaCr 0.95 Rh 0.05 O 3 catalyst was prepared.
실시예Example 3: 3: LaCrOLaCrO 33 의of Cr자리에Cr place Ir을Ir 도핑시킨Doped 바이오 가스 Biogas 개질용For reforming 촉매 catalyst
1차 증류수 200ml, 구연산[HOC(COOH)(CH2COOH)2 (알드리치)] 40g, 질산란타넘 헥사하이드레이트[La(NO3)36H2O (알드리치)] 21.65g, 질산크로늄 노나하이드레이트[Cr(NO3)39H2O (알드리치)] 19g, 염화이리듐 하이드레이트 [IrCl3xH2O (알드리치)] 0.746g을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 Ir이 5mol% 도핑 된 LaCr0 . 95Ir0 . 05O3 촉매가 제조되었다. 40 g of citric acid [HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 (Aldrich)], 21.65 g of lanthanum hexahydrate [La (NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich)], 200 ml of chromium nonahydrate [Cr (NO 3) 3 9H 2 O ( Aldrich) 19g, an iridium chloride hydrate [IrCl 3 xH 2 O (Aldrich) in example 1, and the Ir 5mol% doped by the same method except for using 0.746g the LaCr 0. 95 Ir 0 . 05 O 3 catalyst was prepared.
비교예Comparative Example 1: 전이 금속을 1: transition metal 도핑시키지Do not do it. 않은 Not LaCrOLaCrO 33 촉매 catalyst
1차 증류수 200ml에 구연산[HOC(COOH)(CH2COOH)2 (알드리치)]을 40g 용해시킨 후, 질산란타넘 헥사하이드레이트[La(NO3)36H2O (알드리치)] 21.65g을 질산크로늄 노나하이드레이트[Cr(NO3)39H2O (알드리치)] 20g과 함께 용해시켰다. 다음으로 핫플레이트 온도를 85℃로 맞춰주고 겔 상태로 변할 때까지 계속 교반하였다. 겔 상태로 변한 용액을 200℃에서 열처리를 시켜 유기물을 1차적으로 제거하고 900℃에서 공기 중 조건으로 하소(Calcination) 하였다. 이에 따라 비교예 1을 위한 촉매가 제조되었다.After dissolving 40 g of citric acid [HOC (COOH) (CH 2 COOH) 2 (Aldrich)] in 200 ml of primary distilled water, 21.65 g of lanthanum hexahydrate nitrate lanthanum hexahydrate [La (NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich) Was dissolved together with 20 g of chromium nonahydrate [Cr (NO 3 ) 3 9H 2 O (Aldrich)]. Next, the hot plate temperature was adjusted to 85 캜 and stirring was continued until the gel state was changed. The gel-like solution was heat-treated at 200 ° C to remove organic matter, and calcined at 900 ° C in air. Thus, a catalyst for Comparative Example 1 was prepared.
실험예Experimental Example
실험예Experimental Example 1: 촉매의 조성 및 구조 평가 1: Evaluation of composition and structure of catalyst
촉매의 조성을 평가하기 위해, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 촉매들에 대해서 X선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)를 실시하였다. 그 결과는 도 2에 나타난 바와 같다.X-ray diffraction (XRD) was performed on the catalysts of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 to evaluate the composition of the catalyst. The results are shown in Fig.
도 2를 참조하면, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 촉매들이 기본 구조로 LaCrO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, Cr의 일부가 각각의 전이 금속들로 치환된 단일상의 균일 촉매라는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 촉매는 상기 화학식 1로 표시되는 단일 상의 균일 촉매이며, 이는 용매로서 유기 용매가 아닌 증류수 또는 탈이온수를 이용하여 졸-겔 법을 통해 용이하게 합성이 되는 것임을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, catalysts according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 have a perovskite structure of LaCrO 3 as a basic structure, and a part of Cr is substituted with respective transition metals, . Accordingly, it can be seen that the catalyst of the present invention is a single phase homogeneous catalyst represented by the above formula (1), which is easily synthesized by sol-gel method using distilled water or deionized water instead of an organic solvent as a solvent.
실험예Experimental Example 2: 촉매의 형상 및 탄소 침적 저항성 평가 2: Evaluation of shape and carbon deposition resistance of catalyst
촉매의 형상을 관찰하기 위하여, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조한 촉매를 주사전자현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하고, 그 결과를 도 3a에 나타내었다. In order to observe the shape of the catalyst, the catalysts prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in Fig.
또한, 실시예 3에 따라 제조한 촉매를 750℃의 바이오 가스 건식 개질 반응 후 채취하여 주사전자현미경으로 형상을 관측하면서, 에너지 분산형 분광기 (Energy dispersive spectrometer, EDS) 측정을 실시하고, 그 결과를 도 3b에 나타내었다. 개질 반응 후에 탄소의 흔적이 전혀 검출되지 않는 것으로 보아 이 촉매는 탄소 침적에 강한 저항성을 가지고 있음을 확인 할 수 있다.Further, the catalyst prepared in Example 3 was sampled after a biogas dry reforming reaction at 750 ° C, and an energy dispersive spectrometer (EDS) measurement was performed while observing the shape using a scanning electron microscope. 3B. Since no trace of carbon is detected after the reforming reaction, it can be confirmed that this catalyst has a strong resistance to carbon deposition.
실험예Experimental Example 3: 촉매 표면의 산소와 금속 상태 평가 3: Evaluation of oxygen and metal states on the catalyst surface
촉매 표면에서 산소의 상태를 확인하기 위해, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 촉매들을 소량 채취하여 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 실시하고, 도 4a 내지 4d에 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 O 1s 구간을 나타내었다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed on a small amount of the catalysts prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 to confirm the state of oxygen on the surface of the catalyst, 4d show the
도 4a 내지 4d를 참조하면, O1s 에서 529eV영역에서 가장 강한 피크를 볼 수 있는데, 이는 금속과 산소가 결합하여 생기는 결합에너지로써 이 촉매의 표면은 금속과 산소가 많이 결합되어 있음을 확인할 수 있다. 다음의 530eV에서 생기는 결합에너지 구간은 산소와 -OH 작용기의 결합에서 생기는 것으로 촉매 표면의 산소가 모두 금속과 결합되어 있는 상태가 아니라, 일부는 반응에 결핍되어 손실 산소 상태가 되어있을 것으로 유추할 수 있다. 가장 강한 결합에너지 구간인 532eV구간은 촉매 제조 시에 화학 흡착된 물의 영향으로 생긴 결과이다. Referring to FIGS. 4A to 4D, it can be seen that the strongest peak is observed in the region of 529 eV in O1s, which is the binding energy generated by the combination of metal and oxygen, so that the surface of the catalyst is highly bound to metal and oxygen. The next bond-energy interval at 530 eV is due to the combination of oxygen and -OH functional groups. It can be deduced that the oxygen on the surface of the catalyst is not bound to the metal, have. The strongest bond energy interval of 532eV is the result of the effect of chemisorbed water during catalyst preparation.
또한, 추가적으로 실시예 3에 따라 제조한 촉매의 경우, Ir의 반응 전, 후 거동을 알아보기 위해 XPS에서 Ir 4f구간을 분석하여, 도 4e 및 4f에 나타내었다. 그 결과 건식 개질 반응 후 Ir의 결합 에너지가 커지는 것으로 보아 Ir 금속이 촉매의 활성점 역할에 기여한다는 것을 알 수 있다.Further, in the case of the catalyst prepared according to Example 3, the
실험예Experimental Example 4: 촉매의 메탄 전환율 평가 4: Evaluation of methane conversion of catalyst
750℃의 건식 개질 반응에서 메탄 전환율의 차이를 비교하기 위하여, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조한 촉매들을 이용하여 750℃의 건식 개질 반응에서 메탄 전환율의 차이를 비교하여, 도 5에 나타내었다.In order to compare the difference in conversion of methane in the dry reforming reaction at 750 ° C, the differences in the conversion of methane in the dry reforming reaction at 750 ° C were compared using the catalysts prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, Respectively.
구체적으로는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조한 촉매 분말 0.2g을 석영반응기에 고정시킨 후, 약 15%H2/85%N2 조성의 가스를 흘려주어 환원 분위기에서 800℃까지 온도를 올려 전처리를 약 12시간동안 진행하였다. 이 후 온도를 750℃로 낮추면서 건식 개질 반응 가스인 CH4와 CO2와 N2를 1:1:2 비율로 20ml/min로 주입하였다. 그 후, 반응기 출구의 가스를 가스크로마토그래피로 분석하여 촉매 성능을 가늠할 수 있는 메탄의 전환율을 구하였다.Specifically, after 0.2 g of the catalyst powder prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was fixed in a quartz reactor, a gas having a composition of about 15% H 2 /85% N 2 was flown and the temperature was reduced to 800 ° C. The temperature was raised and the pretreatment was carried out for about 12 hours. After that, CH 4 , CO 2 and N 2 were injected at a ratio of 1: 1: 2 at a rate of 20 ml / min while lowering the temperature to 750 ° C. After that, the gas at the outlet of the reactor was analyzed by gas chromatography to determine the conversion of methane, which can measure the catalytic performance.
도 5를 참조하면, 비교예 1의 경우 전환율이 0으로 메탄의 분해 반응이 전혀 일어나지 않은 것에 비하여, 실시예 2 및 3의 메탄 전환율이 현저하게 높아, Cr 자리에 전이 금속을 도핑 치환함으로서 촉매의 성능이 증가한다는 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 5, in Comparative Example 1, the methane conversion rate of Examples 2 and 3 was significantly higher than that of Comparative Example 1, in which no conversion reaction of methane occurred at all, and the transition metal was doped into the Cr site, It was found that the performance was increased.
실험예Experimental Example 5: 촉매의 열적 안정성 평가 5: Evaluation of thermal stability of catalyst
촉매의 열적 안정성 평가 방법을 위해서, 실시예 3에 따라 제조한 촉매를 대표로 건식 개질 반응의 온도 변화에 따른 성능을 평가하였다. For the evaluation of the thermal stability of the catalyst, the performance according to the temperature change of the dry reforming reaction was evaluated on the basis of the catalyst prepared according to Example 3.
도 6a 및 6b을 참조하면, 실시예 3에 따라 제조한 촉매는 건식 개질 반응 온도가 변함에 따라 메탄 전환율도 같이 변하는 것을 확인할 수 있다. 건식 개질 반응의 온도가 높을수록 촉매의 성능 또한 증가하는 것으로 보아, 본 발명의 촉매는 높은 온도의 건식 개질 반응 조건에서도 입자들의 열적 뭉침 현상에 의한 성능 저하가 없는 것을 확인하였다.Referring to FIGS. 6A and 6B, it can be seen that the methane conversion rate of the catalyst prepared according to Example 3 changes with the change of the dry reforming reaction temperature. As the temperature of the dry reforming reaction was higher, the performance of the catalyst was also increased. As a result, it was confirmed that the catalyst of the present invention had no performance deterioration due to thermal agglomeration of particles even under a high temperature dry reforming reaction.
또한, 외부 열원의 공급이 일시적으로 중단되어 섭씨 600도까지 온도가 떨어진 후에도 다시 열을 공급하기만 한다면 원래의 촉매 활성을 되찾는 특성 또한 확인할 수 있었다. 일반적으로 촉매 반응에서 반응 중에 열의 공급이 잠시라도 중단되면 활성점이 손실되거나 예상치 못한 활성 저하를 초래할 수 있는데, 본 발명의 촉매는 열 공급이 일시적으로 중단되어도 활성 저하가 없는 뛰어난 열적 안정성을 가진다는 것을 도 6a 및 6b에서 확인하였다.In addition, when the supply of external heat source is temporarily stopped and the temperature is further reduced to 600 ° C., the original catalytic activity can be recovered as long as the heat is supplied again. In general, when the supply of heat is temporarily stopped during the reaction in the catalytic reaction, active sites may be lost or unexpected activity may be lowered. The catalyst of the present invention has excellent thermal stability without any decrease in activity even when the supply of heat is temporarily stopped 6a and 6b.
실험예Experimental Example 6: 촉매의 장기 안정성 평가 6: Evaluation of long-term stability of catalyst
장시간 운전에 따른 촉매의 성능을 평가하기 위해, 실시예 2 및 3에 따라 제조된 촉매를 이산화탄소 포함 바이오 가스의 건식 개질 반응에 사용하였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다.In order to evaluate the performance of the catalysts over long periods of operation, the catalysts prepared according to Examples 2 and 3 were used for the dry reforming reaction of carbon dioxide-containing biogas. The results are shown in Fig.
구체적으로는 실시예 2 및 3에 따라 제조한 촉매 분말 0.2g을 석영반응기에 고정시킨 후, 약 15%H2/85%N2 조성의 가스를 흘려주어 환원 분위기에서 800℃까지 온도를 올려 전처리를 약 12시간동안 진행하였다. 이 후 온도를 750℃로 낮추면서 건식 개질 반응 가스인 CH4와 CO2와 N2를 1:1:2 비율로 주입하였다. 그 후, 반응기 출구의 가스를 가스크로마토그래피로 분석하여 촉매 성능을 가늠할 수 있는 메탄의 전환율을 50시간 동안(실시예 3의 경우 약 75시간) 구하였다. Specifically, after 0.2 g of the catalyst powder prepared according to Examples 2 and 3 was fixed in a quartz reactor, a gas having a composition of about 15% H 2 /85% N 2 was flowed to raise the temperature to 800 ° C. in a reducing atmosphere, For about 12 hours. After that, the temperature was reduced to 750 ° C, and CH 4 , CO 2 and N 2 were injected at a ratio of 1: 1: 2. Thereafter, the gas at the outlet of the reactor was analyzed by gas chromatography to determine the conversion rate of methane, which can measure the catalytic performance, for 50 hours (about 75 hours in Example 3).
도 7를 살펴보면, 실시예 2 및 3에 따라 제조된 촉매를 사용한 경우, 50시간 이상 반응을 수행한 이후에도 탄소 침적에 대한 저항성이 높아 촉매가 사용되는 반응 시간이 길어짐에도 불구하고 촉매의 성능이 유지될 수 있음을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 해당 촉매가 사용되는 연료 전지가 장기 운전되는 경우에도 높은 활성을 유지함으로써, 바이오 가스 개질, 특히 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스의 건식 개질 시 수소, 일산화탄소 등을 포함하는 합성 가스를 용이하게 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.7, when the catalysts prepared according to Examples 2 and 3 were used, even after the reaction was performed for 50 hours or more, the resistance to carbon deposition was high, It can be confirmed. Accordingly, even when the fuel cell in which the catalyst is used is operated for a long period of time, the activity is kept high, so that the synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide and the like can be easily used for the biogas reforming, especially the dry reforming of biogas including methane and carbon dioxide It can be confirmed that it can be manufactured.
Claims (12)
[화학식 1]
LaCr1-xMxO3-y
화학식 1에 있어서,
M은 전이 금속이고, x는 0보다 크고 1보다 작으며, y는 0 이상 1 이하이고,
상기 전이 금속은 루테늄(Rh) 또는 이리듐(Ir)이다.
A biogas reforming catalyst comprising a compound represented by the following formula (1):
[Chemical Formula 1]
LaCr 1-x M x O 3-y
In formula (1)
M is a transition metal, x is greater than 0 and less than 1, y is greater than or equal to 0 and less than or equal to 1,
The transition metal is ruthenium (Rh) or iridium (Ir).
x는 0보다 크고 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 바이오 가스 개질용 촉매.
The method according to claim 1,
x is greater than 0 and not greater than 0.05.
상기 바이오 가스 개질용 촉매는 단일 상(single phase)의 균일 촉매(homogeneous catalyst)인, 바이오 가스 개질용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the biogas reforming catalyst is a single phase homogeneous catalyst.
상기 바이오 가스 개질용 촉매는 담지체가 없는 것인, 바이오 가스 개질용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the biogas reforming catalyst has no support.
상기 바이오 가스 개질용 촉매는 바이오 가스 건식 개질용인, 바이오 가스 개질용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the biogas reforming catalyst is a biogas reforming catalyst.
상기 바이오 가스 개질용 촉매는 700℃ 내지 800℃에서 50시간 내지 100시간 운전 하는 동안 75%이상의 메탄 전환율을 나타내는 것인, 바이오 가스 개질용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the biogas reforming catalyst exhibits a methane conversion of 75% or more during a period of from 50 to 100 hours at 700 to 800 ° C.
상기 바이오 가스 개질용 촉매는 탄소 침적에 저항성을 갖는 것인, 바이오 가스 개질용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the biogas reforming catalyst is resistant to carbon deposition.
LaCrO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 크롬(Cr) 일부를 전이 금속으로 도핑 치환하여, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제조하는 단계;를 포함하는 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법.
The method for producing a biogas reforming catalyst according to claim 1,
Preparing a compound represented by Formula 1 by doping a part of chromium (Cr) in a perovskite material represented by LaCrO 3 with a transition metal to prepare a biogas reforming catalyst .
상기 페로브스카이트(perovskite) 물질을 부분적으로 전이 금속으로 도핑 치환하는 것은,
LaCrO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질을 용해시키기 위한 용매로서 증류수 또는 탈이온수(deionized water, DI water)를 사용하여 졸-겔 법(Sol-Gel method)을 통해 수행되는 것인, 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Partially doping and substituting the perovskite material with a transition metal,
Gel method is performed using distilled water or deionized water (DI water) as a solvent for dissolving the perovskite material represented by LaCrO 3 . A method for producing a catalyst for reforming biogas.
상기 페로브스카이트(perovskite) 물질을 부분적으로 전이 금속으로 도핑 치환한 후에,
상기 화학식 1로 표시되는 촉매를 수소, 질소, 헬륨 및 아르곤으로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상으로 활성화 처리하는 단계;를 포함하는, 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
After the perovskite material is partially doped and substituted with a transition metal,
1. A method for producing a catalyst for biogas reforming, comprising: activating a catalyst represented by the above formula (1) to at least one selected from the group consisting of hydrogen, nitrogen, helium and argon.
상기 활성화 처리는 비활성 기체로서 수소를 포함하는 가스를 사용하여 750℃ 내지 900℃에서 수행되는 것인, 바이오 가스 개질용 촉매의 제조 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the activation treatment is carried out at a temperature of 750 ° C to 900 ° C using a gas containing hydrogen as an inert gas.
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