KR102152596B1 - A method for preparing an electrode catalyst for a fuel cell having sufur resistance and carbon coking resistance and a dry reforming method using the catalyst - Google Patents

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KR102152596B1 KR1020180075983A KR20180075983A KR102152596B1 KR 102152596 B1 KR102152596 B1 KR 102152596B1 KR 1020180075983 A KR1020180075983 A KR 1020180075983A KR 20180075983 A KR20180075983 A KR 20180075983A KR 102152596 B1 KR102152596 B1 KR 102152596B1
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Abstract

연료전지용 전극 촉매의 제조방법으로서, 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및 상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 650℃ 이상에서 10시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법이 개시된다. A method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising: doping and substituting a part of Ti in a perovskite material with a noble metal or a transition metal; And reducing the doped-substituted perovskite material at 650° C. or higher for 10 hours or longer. A method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell is disclosed.

Figure R1020180075983
Figure R1020180075983

Description

내황성 및 탄소 침적 저항성을 가지는 연료전지용 전극 촉매 제조방법 및 해당 촉매의 건식 개질 방법 {A METHOD FOR PREPARING AN ELECTRODE CATALYST FOR A FUEL CELL HAVING SUFUR RESISTANCE AND CARBON COKING RESISTANCE AND A DRY REFORMING METHOD USING THE CATALYST}A method of manufacturing an electrode catalyst for fuel cells having sulfur resistance and carbon deposition resistance, and a dry reforming method of the catalyst {A METHOD FOR PREPARING AN ELECTRODE CATALYST FOR A FUEL CELL HAVING SUFUR RESISTANCE AND CARBON COKING RESISTANCE AND A DRY REFORMING METHOD USING THE CATALYST}

본 발명은 연료전지용 전극 촉매 제조방법 및 해당 촉매의 건식 개질 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 내황성 및 탄소 침적 저항성을 가지는 연료전지용 전극 촉매 제조방법 및 해당 촉매의 건식 개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing an electrode catalyst for a fuel cell and a method for dry reforming the catalyst. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell having sulfur resistance and carbon deposition resistance, and a dry reforming method of the catalyst.

고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 및 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은 고온 연료전지는 농업, 일반 및 음식물 쓰레기, 두엄, 식물 물질 등으로부터 만들어지는 메탄(CH4)을 주성분으로 하는 바이오가스(biogas)와 같은 CO2 중립(neutral)한 대체연료를 이용하여 효율적으로 전력으로 변환이 가능하여 청정발전을 구현할 수 있으나, 이러한 대체연료를 바로 연료전지에 공급할 경우 연료에 포함되어 있는 불순물에 의해 연료전지 성능이 크게 저하될 수 있으며, 경우에 따라 연료전지 내에서 탄소 침적이 발생하여 연료전지 성능이 크게 감소될 수 있다.High-temperature fuel cells such as Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) and Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) are methane (CH 4) made from agricultural, general and food waste, manure, and plant materials. ) As a main component of CO 2 neutral alternative fuel such as biogas, which can be efficiently converted into electric power, thereby realizing clean power generation.However, if such alternative fuel is supplied directly to fuel cells, fuel The performance of the fuel cell may be greatly degraded due to impurities contained in the fuel cell, and in some cases, carbon deposition may occur in the fuel cell, thereby greatly reducing the performance of the fuel cell.

대체연료 특성상 불순물의 농도와 연료의 조성이 시간과 계절에 따라 변화하여, 대체연료를 고온 연료전지에 바로 적용할 경우 불순물 및 탄소 침적에 내성이 높은 전지구성요소의 개발이 필요하다. 또한, 상기 특성을 가지는 촉매 및 전지가 경제적으로 제작이 되어야 한다. 본 특허는 상기 용도에 대응할 수 있는 물질을 연료전지 전극 및 촉매로 사용하여, 내황성 및 탄소 침적 저항성이 있는 건식 개질 방법을 제안하고자 한다.Due to the characteristics of the alternative fuel, the concentration of impurities and the composition of the fuel change with time and season, and when the alternative fuel is directly applied to a high-temperature fuel cell, it is necessary to develop a cell component that is highly resistant to impurities and carbon deposition. In addition, catalysts and batteries having the above characteristics must be manufactured economically. This patent is intended to propose a dry reforming method having sulfur resistance and carbon deposition resistance by using a material capable of corresponding to the above use as a fuel cell electrode and a catalyst.

한국 공개 특허 제10-2013-0133251호Korean Patent Publication No. 10-2013-0133251

본 발명의 목적은 내황성 및 탄소 침적 저항성이 우수한 연료전지용 촉매를 제조하고, 그러한 촉매를 이용하여 효과적으로 메탄을 건식 개질 하는 것이다.An object of the present invention is to prepare a catalyst for a fuel cell having excellent sulfur resistance and carbon deposition resistance, and to effectively dry-reform methane using such a catalyst.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및 상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 650℃ 이상에서 10시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법을 제공한다.In an exemplary embodiment of the present invention, a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell includes the steps of doping and substituting a part of Ti with a noble metal or a transition metal among the perovskite materials represented by the following Formula 1; And reducing the doped-substituted perovskite material at 650° C. or higher for 10 hours or longer. It provides a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell comprising a.

[화학식 1][Formula 1]

Sr1-yYyTiO3-z Sr 1-y Y y TiO 3-z

상기 화학식 1에서 0<y<1 및 0<z<1 이다.In Formula 1, 0<y<1 and 0<z<1.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 연료전지용 전극 촉매의 내황성 및 탄소 침적 저항성 향상 방법으로서, 상기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및 상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 650℃ 이상에서 10시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 내황성 및 탄소 침적 저항성 향상 방법을 제공한다.In an exemplary embodiment of the present invention, a method for improving sulfur resistance and carbon deposition resistance of an electrode catalyst for a fuel cell, comprising: doping and substituting a portion of Ti in the perovskite material represented by Formula 1 with a noble metal or a transition metal; And reducing the doped-substituted perovskite material at 650° C. or higher for 10 hours or longer. It provides a method of improving sulfur resistance and carbon deposition resistance of an electrode catalyst for a fuel cell comprising.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 연료전지용 전극 촉매로서, 하기 화학식 2로 표시되고, M이 페로브스카이트 물질 상에 용출(exsolution)된 것인, 연료전지용 전극 촉매를 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention provides an electrode catalyst for a fuel cell, represented by the following formula (2), wherein M is eluted on a perovskite material.

[화학식 2][Formula 2]

Sr1-yYyTi1-xMxO3-z Sr 1-y Y y Ti 1-x M x O 3-z

상기 화학식 2에서 0<x<1, 0<y<1 및 0<z<1 이고, 상기 M는 귀금속 또는 전이금속이다.In Formula 2, 0<x<1, 0<y<1, and 0<z<1, and M is a noble metal or a transition metal.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 연료전지용 전극 촉매를 이용한 메탄 건식 개질 방법을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention provides a methane dry reforming method using an electrode catalyst for a fuel cell.

본 발명에 따르면, 귀금속 또는 전이금속귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 고온(650℃ 이상)에서 장시간(10시간 이상) 환원 처리하여, 내황성과 탄소 침적 저항성이 향상된 연료전지용 전극 촉매를 제조할 수 있다.According to the present invention, a perovskite material doped and substituted with a noble metal or a transition metal noble metal or a transition metal is reduced for a long time (more than 10 hours) at a high temperature (650°C or higher), thereby improving sulfur resistance and carbon deposition resistance. An electrode catalyst can be prepared.

또한, 상기 촉매는 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar)과 같은 비활성 기체와 함께 수소 분위기 하에서 환원됨으로써, 상기 도핑 치환된 귀금속 또는 전이금속을 페로브스카이트 물질 표면에 용출(exsolution)시켜 보다 높은 촉매 활성을 가질 수 있다.In addition, the catalyst is reduced in a hydrogen atmosphere with an inert gas such as nitrogen (N 2 ), helium (He) or argon (Ar), thereby eluting the doped-substituted noble metal or transition metal on the surface of the perovskite material ( exsolution) to have higher catalytic activity.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 전극 촉매는 페치니법을 통하여 제조되므로, 고상법(solid state reaction)에 비해 상대적으로 비표면적이 크고 고순도의 물질을 제조할 수 있으며, 겔화 반응 속도를 조절하여 기공 사이즈 등 표면 특성을 조절할 수 있다.In addition, since the electrode catalyst for a fuel cell according to the present invention is prepared through the Petchney method, it is possible to manufacture a material having a relatively large specific surface area and high purity compared to the solid state reaction, and by controlling the gelation reaction rate Surface characteristics such as size can be adjusted.

도 1은 Ru, Rh, Ni과 같은 귀금속 또는 전이금속(M)이 도핑된 SYT (Sr0 . 98Y0 .02 Ti1-xMxO3) 페로브스카이트 촉매의 솔-젤(sol-gel)법에 기초한 페치니법(Pechini method)에 의한 제조 방법 및 촉매의 메탄 건식 개질(Dry Reforming of Methane, DRM) 성능을 평가하는 장치의 개요 및 성능 평가 조건을 나타낸 것이다.
도 2는 기존의 함침법(impregnation method)에 의해 활성물질인 금속(전이 (transition metal)혹은 귀금속(precious metal))이 지지체(support)인 SrYTiO3 형태의 페로브스카이트(perovskite) 위에 담지(loading)된 것과 ABO3 형태의 페로브스카이의 B자리에 있는 Ti의 일부를 금속으로 치환하여 페로브스카이트 구조 내부 격자(lattice)에 도핑(doping)되도록 한 것의 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 제안된 법에 의해 합성된 SYT 및 Ru이 각각 Ti의 5, 10 그리고 15 mol% 치환 도핑된 물질의 건식 개질 전후의 결정상을 XRD 분석법에 의해 분석한 것이다.
도 4는 Ru이 5mol% 치환된 SYTRu5 촉매에 대한 기존의 900℃, 4시간 환원 처리를 하여 12.5 ppm의 H2S 유무에 따른 온도별 건식 개질 성능 및 장시간 성능 안정성을 메탄의 전환율로 비교한 것이다.
도 5는 10 mol%의 Ru이 도핑된 촉매(SYTRu10)와 담지된 촉매(Ru 10 loaded SYT)촉매의 H2S 없이 온도별 반응 활성과 750℃에서의 장시간 안정성을 메탄 전환율로 평가한 그림이다.
도 6은 순수한 SYT 및 Ru이 각각 Ti의 2, 5, 10 mol% 도핑된 SYTRu2, 5, 10 및 SYTRu10과 같은 양의 Ru이 담지된 Ru 10 loaded SYT 촉매의 600℃에서 900℃까지의 메탄 및 이산화탄소 전환율을 나타낸 그림이다.
도 7은 SYTRu5 촉매의 900℃ 20% 수소분위기에서 각각 4, 12, 24 시간동안 전처리 한 촉매의 600℃ 내지 900℃에서의 메탄 전환율을 나타낸 그림이다.
도 8은 앞서 도 7에 이어 100 ppm의 H2S를 공급하면서 각각 900℃ 및 750℃에서의 메탄 전환율을 나타낸 그림이다.
도 9는 로듐(Rh)이 Ti의 자리에 5 mol% 치환된 SYTRh5 촉매의 900℃에서 각각 12시간 및 24시간 환원 처리후 900℃의 반응온도에서 100 ppm의 H2S 존재하에서의 메탄 전환율을 나타낸 것이다.
도 10은 100 ppm의 H2S 존재 하에서 각각 Ru, Rh 그리고 Ni 5mol% 치환된 SYTRu5, SYTRh5, 그리고 SYTNi5 촉매의 900℃, 24시간동안 수소 전처리를 한 촉매에 대한 메탄 건식 개질 성능을 평가한 그림이다.
도 11은 순수한 SYT 촉매의 N2분위기에서 승온 후 900℃에서 100 ppm의 H2S 존재 하에서의 메탄 건식 개질 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 SYTRh10 촉매의 900℃ 24시간 환원 처리 전후의 TEM 이미지 및 퓨리에 변환 (Fast Fourier Transform, FFT) 패턴을 나타낸 것이다.
도 13은 SYT(순수), SYTRu10(치환), Ru 10 loaded SYT(담지) 촉매의 SEM과 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 14는 SYTRu5 촉매 및 각각 900℃ 4시간 및 24시간 전처리 한 후 H2S 존재 하에서 건식 개질 평가한 촉매에 대한 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 15는 SYTRu10(치환), Ru 10 loaded SYT(담지) 촉매의 메탄 건식 개질 반응 후에 있어서 TEM을 이용한 성분 분포 매핑 (elemental image mapping) 그림이다.
도 16은 SYT 및 SYTRu 촉매의 메탄 건식 반응 전후에 있어서 SEM/EDX(SEM Energy Dispersive Spectrometer)법에 의해 분석된 표면 조성 변화를 나타낸 것이다.
도 17은 촉매 활성 금속이 도핑된 페로브스카이 촉매가 환원 처리 되었을 때 H2S 존재 하에서 메탄의 건식 반응 여부를 나타낸 그림이다.
1 is Ru, Rh, a noble metal or a transition metal (M), such as Ni doped SYT (Sr 0 98 Y 0 .02 Ti 1-x M x O 3.) Sol of the perovskite catalyst-gel (sol -gel) method based on the Pechini method and the outline of the apparatus for evaluating the methane dry reforming (Dry Reforming of Methane, DRM) performance of the catalyst and the performance evaluation conditions are shown.
FIG. 2 shows that a metal (transition metal or precious metal) as an active material is supported on a SrYTiO 3 type perovskite by a conventional impregnation method ( It shows that a part of Ti at the B site of the ABO3 type perovskite is substituted with metal to be doped into the lattice inside the perovskite structure.
3 is an XRD analysis of a crystal phase before and after dry modification of a material doped with 5, 10 and 15 mol% substitution of Ti of SYT and Ru synthesized by the method proposed in the present invention, respectively.
FIG. 4 is a comparison of dry reforming performance and long-term performance stability by temperature according to the presence or absence of 12.5 ppm H 2 S for the SYTRu5 catalyst substituted with 5 mol% of Ru by reduction treatment at 900°C for 4 hours with the conversion rate of methane. .
5 is a diagram showing the reaction activity by temperature and long-term stability at 750°C without H 2 S of a catalyst doped with 10 mol% Ru (SYTRu10) and a supported catalyst (Ru 10 loaded SYT) as a methane conversion rate. .
6 is methane from 600° C. to 900° C. of a Ru 10 loaded SYT catalyst in which pure SYT and Ru are doped with 2, 5, 10 mol% of Ti, respectively, and Ru 10 loaded SYT catalyst in the same amount as SYTRu2, 5, 10 and SYTRu10 This is a picture showing the carbon dioxide conversion rate.
7 is a diagram showing the methane conversion rate of the catalyst pretreated for 4, 12, and 24 hours in a 900°C 20% hydrogen atmosphere of the SYTRu5 catalyst at 600°C to 900°C, respectively.
8 is a diagram showing methane conversion rates at 900°C and 750°C, respectively, while supplying 100 ppm of H2S following FIG. 7.
9 shows the methane conversion rate in the presence of 100 ppm of H 2 S at a reaction temperature of 900° C. after reduction treatment at 900° C. for 12 hours and 24 hours, respectively, of a SYTRh5 catalyst in which 5 mol% of rhodium (Rh) is substituted in the place of Ti. will be.
FIG. 10 is a diagram for evaluating the methane dry reforming performance of catalysts subjected to hydrogen pretreatment at 900° C. for 24 hours at 900° C. of SYTRu5, SYTRh5, and SYTNi5 catalysts each substituted with 5 mol% of Ru, Rh and Ni in the presence of 100 ppm H 2 S. to be.
11 shows the results of methane dry reforming in the presence of 100 ppm of H 2 S at 900° C. after heating in an N 2 atmosphere of a pure SYT catalyst.
12 shows a TEM image and a Fast Fourier Transform (FFT) pattern before and after reduction treatment at 900° C. for 24 hours of a SYTRh10 catalyst.
13 shows SEM and TEM images of SYT (pure), SYTRu10 (substituted), and Ru 10 loaded SYT (supported) catalysts.
14 shows a TEM image of a SYTRu5 catalyst and a catalyst evaluated for dry reforming in the presence of H 2 S after pretreatment at 900° C. for 4 hours and 24 hours, respectively.
FIG. 15 is a diagram of elemental image mapping using TEM after methane dry reforming reaction of SYTRu10 (substitution) and Ru 10 loaded SYT (supported) catalysts.
FIG. 16 shows changes in surface composition analyzed by SEM/EDX (SEM Energy Dispersive Spectrometer) method before and after methane dry reaction of SYT and SYTRu catalysts.
17 is a diagram showing whether a dry reaction of methane in the presence of H 2 S when a perovskite catalyst doped with a catalytically active metal is subjected to reduction treatment.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary 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 text are exemplified for purposes of explanation only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being 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. The present invention is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, as various changes can be added and various forms may be added, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention It should be understood to include.

본 명세서에서 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 present specification, bio-gas is a gaseous fuel that can produce biomass such as sewage sludge and food waste through anaerobic digester, gasification, and pyrolysis. to be. Such biogas contains methane (55-70%) and carbon dioxide (30-45%) as main components, and contains impurities such as sulfur (S).

본 명세서에서 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 present specification, a dry reforming reaction refers to a reaction of reacting carbon dioxide and methane to produce carbon monoxide and hydrogen. The dry reforming reaction is useful in terms of reuse of carbon dioxide, and it is an endothermic reaction, so the reaction is low. For reference, Reaction Formula 1 below is a reaction formula of a dry reforming reaction of carbon dioxide.

[반응식 1][Scheme 1]

CH4 + CO2 ↔2CO + 2H2 (△298K = +247 kJ/mol) CH 4 + CO 2 ↔2CO + 2H 2 (△ 298K = +247 kJ / mol)

본 명세서에서 균일 촉매(homogenous catalyst)란, 물질 격자 내에 치환되는 활성 물질이 포함되어 단일 상(single phase)을 유지할 수 있는 촉매를 의미한다. In the present specification, a homogenous catalyst refers to a catalyst capable of maintaining a single phase by including an active material substituted in a material lattice.

본 명세서에서 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 present specification, the long-term stability of the catalyst means the conversion rate of the catalyst or the hydrogen selectivity (the molar ratio of the generated hydrogen to the fuel consumed in the reaction), that is, a property capable of maintaining a high catalytic activity over a required level for a long time . Therefore, improving the long-term stability of the catalyst means improving the life of the catalyst.

본 명세서에서 페치니 법(Pechini method)이란 광범위하게, 폴리머 수지(구연산)에 포함된 산과 용매에 녹아있는 양이온들 간의 킬레이트(chelation) 작용, 및 금속-킬레이트 복합체와 폴리하드록시알코올(타이타늄 이소프로폭사이드)간의 중합에 의한 작용이 양이온의 분산을 일으켜 화학적으로 균일하고 안정한 전구체를 얻을 수 있는 분말 합성법을 의미한다.In the present specification, the Pechini method broadly refers to a chelating action between an acid contained in a polymer resin (citric acid) and cations dissolved in a solvent, and a metal-chelating complex and polyhydroxyalcohol (titanium isopro). It refers to a powder synthesis method in which a chemically homogeneous and stable precursor can be obtained by the action of polymerization between foxsides) causing the dispersion of cations.

촉매의 제조방법Method for producing catalyst

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 연료전지용 전극 촉매의 제조방법으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및 상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 650℃ 이상에서 10시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell, comprising: doping and substituting a part of Ti with a noble metal or a transition metal among the perovskite materials represented by the following Formula 1; And reducing the doped-substituted perovskite material at 650° C. or higher for 10 hours or longer. It provides a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell comprising a.

[화학식 1][Formula 1]

Sr1-yYyTiO3-z Sr 1-y Y y TiO 3-z

상기 화학식 1에서 0<y<1 및 0<z<1 이다. In Formula 1, 0<y<1 and 0<z<1.

보다 구체적으로, 상기 페로브스카이트(perovskite) 물질에서 B 자리(Ti)의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환하기 위해서, 용매로서 증류수 또는 탈이온수(deionized water, DI water)를 사용하여, 알려진 건식 촉매 제조법 중 페치니 법(Pechini method)을 통해 수행될 수 있다.More specifically, in order to doping-substitute part of the B site (Ti) with a noble metal or transition metal in the perovskite material, distilled water or deionized water (DI water) is used as a solvent. Among dry catalyst manufacturing methods, it may be carried out through the Pechini method.

즉, 도 1의 촉매 합성 절차를 참고하면, 일 구현예에서, 질산 이트륨 ((Y(NO3)3H2), Aldrich)및 질산 스트론튬 (Sr(NO3)3H2), Aldrich)과 같은 화합물을 증류수 또는 탈이온수(DI water)에 용해시켜 제1 용액을 제조할 수 있다. 티타늄 화합물(Ti[OCH(CH3)2]4) 및 구연산을 에틸렌글리콜에 충분히 용해시켜 제2 용액을 제조할 수 있다. 삼염화루테늄 (Ruthenium chloride hydrate (RuCl3xH2O)), 삼염화로듐 (Rhodium chloride hydrate (RhCl3xH2O)), 또는 질산 니켈 (Nickel nitrate hexahydrate (Ni(NO3)36H2O)), 전구 물질(precursor)을 증류수 또는 탈이온수(DI water)에 용해시켜 제3 용액을 제조할 수 있다. 이때, 이트륨(Y), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti) 및 Ru, Rh 또는 Ni과 같은 귀금속 또는 전이금속의 각 화합물들은 종래와 같이 에탄올이 아닌 증류수 또는 탈이온수(DI water)에 용해됨으로써, 제조되는 촉매 내에 불순물 함량을 최소화시킬 수 있다. That is, referring to the catalyst synthesis procedure of FIG. 1, in one embodiment, yttrium nitrate ((Y(NO 3 ) 3 H 2 ), Aldrich) and strontium nitrate (Sr(NO 3 ) 3 H 2 ), Aldrich) and The first solution may be prepared by dissolving the same compound in distilled or deionized water (DI water). A second solution may be prepared by sufficiently dissolving a titanium compound (Ti[OCH(CH 3 ) 2 ] 4 ) and citric acid in ethylene glycol. Ruthenium chloride hydrate (RuCl 3 xH 2 O), rhodium trichloride (Rhodium chloride hydrate (RhCl 3 xH 2 O)), or Nickel nitrate hexahydrate (Ni(NO 3 ) 3 6H 2 O)), A third solution may be prepared by dissolving a precursor in distilled water or DI water. At this time, each compound of noble metal or transition metal such as yttrium (Y), strontium (Sr), titanium (Ti) and Ru, Rh or Ni is dissolved in distilled or deionized water (DI water) instead of ethanol as in the prior art, It is possible to minimize the content of impurities in the produced catalyst.

이렇게 제조된 상기 제1 용액, 제2 용액 및 제3 용액을 함께 혼합하여 약 80℃에서 충분히 교반하고, 약 110℃에서 건조시킨 뒤, 약 300℃이상 내지 450℃이하 온도에서 하소(calcination)할 수 있다. 상기 하소 공정은 1회 이상, 예를 들어 약 300℃에서 1차 하소 공정을 수행하고, 약 450℃에서 2차 하소 공정을 수행함으로써 수행될 수 있다. 이에 따라, 촉매 제조 중 발생될 수 있는 유기물을 효과적으로 제거할 수 있다. 하소된 화합물들은 분쇄(grinding)될 수 있으며, 최종적으로 약 650℃에서 추가적으로 하소될 수 있다. The first solution, the second solution, and the third solution thus prepared are mixed together, sufficiently stirred at about 80° C., dried at about 110° C., and then calcined at a temperature above about 300° C. and below 450° C. I can. The calcination process may be performed more than once, for example, by performing a first calcination process at about 300°C and a second calcination process at about 450°C. Accordingly, it is possible to effectively remove organic substances that may be generated during catalyst preparation. The calcined compounds may be grinded and finally further calcined at about 650°C.

이상 설명한 공정들이 용매로서 증류수 또는 탈이온수(deionized water, DI water)를 사용하는 페치니 법(Pechini method)이다.The above-described processes are the Pechini method using distilled water or deionized water (DI water) as a solvent.

도 2를 참고하면, 본원 발명의 촉매는 기존의 함침법(impregnation method)에 의해 활성물질인 금속(전이 (transition metal)혹은 귀금속(precious metal))이 지지체(support)인 SrYTiO3 형태의 페로브스카이트(perovskite) 위에 담지(loading)된 것과 달리, ABO3 형태의 페로브스카이의 B자리에 있는 Ti의 일부를 금속으로 치환하여 페로브스카이트 구조 내부 격자(lattice)에 도핑(doping) 되도록 한 것이다.Referring to FIG. 2, the catalyst of the present invention is a SrYTiO 3 type perovskite in which the active material metal (transition metal or precious metal) is supported by the conventional impregnation method. Unlike loading on the perovskite, a part of Ti at the B site of the ABO 3 type perovskite is replaced with metal so that it is doped into the lattice inside the perovskite structure. I did it.

이후, 제조된 촉매를 활성화 처리 즉, 환원시킨다.Thereafter, the prepared catalyst is subjected to activation treatment, that is, reduction.

본 발명에서 기존의 촉매 활성화 처리 방법과 가장 다른 내용은 촉매 활성 증진을 위한 전처리(환원) 온도와 시간을 증가시킨 것이다. 일반적인 금속 산화물 지지체 위에 담지된 금속 촉매 활성 물질을 금속 상태로 만들기 위해 600-700℃ 사이의 온도에서 수소를 이용하여 2-4시간 정도 환원을 시킨다. 본 발명자들은 촉매의 내황성과 탄소 침적 저항성을 향상시키기 위하여 기존의 환원 처리 온도와 다르게 650℃ 이상의 온도에서, 10시간 이상 환원 반응을 진행하였다. 예컨대, 상기 환원 온도는 650℃ 이상, 700℃ 이상, 750℃ 이상, 800℃ 이상, 850℃ 이상, 또는 900℃ 이상일 수 있다. 또한, 상기 환원 시간은 10시간 이상, 12시간 이상, 14시간 이상, 16시간 이상, 18시간 이상, 20시간 이상, 22시간 이상 또는 24시간 이상일 수 있다. In the present invention, the most different content from the existing catalyst activation treatment method is to increase the pretreatment (reduction) temperature and time for enhancing catalyst activity. In order to make the metal catalytically active material supported on a general metal oxide support into a metallic state, reduction is performed for 2-4 hours using hydrogen at a temperature between 600-700°C. In order to improve the sulfur resistance and carbon deposition resistance of the catalyst, the present inventors performed a reduction reaction for 10 hours or more at a temperature of 650° C. or higher, different from the conventional reduction treatment temperature. For example, the reduction temperature may be 650°C or higher, 700°C or higher, 750°C or higher, 800°C or higher, 850°C or higher, or 900°C or higher. In addition, the reduction time may be 10 hours or more, 12 hours or more, 14 hours or more, 16 hours or more, 18 hours or more, 20 hours or more, 22 hours or more, or 24 hours or more.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 귀금속 또는 전이금속은 예컨대 귀금속인 Pt, Pb, Pd, Ir, Pr 중 하나 이상일 수 있고, 전이금속인 Cu, Fe, Co, Mn 중 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 Ru, Rh 및 Ni로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In exemplary embodiments, the noble metal or transition metal may be, for example, one or more of noble metals Pt, Pb, Pd, Ir, and Pr, and may be one or more of transition metals Cu, Fe, Co, and Mn, preferably May be at least one selected from the group consisting of Ru, Rh and Ni.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 환원시키는 단계는 수소 분위기에서 비활성 기체를 이용하여 수행될 수 있다. 예시적인 구현예들에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소, 헬륨 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In example embodiments, the reducing may be performed using an inert gas in a hydrogen atmosphere. In exemplary embodiments, the inert gas may be at least one selected from the group consisting of nitrogen, helium, and argon.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 환원시키는 단계는 상기 귀금속 또는 전이금속을 상기 페로브스카이트 물질 상에서 용출(exsolution)시키기 위한 것일 수 있다. 상기 환원시키는 단계를 통하여 귀금속 또는 전이금속을 용출시킴으로써, 상기 귀금속 또는 전이금속은 기존의 페로브스카이트 물질을 대신하여 수소의 전기 화학적 산화에 도움을 주는 변환 촉매 기능을 수행할 수 있다. In example embodiments, the reducing step may be for exsolution of the noble metal or transition metal on the perovskite material. By eluting the noble metal or the transition metal through the reducing step, the noble metal or the transition metal may perform a conversion catalyst function that aids in the electrochemical oxidation of hydrogen in place of the existing perovskite material.

종래 수소에 의해 전처리를 할 경우 Ni이 표면으로 많이 노출되고 탄소 침적, 황피독 및 열적 내구성이 약하다고 알려진 Ni이 쉽게 피독 및 열적 응집(agglomeration)되니 전처리를 위한 수소 처리 공정도 필요 없고 귀금속을 쓰지 않고도 건식 개질 성능을 낼 수 있다는 주장이 있었다.Conventional pretreatment with hydrogen exposes a lot of Ni to the surface, and Ni, known to have poor carbon deposition, sulfur poisoning, and thermal durability, is easily poisoned and thermally agglomerated.Therefore, there is no need for a hydrogen treatment process for pretreatment, and no precious metal is used. It has been argued that it can achieve dry reforming performance.

그러나, 본 발명의 경우, 표면으로 나노 크기의 촉매 활성 물질을 수소분위기에서 환원처리하여, 도핑된 귀금속 또는 전이금속을 용출시키면 담지시키는 것에 비해 입자 크기도 작게 표면에 고르게 분포할 수 있으며, 표면에 담지된 촉매에 비하여 지지체 격자에 치환된 것이라 결합이 세어 (강하게 앵커링(anchoring) 앞서 기술한 내 탄소침적 및 내황성을 가진 것 이외 내구성 및 고가의 촉매물질을 적게 사용할 수 있어 경제성도 가지고 있다고 생각된다. However, in the case of the present invention, when a nano-sized catalytically active material is reduced to the surface in a hydrogen atmosphere, and the doped noble metal or transition metal is eluted, the particle size can be smaller than that of the support and evenly distributed on the surface. Compared to the supported catalyst, since it is substituted on the support lattice, the bond is strong (strongly anchoring).It is considered to have economical efficiency as it can use less durable and expensive catalyst materials other than those having carbon deposition and sulfur resistance described above. .

보다 구체적으로 도 17을 참고하면, ABO3 구조의 페로브스카이트 물질은 기본적으로 완전한 산화물이 아니라 산소의 일부가 결핍(oxygen vacancy or oxygen defects)된 물질로서 입방적 구조(cubic structure) 또는 사방정계 구조(orthorhombic structure)를 가진 물질로 연료전지 전극, 고온 초전도체, 태양광등의 광전자소재, 촉매 등에서 폭넓게 응용 연구되고 있는 물질이다. More specifically, referring to FIG. 17, a perovskite material having an ABO 3 structure is not basically a complete oxide, but a material depleted of oxygen (oxygen vacancy or oxygen defects), and has a cubic structure or an orthorhombic structure. As a material having an orthorhombic structure, it is widely applied and studied in fuel cell electrodes, high-temperature superconductors, optoelectronic materials such as sunlight, and catalysts.

이런 물질의 B 자리에 촉매 물질을 치환-도핑을 하면 내부 격자 (bulk lattice)에 금속 입자가 존재하게 된다. 이렇게 존재하는 입자는 수소에 의한 환원 분위기에서 산소와 수소의 차이로 인하여 물질의 표면으로 용출(exsolution)하며 내부에 산소 빈자리(결함)가 더욱 많이 생성을 하게 되어 이것이 표면 근처에서 산화-환원 특성(redox property)을 더욱 갖게 한다. 이렇게 표면으로 이동한 금속 물질은 수 나노 크기의 나노 닷(nano dot) 크기로 표면에 존재하게 된다. Substituting-doped catalytic material at the B site of this material causes metal particles to exist in the bulk lattice. The particles present in this way are eluted to the surface of the material due to the difference between oxygen and hydrogen in the reducing atmosphere by hydrogen, and oxygen vacancies (defects) are created more inside, and this is the oxidation-reduction characteristic ( redox property). The metal material that has moved to the surface in this way exists on the surface in the size of several nano-sized nano dots.

알려진 Mars-Van Krevelen 메커니즘에 기초하면, 표면으로 돌출된 금속 입자에 CH4, CO2, H2S가 흡착을 하여 표면에 C(ads), CO(ads), H2S(ads)을 형성하며 이것이 금속과 지지체인 페로브스카이트 사이의 계면(interface)으로 이동(migration)하여 산소 빈자리에 의해 생성된 활성 산소(active oxygen, O-)과 결합하여 CO와 SO2 그리고 반응에 의해 탈착된 H2등을 발생시킬 것으로 생각된다.Based on the known Mars-Van Krevelen mechanism, CH 4 , CO 2 , H 2 S are adsorbed on metal particles protruding to the surface, forming C (ads) , CO (ads) and H 2 S (ads) on the surface. and this metal and the support chain perovskite moves (migration) to the surface (interface) of the site of free radicals generated by the oxygen vacancy (active oxygen, O -) in combination with the desorption by the CO and SO 2, and the reaction It is thought to generate H 2 and the like.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 연료전지용 전극 촉매의 내황성 및 탄소 침적 저항성 향상 방법으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및 상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 650℃ 이상에서 10시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 내황성 및 탄소 침적 저항성 향상 방법을 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, as a method of improving sulfur resistance and carbon deposition resistance of an electrode catalyst for a fuel cell, a step of doping and substituting a part of Ti in a perovskite material represented by the following Formula 1 with a noble metal or a transition metal ; And reducing the doped-substituted perovskite material at 650° C. or higher for 10 hours or longer. It provides a method of improving sulfur resistance and carbon deposition resistance of an electrode catalyst for a fuel cell comprising.

[화학식 1][Formula 1]

Sr1-yYyTiO3-z Sr 1-y Y y TiO 3-z

상기 화학식 1에서 0<y<1 및 0<z<1 이다. In Formula 1, 0<y<1 and 0<z<1.

촉매catalyst

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 연료전지용 전극 촉매로서, 하기 화학식 2로 표시되고, M이 페로브스카이트 물질 상에 용출(exsolution)된 것인, 연료전지용 전극 촉매를 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, an electrode catalyst for a fuel cell is provided as an electrode catalyst for a fuel cell, represented by Formula 2 below, and wherein M is eluted on a perovskite material.

[화학식 2][Formula 2]

Sr1-yYyTi1-xMxO3-z Sr 1-y Y y Ti 1-x M x O 3-z

상기 화학식 2에서 0<x<1, 0<y<1 및 0<z<1 이고, 상기 M는 귀금속 또는 전이금속이다. In Formula 2, 0<x<1, 0<y<1, and 0<z<1, and M is a noble metal or a transition metal.

상기 촉매는, 상기 화학식 2로 표시되며 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 스트론튬(Sr) 일부가 이트륨(Y)으로 도핑 치환되고 티타늄(Ti) 일부가 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환된 것이다. 즉, 상기 촉매는, ABO3의 구조를 갖는 페로브스카이트 물질에서 A 자리(Sr)의 일부 및 B 자리(Ti)의 일부가 각각 서로 다른 물질(A 자리에 Ti 및 B 자리에 귀금속 또는 전이금속)로 도핑 치환됨으로써, 기본 구조로서 페로브스카이트 구조를 유지할 수 있다.The catalyst is represented by Chemical Formula 2, in which a part of strontium (Sr) of a perovskite material is doped-substituted with yttrium (Y) and a part of titanium (Ti) is doped-substituted with a noble metal or transition metal. That is, the catalyst is a material in which a part of the A site (Sr) and a part of the B site (Ti) in a perovskite material having a structure of ABO 3 are different from each other (a noble metal or transition at the A site and the B site Metal), it is possible to maintain the perovskite structure as a basic structure.

따라서, 종래의 촉매들이 일반적으로 지지체에 활성 물질을 열처리함으로써 제조되어 2개 이상의 상(phase)으로 구성되는 이른바 불균일 촉매인 것과 달리, 상기 촉매는 단일 상(single phase)의 균일 촉매(homogeneous catalyst)일 수 있다. 그러므로 상기 촉매는 최소화된 합성 공정을 통해 제조될 수 있어 종래 촉매들보다 공정 효율 및 경제적 측면에서 보다 유용하다. Therefore, unlike conventional catalysts, which are generally so-called heterogeneous catalysts composed of two or more phases prepared by heat treatment of an active material on a support, the catalyst is a single phase homogeneous catalyst. Can be Therefore, the catalyst can be prepared through a minimized synthesis process, and is more useful in terms of process efficiency and economy than conventional catalysts.

또한, 스트론튬 자리(페로브스카이트 구조의 A자리)에 치환되는 이트륨(Y)은 해당 촉매에 향상된 전기전도도를 제공할 수 있다. 구체적으로, SOFC의 anode 전극물질로도 사용하고자 하는 목적을 달성할 수 있다. In addition, yttrium (Y) substituted for the strontium site (site A of the perovskite structure) may provide improved electrical conductivity to the catalyst. Specifically, it can achieve the purpose of using it as an anode electrode material for SOFC.

더욱이 ABO3의 구조를 갖는 페로브스카이트 촉매는 고유적으로 황(S) 및 탄소(C)에 대하여 저항성이 우수하므로, 상기 촉매는 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.Moreover, since the perovskite catalyst having the structure of ABO 3 is inherently excellent in resistance to sulfur (S) and carbon (C), the catalyst can have high catalytic activity for the biogas reforming reaction, and It may have high resistance to carbon deposition and/or catalyst poisoning.

상기 용출된 M는 열화된(thermal sitering) 입자의 형태로 촉매 상에 존재할 수 있으며, 10nm 이하의 크기일 수 있다. 예컨대, 상기 입자의 크기는 10nm 이하, 9nm 이하, 8nm, 7nm, 6nm 또는 5nm 이하일 수 있다. 입자 크기가 작아지면 같은 양일지라도 비표면적(specific surface area)이 늘어나 표면에 노출된 촉매 활성점(catalytic activity sites)이 많아져 활성 증진이 도움이 될 수 있다. The eluted M may exist on the catalyst in the form of thermal sitering particles, and may have a size of 10 nm or less. For example, the size of the particles may be 10 nm or less, 9 nm or less, 8 nm, 7 nm, 6 nm or 5 nm or less. As the particle size decreases, the specific surface area increases even in the same amount, and the catalytic activity sites exposed on the surface increase, thereby enhancing the activity.

또한, 같은 원 면적이라도 큰 원 1개의 둘레(호)보다 작은 원 여러 개의 둘레가 휠씬 커지게 되는 것과 같이, 표면에 노출된 입자가 지지체인 SYT와 만나는 경계(boundary)가 증가를 하여 촉매 반응이 증가할 수 있다.In addition, as the circumference of several smaller circles than one large circle (arc) even with the same circle area, the boundary where the particles exposed on the surface meet the support SYT increases, resulting in catalytic reaction. Can increase.

예시적인 구현예들에 있어서, 촉매의 단일 상 유지, 탄소 침적 및/또는 촉매 피독 방지, 촉매의 활성 유지와 향상된 전기전도도를 모두 고려할 때, 티타늄 자리(페로브스카이트 구조의 B 자리)에 치환되는 M(Ru 등의 귀금속 또는 전이금속)의 양의 경우, 상대적으로 적은 양을 넣어 표면에 많이 노출시키는 것이 비용이나 활성면에서 유리하다. 또한, 스트론튬 자리(페로브스카이트 구조의 A자리)에 치환되는 이트륨(Y)의 양, 즉 상기 화학식 2에서 y는 0보다 크고 0.08 이하(0<y≤0.08), 특히 y는 0.08인 것이 바람직할 수 있다.In exemplary embodiments, when considering all of the maintenance of a single phase of the catalyst, prevention of carbon deposition and/or poisoning of the catalyst, maintenance of the activity of the catalyst and improved electrical conductivity, substitution of the titanium site (B site of the perovskite structure) In the case of the amount of M (noble metal or transition metal such as Ru), it is advantageous in terms of cost and activity to expose a large amount to the surface by putting a relatively small amount. In addition, the amount of yttrium (Y) substituted in the strontium site (site A of the perovskite structure), that is, in the above formula 2, y is greater than 0 and less than 0.08 (0<y≦0.08), especially y is 0.08. It may be desirable.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 연료전지용 전극 촉매는 메탄 건식 개질에 사용될 수 있다. In exemplary embodiments, the fuel cell electrode catalyst may be used for methane dry reforming.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 연료전지용 전극 촉매를 이용한 메탄 건식 개질 방법을 제공한다. In exemplary embodiments of the present invention, a methane dry reforming method using the aforementioned electrode catalyst for a fuel cell is provided.

이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following implementation. However, the examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example

질산이트륨 (Y(NO3)3·H2O(Aldrich)) 및 질산 스트론튬 (Sr(NO3)3·H2O(Aldrich))을 탈이온수(DI water)에 동시에 용해하였다. 티타늄 소프로폭사이드 (Ti(OCH(CH3)2)4) (Junsei)의 안정화를 위해 에틸렌 글라이콜 (99.9%)을 스터링(stirring) 시키면서 천천히 투입, 용해한 뒤 도핑양에 맞는 삼염화 루테늄 (Cl3Ru·xH2O)(Aldrich)을 넣은 뒤 분산을 위하여 구연산(citric acid)을 같이 용해하였다. Yttrium nitrate (Y(NO 3 ) 3 ·H 2 O (Aldrich)) and strontium nitrate (Sr(NO 3 ) 3 ·H 2 O (Aldrich)) were simultaneously dissolved in DI water. In order to stabilize titanium sopropoxide (Ti(OCH(CH 3 ) 2 ) 4 ) (Junsei), ethylene glycol (99.9%) is slowly added and dissolved while stirring, and then ruthenium trichloride suitable for the doping amount ( After adding Cl 3 Ru·xH 2 O) (Aldrich), citric acid was dissolved together for dispersion.

이때 구연산의 양은 합성을 위한 첨가되는 금속 전구체 몰 수와 같은 몰의 양을 넣어주었다. 용액들을 함께 80℃에서 혼합, 중탕분위기에서 스터링(stirring)한 후 110℃에서 24시간 침전물을 건조한다. 그 후 공기분위기에서 300℃ 및 450℃에서 각각 2시간 동안 1차, 2차 하소(calcination)하여 잔여 전구 물질 및 불순물을 없애고 확보한 촉매 입자를 650℃ 10시간 동안 하소하여 제조하였다.At this time, the amount of citric acid was the same as the number of moles of the metal precursor to be added for synthesis. The solutions are mixed together at 80° C., stirred in a water bath atmosphere, and then the precipitate is dried at 110° C. for 24 hours. Then, the first and second calcinations were performed at 300° C. and 450° C. for 2 hours in an air atmosphere to remove residual precursors and impurities, and the obtained catalyst particles were calcined at 650° C. for 10 hours.

실험예Experimental example

합성된 촉매 관찰Synthesized catalyst observation

도 3은 본 발명에서 제안된 법에 의해 Ru이 각각 Ti의 5, 10 그리고 15 mol% 치환 도핑하여 합성된 물질의 건식 개질 전후의 결정상을 XRD 분석법에 의해 분석한 것이다. 도 3을 참조하면, 반응 시험 전에는 Ru이 도핑된 촉매들도 SYT의 결정과 같은 형태를 보이고 있는 것을 확인할 수 있으며, 반응 실험 후에도 티타니아(TiO2) 등에 해당하는 약간의 불순 피크는 관측되고 있으나 결정상이 안정적으로 유지되는 것을 확인하였다. 3 is an XRD analysis of a crystal phase before and after dry modification of a material synthesized by substituting 5, 10 and 15 mol% of Ti with Ru by the method proposed in the present invention. Referring to Figure 3, it can be seen that the catalysts doped with Ru before the reaction test also show the same form as the crystal of SYT, and even after the reaction experiment, a slight impurity peak corresponding to titania (TiO 2 ), etc., is observed, but the crystal phase It was confirmed that this was kept stably.

황 유무에 따른 촉매 성능 평가Evaluation of catalyst performance with or without sulfur

도 4는 Ru이 5mol% 치환된 SYTRu5 촉매에 대한 기존의 900℃, 4시간 환원 처리를 하여 12.5 ppm의 H2S 유무에 따른 온도별 건식 개질 성능 및 장시간 성능 안정성을 메탄의 전환율로 비교한 것이다. 기존의 방법에 의하면 12.5 ppm의 낮은 농도의 H2S 존재 하에서 650℃ 이상에서는 전환율이 비슷하게 유지가 되나 750℃ 이하의 온도에서는 급격히 활성이 저하가 되며 온도를 다시 높여도 활성이 안정적으로 유지되지 않았다. FIG. 4 is a comparison of dry reforming performance and long-term performance stability by temperature according to the presence or absence of 12.5 ppm H 2 S for the SYTRu5 catalyst substituted with 5 mol% of Ru by reduction treatment at 900°C for 4 hours with the conversion rate of methane. . According to the existing method, in the presence of a low concentration of 12.5 ppm H 2 S, the conversion rate is maintained similarly above 650°C, but the activity rapidly decreases at a temperature below 750°C, and the activity is not maintained stably even when the temperature is raised again. .

촉매의 도핑 여부에 따른 온도별 활성 및 장기 안정성 평가Evaluation of activity and long-term stability by temperature depending on whether or not the catalyst is doped

도 5는 10 mol%의 Ru이 도핑된 촉매(SYTRu10)와 담지된 촉매(Ru 10 loaded SYT)촉매의 H2S 없이 온도별 반응 활성과 750℃에서의 장시간 안정성을 메탄 전환율로 평가한 그림이다. 이때 전처리는 따로 하지 않았으며 N2를 흘려주면서 750℃까지 승온을 하였으며 750℃ 이후 가스의 조성을 바꿔 성능을 평가하였다. 5 is a diagram showing the reaction activity by temperature and long-term stability at 750°C without H 2 S of a catalyst doped with 10 mol% Ru (SYTRu10) and a supported catalyst (Ru 10 loaded SYT) as a methane conversion rate. . At this time, the pretreatment was not separately performed, and the temperature was raised to 750℃ while flowing N 2 , and the performance was evaluated by changing the composition of the gas after 750℃.

같은 양의 Ru을 포함하고 있더라도 도핑된 촉매가 담지된 촉매에 비해 활성이 좀 더 우수하였으며 특히 저온에서 활성의 차이가 더욱 두드러지게 나타나는 것을 확인하였으며 100시간 이상의 장시간 운전에도 활성의 차이는 변화가 없었다. Even if it contained the same amount of Ru, the activity was better than that of the doped catalyst-supported catalyst. In particular, it was confirmed that the difference in activity was more pronounced at low temperature. The difference in activity did not change even after a long operation of 100 hours or longer. .

촉매의 도핑 함량 및 온도별 성능 평가Performance evaluation by catalyst doping content and temperature

도 6은 순수한 SYT 및 Ru이 각각 Ti의 2, 5, 10 mol% 도핑된 SYTRu2, 5, 10 및 SYTRu10과 같은 양의 Ru이 담지된 Ru 10 loaded SYT 촉매의 600℃에서 900℃까지의 메탄 및 이산화탄소 전환율을 나타낸 그림이다. 6 is methane from 600° C. to 900° C. of a Ru 10 loaded SYT catalyst in which pure SYT and Ru are doped with 2, 5, 10 mol% of Ti, respectively, and Ru 10 loaded SYT catalyst in the same amount as SYTRu2, 5, 10 and This is a picture showing the carbon dioxide conversion rate.

금속이 담지되지 않은 SYT의 경우 메탄 및 이산화탄소의 전환 활성을 거의 보이지 않으며 Ru이 도핑 혹은 담지된 촉매의 경우 도핑양에 따라 혹은 도핑, 담지등 촉매 제조 방법에 따라 온도별 메탄 및 이산화 탄소 전환율의 차이를 보인다. In the case of metal-free SYT, the conversion activity of methane and carbon dioxide is hardly shown, and in the case of a catalyst doped or supported with Ru, the difference in methane and carbon dioxide conversion rates by temperature depending on the amount of doping or according to the catalyst manufacturing method such as doping and supporting. Looks.

촉매의 환원 반응 시간별 성능 평가Evaluating the performance of catalyst by reduction reaction time

도 7은 SYTRu5 촉매의 900℃ 20% 수소분위기에서 각각 4, 12, 24 시간동안 전처리 한 촉매의 메탄 전환율을 나타낸 그림이다. 650℃ 이상의 고온에서는 활성의 차이가 크지 않았지만 반응 온도가 낮아질수록 같은 반응에서도 차이가 커지는 것을 확인하였다. 7 is a diagram showing the methane conversion rate of the catalyst pretreated for 4, 12, and 24 hours in a 900°C 20% hydrogen atmosphere of the SYTRu5 catalyst, respectively. At a high temperature of 650° C. or higher, the difference in activity was not large, but it was confirmed that the difference in the same reaction increased as the reaction temperature decreased.

촉매의 환원 반응 시간별 장기 안정성 평가(황 첨가)Long-term stability evaluation by reduction reaction time of catalyst (addition of sulfur)

도 8은 앞서 도 7에 이어 100 ppm의 H2S를 공급하면서 각각 900℃ 및 750℃에서의 메탄 전환율을 나타낸 그림으로 4시간 및 10시간을 전처리 한 촉매의 경우 H2S를 반응물에 공급한 직후 급격히 활성이 저하된 반면 24시간 전처리를 한 촉매의 경우 100시간 이상의 장시간 운전에도 활성을 유지하였으며 750℃의 반응온도에서는 H2S가 없을 경우에 비해 활성이 저하가 되긴 했지만 역시 100시간 이상 유지가 되었다. FIG. 8 is a diagram showing the methane conversion rates at 900°C and 750°C, respectively, while supplying 100 ppm of H2S following FIG. 7. In the case of the catalyst pretreated for 4 hours and 10 hours, immediately after supplying H 2 S to the reactant, While the activity was lowered, the catalyst that was pretreated for 24 hours maintained its activity even after a long operation of 100 hours or more. At a reaction temperature of 750℃, the activity decreased compared to the case without H 2 S, but it was also maintained for more than 100 hours. .

환원 반응 시간별 Reduction reaction by time 내황성Sulfur resistance 평가 evaluation

도 9는 로듐(Rh)이 Ti의 자리에 5 mol% 치환된 SYTRh5 촉매의 900℃에서 각각 12시간 및 24시간 환원 처리 후 900℃의 반응온도에서 100 ppm의 H2S 존재 하에서의 메탄 전환율을 나타낸 것이다. 24시간 환원 처리를 한 촉매의 경우 없을 경우에 비해 활성의 저하는 있었지만 90% 이상의 전환율을 유지하였고, 12시간 전처리한 촉매도 H2S 주입 후 급격한 활성의 감소는 있었지만 도 8의 SYTRu5와 다르게 40% 이상의 전환율은 추가 감소 없이 유지되었다. 9 shows the methane conversion rate in the presence of 100 ppm of H 2 S at a reaction temperature of 900° C. after reduction treatment at 900° C. for 12 hours and 24 hours at 900° C. of a SYTRh5 catalyst in which 5 mol% of rhodium (Rh) is substituted in the place of Ti will be. In the case of the catalyst subjected to reduction treatment for 24 hours, there was a decrease in activity compared to the case where there was no reduction in activity, but the conversion rate was maintained at 90% or more, and the catalyst pretreated for 12 hours also had a rapid decrease in activity after H 2 S injection, but unlike SYTRu5 in FIG. % Conversion was maintained without further reduction.

도핑된Doped 입자 종류에 따른 According to particle type 내황성Sulfur resistance 평가 evaluation

도 10은 100 ppm의 H2S 존재 하에서 각각 Ru, Rh 그리고 Ni 5mol% 치환된 SYTRu5, SYTRh5, 그리고 SYTNi5 촉매의 900℃, 24시간동안 수소 전처리를 한 촉매에 대한 메탄 건식 개질 성능을 평가한 그림이다. FIG. 10 is a diagram for evaluating the methane dry reforming performance of catalysts subjected to hydrogen pretreatment at 900° C. for 24 hours at 900° C. of SYTRu5, SYTRh5, and SYTNi5 catalysts each substituted with 5 mol% of Ru, Rh and Ni in the presence of 100 ppm H 2 S. to be.

귀금속인 Ru와 Rh가 도핑된 촉매의 경우 100 ppm의 고농도 H2S가 존재함에도 90%이상의 전환율을 유지하는데 반하여, Ni이 도핑된 촉매의 경우 40%정도를 유지하였으며, 이는 알려진 바와 같이 Ni이 귀금속에 비해 황에 대한 저항성이 약한 것이 기인하는 것으로 생각이 되나 그럼에도 장시간 활성을 유지하는 것을 확인하였다.In the case of the catalyst doped with Ru and Rh, which are noble metals, the conversion rate of 90% or more was maintained even in the presence of a high concentration of H 2 S of 100 ppm, whereas in the case of the catalyst doped with Ni, about 40% was maintained. It is thought to be due to its weak resistance to sulfur compared to noble metals, but it was confirmed that it remained active for a long time nonetheless.

순수한 pure SYTSYT 촉매의 성능 평가 Catalyst performance evaluation

도 11은 순수한 SYT 촉매의 N2 분위기에서 승온 후 900℃에서 100 ppm의 H2S 존재하에서의 메탄 건식 개질 결과를 나타낸 것이다. 금속이 도핑 혹은 담지 되지 않은 SYT의 경우 황의 존재하에 급격한 활성의 저하는 관측되지 않았으나 전반적으로 15% 이하의 낮은 활성이 유지되고 있었다. 11 shows the results of methane dry reforming in the presence of 100 ppm of H 2 S at 900° C. after heating in an N 2 atmosphere of a pure SYT catalyst. In the case of SYT, which was not doped or supported by metal, no sudden decrease in activity was observed in the presence of sulfur, but overall activity of less than 15% was maintained.

촉매의 관찰Catalyst observation

도 12는 SYTRh10 촉매의 900℃ 24시간 환원 처리 전후의 TEM 이미지 및 퓨리에 변환 (Fast Fourier Transform, FFT) 패턴을 나타낸 것이다. 환원 처리 후 표면에 Rh 입자가 돌출(exsolution)된 것을 관찰하였으며, 퓨리에 변환 결과를 보면 앞서 도 3에서 본 바와 같이 페로브스카이트 결정상이 유지되고 있는 것을 확인하였다.12 shows a TEM image and a Fast Fourier Transform (FFT) pattern before and after reduction treatment at 900° C. for 24 hours of a SYTRh10 catalyst. After the reduction treatment, it was observed that the Rh particles protruded from the surface, and looking at the Fourier transform result, it was confirmed that the perovskite crystal phase was maintained as shown in FIG. 3 above.

도 13은 SYT(순수), SYTRu10(도핑), Ru 10 loaded SYT(담지) 촉매의 SEM과 TEM 이미지를 나타낸 것으로, Ru이 도핑된 SYTRu10의 경우 앞서 도 12의 SYTRh10의 TEM와 같이 환원 처리 Ru 입자가 돌출된 것을 확인할 수 있는데 Ru이 담지된 촉매(Ru 10 loaded SYT)의 경우 입자가 뭉쳐 존재하는 것을 관측할 수 있었다. FIG. 13 shows SEM and TEM images of SYT (pure), SYTRu10 (doped), and Ru 10-loaded SYT (supported) catalysts. In the case of Ru-doped SYTRu10, reduction-treated Ru particles as in the TEM of SYTRh10 of FIG. It can be seen that in the case of the Ru loaded catalyst (Ru 10 loaded SYT), it was observed that the particles were aggregated.

도 14는 SYTRu5 촉매 및 각각 900℃ 4시간 및 24시간 전처리 한 후 H2S 존재 하에서 건식 개질 평가한 촉매에 대한 TEM 이미지를 나타낸 사진이다. 4시간 전처리한 촉매의 경우 돌출된 Ru 없이 결정만 커진 반면, 24시간 전처리 한 촉매의 경우 입자는 열화(thermal sintering)되어 입자는 커졌지만 10 nm이하의 작은 Ru입자가 관측되었으며 더욱 확대해 보면 5 nm이하의 크기를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 14 is a photograph showing a TEM image of a SYTRu5 catalyst and a catalyst evaluated for dry reforming in the presence of H 2 S after pretreatment at 900° C. for 4 hours and 24 hours, respectively. In the case of the catalyst pretreated for 4 hours, only the crystals became large without protruding Ru, whereas the particles became larger due to thermal sintering in the case of the catalyst pretreated for 24 hours, but small Ru particles of less than 10 nm were observed. It was confirmed that the size was maintained below nm.

도 15는 SYTRu10, Ru 10 loaded SYT 촉매의 메탄 건식 개질 반응 전후에 있어서 TEM을 이용한 성분 분포 매핑 (elemental image mapping) 그림이다. 그림을 보면 반응 후 Ru이 도핑된 촉매의 경우 돌출된 Ru입자만 관측되었으나 담지된 촉매의 경우 뭉친(agglomeration) 것을 확인할 수 있었다. 15 is a diagram of elemental image mapping using TEM before and after methane dry reforming reaction of SYTRu10 and Ru 10 loaded SYT catalysts. In the figure, in the case of the catalyst doped with Ru after the reaction, only protruding Ru particles were observed, but in the case of the supported catalyst, agglomeration was confirmed.

도 16은 SYT 및 SYTRu 촉매의 메탄 건식 반응 전후에 있어서 SEM/EDX(SEM Energy Dispersive Spectrometer)법에 의해 분석된 표면 조성 변화를 나타낸 것이다. 반응 후 탄소의 성분을 보면 반응 전과 비교해서 큰 차이를 보이지 않고 있는데, 이를 통하여 건식 개질 반응 중 생성될 수 있는 탄소가 촉매 표면에 축적되지 않고 있음을 알 수 있었다. FIG. 16 shows changes in surface composition analyzed by SEM/EDX (SEM Energy Dispersive Spectrometer) method before and after methane dry reaction of SYT and SYTRu catalysts. When looking at the components of carbon after the reaction, there is no significant difference compared to that before the reaction. Through this, it can be seen that carbon that can be generated during the dry reforming reaction is not accumulated on the catalyst surface.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above, specific parts of the present invention have been described in detail, and it is obvious that these specific techniques are only preferred embodiments for those of ordinary skill in the art, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, it will be said that the substantial scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (9)

연료전지용 전극 촉매의 제조방법으로서,
하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및
상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 850 ℃ 이상에서 20시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 제조방법:
[화학식 1]
Sr1-yYyTiO3-z
상기 화학식 1에서 0<y<1 및 0<z<1 이다.
As a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell,
Doping and substituting a part of Ti with a noble metal or a transition metal in the perovskite material represented by Formula 1 below; And
Reducing the doped-substituted perovskite material at 850° C. or higher for 20 hours or more; Method for producing an electrode catalyst for a fuel cell comprising:
[Formula 1]
Sr 1-y Y y TiO 3-z
In Formula 1, 0<y<1 and 0<z<1.
제1항에 있어서,
상기 도핑 치환시키는 단계는 페치니법에 의하여 수행되는 것인, 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of substituting the doping is performed by the Pecchini method, a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 환원시키는 단계는 수소 분위기에서 비활성 기체를 이용하여 수행되는 것인, 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The reducing step is to be performed using an inert gas in a hydrogen atmosphere, a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell.
제3항에 있어서,
상기 비활성 기체는 질소, 헬륨 및 아르곤으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인, 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
The method of claim 3,
The inert gas is at least one selected from the group consisting of nitrogen, helium, and argon, a method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 환원시키는 단계는 상기 귀금속 또는 전이금속을 상기 페로브스카이트 물질 상에서 용출(exsolution)시키기 위한 것인, 연료전지용 전극 촉매의 제조방법.
The method of claim 1,
The reducing step is to elute (exsolution) the noble metal or transition metal on the perovskite material, the method of manufacturing an electrode catalyst for a fuel cell.
연료전지용 전극 촉매의 내황성 및 탄소 침적 저항성 향상 방법으로서,
하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 물질 중 Ti의 일부를 귀금속 또는 전이금속으로 도핑 치환시키는 단계; 및
상기 도핑 치환된 페로브스카이트 물질을 850℃ 이상에서 20시간 이상 환원시키는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극 촉매의 내황성 및 탄소 침적 저항성 향상 방법:
[화학식 1]
Sr1-yYyTiO3-z
상기 화학식 1에서 0<y<1 및 0<z<1 이다.
As a method of improving the sulfur resistance and carbon deposition resistance of an electrode catalyst for a fuel cell,
Doping and substituting a part of Ti with a noble metal or a transition metal in the perovskite material represented by Formula 1 below; And
Reducing the doped-substituted perovskite material at 850° C. or higher for 20 hours or more; a method for improving sulfur resistance and carbon deposition resistance of an electrode catalyst for a fuel cell comprising:
[Formula 1]
Sr 1-y Y y TiO 3-z
In Formula 1, 0<y<1 and 0<z<1.
연료전지용 전극 촉매로서,
하기 화학식 2로 표시되고, M이 페로브스카이트 물질 상에 용출(exsolution)된 것이고, 상기 용출된 M은 열화된 입자의 형태인, 연료전지용 전극 촉매:
[화학식 2]
Sr1-yYyTi1-xMxO3-z
상기 화학식 2에서 0<x<1, 0<y<1 및 0<z<1 이고,
상기 M은 귀금속 또는 전이금속이다.
As an electrode catalyst for fuel cells,
An electrode catalyst for a fuel cell represented by the following Formula 2, wherein M is eluted on a perovskite material, and the eluted M is in the form of degraded particles:
[Formula 2]
Sr 1-y Y y Ti 1-x M x O 3-z
In Formula 2, 0<x<1, 0<y<1, and 0<z<1,
M is a noble metal or a transition metal.
제7항에 있어서,
상기 연료전지용 전극 촉매는 메탄 건식 개질에 사용되는 것인, 연료전지용 전극 촉매.
The method of claim 7,
The fuel cell electrode catalyst is used for methane dry reforming.
제7항에 따른 연료전지용 전극 촉매를 이용한 메탄 건식 개질 방법.Methane dry reforming method using the electrode catalyst for a fuel cell according to claim 7.
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