KR102436299B1 - Composite comprising nickel supported on porous alumina carrier and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 표면 활성 부위로 작용하는 니켈 입자의 크기를 작게하고 분산성을 향상시킴으로써, 촉매로서 활용 시 활성 및 선택성이 우수한 복합체 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a composite containing nickel supported on a porous alumina carrier and a method for preparing the same, and by reducing the size of nickel particles acting as a surface active site and improving dispersibility, excellent activity and selectivity when used as a catalyst A composite and a method for preparing the same may be provided.

Description

다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법{Composite comprising nickel supported on porous alumina carrier and manufacturing method thereof}Composite comprising nickel supported on porous alumina carrier and manufacturing method thereof

본 발명은 다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a composite including nickel supported on a porous alumina carrier and a method for preparing the same.

기후 변화 및 미래의 화석연료 고갈 문제로 인해 환경 친화적이며 지속 가능한 재생 에너지의 수요가 증가하고 있다. 바이오매스는 바이오 가스 및 액화바이오 연료를 생산하는 재생 가능한 원료 중의 하나이다. The demand for environmentally friendly and sustainable renewable energy is increasing due to climate change and future depletion of fossil fuels. Biomass is one of the renewable raw materials for producing biogas and liquefied biofuel.

최근 바이오매스를 에너지 또는 연료로 전환하기 위하여 바이오매스의 가스화, 액화 및 열분해와 같은 여러가지 수단이 강구되고 있으며, 이 중 바이오매스의 가스화는 에너지 회수률이 우수한 점에서 가장 주목 받고 있다. 그러나, 바이오매스 가스화에 의해 생성된 타르(tar)는 후속 공정에서 타르의 응축 및 결정화에 의해 엔진 및 제어 밸브와 같은 장치에 심각한 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 바이오매스 가스화를 통해 생산된 생성물에서 타르는 제거되어야 하며, 타르를 다른 물질로 변환시키는 기술은 매우 중요하다.Recently, in order to convert biomass into energy or fuel, various means such as gasification, liquefaction, and pyrolysis of biomass have been sought, and among them, gasification of biomass is receiving the most attention because of its excellent energy recovery rate. However, tar produced by biomass gasification may cause serious problems in devices such as engines and control valves by condensation and crystallization of tar in subsequent processes. Therefore, tar must be removed from the product produced through biomass gasification, and a technology for converting tar into other materials is very important.

현재, 스팀 개질(steam reforming)이 바이오매스 가스화에 의해 생성된 타르를 제거하기 위해 사용되고 있다. 스팀 개질에서는 타르를 이용하여 합성 가스 및 수소 연료를 생산한다. 그러나 바이오매스 가스화에 의해 생성된 타르는 탄화수소의 축합물 뿐만 아니라 입자, 질소 및 황 함유 화합물을 비롯한 다양한 오염물을 함께 포함하고 있다. Currently, steam reforming is being used to remove tars produced by biomass gasification. In steam reforming, tar is used to produce synthesis gas and hydrogen fuel. However, tar produced by biomass gasification contains various contaminants including particles, nitrogen and sulfur-containing compounds as well as condensates of hydrocarbons.

따라서, 스팀 개질 과정에 있어서, 촉매의 활성 부위 및 분자 구조와 타르의 변환과의 관계는 매우 복잡하게 일어나고, 벤젠, 톨루엔, 나프탈렌 및 페놀과 같은 방향족 고리 화합물이나 산소를 함유하는 방향족 탄화수소 등을 사용하여 스팀 개질을 통한 타르 제거의 메커니즘을 조사하고 있다.Therefore, in the steam reforming process, the relationship between the active site and molecular structure of the catalyst and the conversion of tar is very complicated, and aromatic ring compounds such as benzene, toluene, naphthalene and phenol or aromatic hydrocarbons containing oxygen are used. Therefore, the mechanism of tar removal through steam reforming is being investigated.

지금까지, 루테늄(Rh), 니켈(Ni), 코발트(Co)와 같은 금속 촉매가 스팀 개질의 촉매로 개발되었으며, 이들 중 비용 및 성능면에서 니켈 촉매가 상업용 촉매로 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미나 담체에 니켈을 담지한 Ni/Al2O3 촉매는 높은 전환율과 수소 수율로 인해 널리 사용되고 있다.So far, metal catalysts such as ruthenium (Rh), nickel (Ni), and cobalt (Co) have been developed as catalysts for steam reforming, and among them, nickel catalysts are mainly used as commercial catalysts in terms of cost and performance. In particular, a Ni/Al 2 O 3 catalyst in which nickel is supported on an alumina carrier is widely used due to its high conversion rate and hydrogen yield.

Ni/Al2O3 촉매가 사용될 때 알루미나 담체상의 니켈 분산도 또는 니켈 입자 크기는 증기 개질 반응에서 촉매 성능에 직접적인 영향을 미친다. 니켈의 분산도가 높으면 코크(coke) 생성에 대한 저항성이 강하고, 니켈 입자간 거리가 증가하여 니켈 입자의 이동성이 약해지므로 고온에서도 니켈 입자의 응집(클러스터)을 최소화할 수 있다. 또한, 니켈 입자의 크기가 작으면 활성점이 증가하여 반응 속도 및 활성이 증가되는 효과가 있다.When a Ni/Al 2 O 3 catalyst is used, the nickel dispersion or nickel particle size on the alumina carrier directly affects the catalyst performance in the steam reforming reaction. When the dispersion degree of nickel is high, the resistance to coke generation is strong, and the mobility of the nickel particles is weakened by increasing the distance between the nickel particles, so that aggregation (cluster) of the nickel particles can be minimized even at a high temperature. In addition, when the size of the nickel particles is small, the active point increases, thereby increasing the reaction rate and activity.

촉매 활성을 증가시키기 위하여 지금까지는 주로 니켈을 대체할 수 있는 금속 또는 니켈과 함께 다른 금속을 사용함으로써 활성점을 높이는 방안이 주로 연구되었다. 특히, Ni/Al2O3 촉매에 칼륨(K)을 추가함으로써 표면을 개질하여, 스팀 개질 반응에서 촉매 활성 및 선택성에 대해 연구한 Catal. Sci. Technol. 7 (2017) 3613-3625. 등이 개시되어 있으며, 여기에는 칼륨에서 니켈로 전자가 공여되어 니켈 클러스터의 전자밀도를 증가시키고 이에 따라 스팀 메탄 개질에서 더 높은 니켈 활성을 가질 수 있다고 개시하고 있다. In order to increase the catalytic activity, a method of increasing the active point by using a metal that can replace nickel or another metal together with nickel has been mainly studied so far. In particular, Catal, who studied the catalytic activity and selectivity in steam reforming reaction by modifying the surface by adding potassium (K) to the Ni/Al 2 O 3 catalyst. Sci. Technol. 7 (2017) 3613-3625. et al., which disclose that electrons can be donated from potassium to nickel to increase the electron density of the nickel clusters and thus have higher nickel activity in steam methane reforming.

다만, Ni/Al2O3 촉매의 스팀 개질 반응에 있어서는 칼륨을 부가하는 것에 대한 효과가 아직 밝혀지지 않았으며, 이 문제와 관련하여 알칼리 금속의 첨가는 스팀 개질 반응의 속도를 감소시키고 고압 조건에서 니켈의 소결 속도를 촉진시킨다는 등 반대되는 견해가 다수 존재하고, 이러한 부정적인 견해가 계속해서 인용되고 있다. However, in the steam reforming reaction of the Ni/Al 2 O 3 catalyst, the effect of adding potassium has not yet been revealed. There are many opposing views, such as promoting the sintering rate of nickel, and these negative views continue to be cited.

한편, 촉매 입자의 크기 및 분산도는 Ni/Al2O3 촉매에 촉진제(다른 금속)를 결합하는 방법 외에도 알루미나의 형태 및 구조를 변화시킴으써 개선될 수 있으나 스팀 개질 반응에서 다공성 알루미나 담체의 형태 및 구조, 특히 메조 및 매크로 기공을 동시에 포함하는 계층적 기공 구조를 가지는 알루미나 담체에 대한 촉매 활성에 대해서는 보고된 바가 없다.On the other hand, the size and dispersion of the catalyst particles can be improved by changing the shape and structure of alumina in addition to the method of binding the promoter (other metal) to the Ni/Al 2 O 3 catalyst, but the form of the porous alumina carrier in the steam reforming reaction And there is no report on the catalytic activity of an alumina carrier having a hierarchical pore structure including meso and macro pores at the same time.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0077629호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2003-0077629

본 발명은 표면 활성 부위로 니켈을 포함하는 복합체에서 니켈 입자의 크기를 작게하고 분산성을 향상시켜, 촉매로서 활용 시 활성 및 선택성이 우수한 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a composite having excellent activity and selectivity when used as a catalyst by reducing the size of nickel particles and improving dispersibility in a composite containing nickel as a surface active site, and a method for preparing the same.

본 발명은 다공성 알루미나 담체, 및 다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하고, 니켈 입자의 크기가 0.5 내지 4nm인 복합체를 제공한다. The present invention provides a composite comprising a porous alumina carrier and nickel supported on the porous alumina carrier, and the nickel particle size is 0.5 to 4 nm.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 다공성 알루미나 담체는, 메조 기공 및 매크로 기공을 동시에 포함하고, 매크로 기공 벽 내부에 메조 기공이 형성되어 있으며, 메조 기공과 매크로 기공이 상호 연결되어 있는 계층적 기공 구조일 수 있다.As an embodiment of the present invention, the porous alumina carrier has a hierarchical pore structure including mesopores and macropores at the same time, mesopores are formed inside the macropore wall, and mesopores and macropores are interconnected can be

본 발명의 일 실시예로서, X/Y > 1를 만족하고, X는 복합체의 메조 기공의 평균 크기(nm)를 나타내고, Y는 니켈 입자의 크기(nm)를 나타내는 복합체를 제공할 수 있다. As an embodiment of the present invention, it is possible to provide a composite in which X/Y > 1 is satisfied, X represents the average size (nm) of mesopores of the composite, and Y represents the size (nm) of nickel particles.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 0.3 내지 3질량%의 칼륨을 더 포함하는 복합체를 제공할 수 있다. As an embodiment of the present invention, it is possible to provide a composite further comprising 0.3 to 3% by mass of potassium based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel.

또한, 본 발명은 다공성 담체 및 다공성 담체에 담지된 전이금속을 포함하고, 상기 다공성 담체는, 메조 기공 및 매크로 기공을 동시에 포함하고, 매크로 기공 벽 내부에 메조 기공이 형성되어 있으며, 메조 기공과 매크로 기공이 상호 연결되어 있는 계층적 기공 구조이며, 하기 일반식 1을 만족하는 복합체를 제공한다.In addition, the present invention includes a porous carrier and a transition metal supported on the porous carrier, wherein the porous carrier simultaneously contains mesopores and macropores, and mesopores are formed inside the macropore wall, and the mesopores and macropores It has a hierarchical pore structure in which pores are interconnected, and provides a complex satisfying the following general formula (1).

[일반식 1] X/Y > 1;[General Formula 1] X/Y > 1;

상기 일반식 1에서, X는 복합체의 메조 기공의 평균 크기(nm)를 나타내고, Y는 전이금속 입자의 크기(nm)를 나타낸다.In Formula 1, X represents the average size (nm) of the mesopores of the composite, and Y represents the size (nm) of the transition metal particles.

또한, 본 발명은 용매에 용해된 알루미나 전구체에 고분자 콜로이드를 혼합하는 단계, 혼합물을 여과 및 세척하여 다공성 알루미나 담체를 수득하는 단계, 및 니켈 전구체 용액을 다공성 알루미나 담체에 함침시키는 단계를 포함하고, 상기 세척은 알코올과 물의 혼합액을 이용하여 수행하는 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of mixing a polymer colloid with an alumina precursor dissolved in a solvent, filtering and washing the mixture to obtain a porous alumina carrier, and impregnating the porous alumina carrier with a nickel precursor solution, wherein the Washing provides a method for preparing a complex that is performed using a mixture of alcohol and water.

본 발명의 일 실시예로서 상기 알코올과 물의 비율은 1:5 내지 4:5일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the ratio of the alcohol to water may be 1:5 to 4:5.

본 발명의 일 실시예로서 상기 용매는 2-부탄올(2-butanol)일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the solvent may be 2-butanol.

본 발명의 일 실시예로서 상기 알루미나 전구체는 알루미늄 트리-세크-부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide)일 수 있다.As an embodiment of the present invention, the alumina precursor may be aluminum tri-sec-butoxide.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 고분자 콜로이드는 스타이렌 모노머(styrene monomer)를 포함하는 조성물의 무유화 중합(emulsifier-free emulsion polymerization)에 의하여 제조된 것일 수 있다.As an embodiment of the present invention, the polymer colloid may be prepared by emulsifier-free emulsion polymerization of a composition containing a styrene monomer.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 고분자 콜로이드내 분산된 고분자 입자의 크기는 200 내지 900nm일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the size of the polymer particles dispersed in the polymer colloid may be 200 to 900 nm.

본 발명의 일 실시예로서, 복합체의 제조방법은 칼륨 전구체 용액을 다공성 알루미나 담체에 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있다.As an embodiment of the present invention, the method for preparing the composite may further include impregnating the potassium precursor solution into the porous alumina carrier.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 칼륨 전구체 용액은 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 칼륨이 0.3 내지 3질량%가 되도록 함침하는 것일 수 있다. As an embodiment of the present invention, the potassium precursor solution may be impregnated so that the potassium content is 0.3 to 3% by mass based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 복합체를 포함하는 스팀 개질 반응용 촉매를 제공할 수 있다. In addition, the present invention may provide a catalyst for steam reforming reaction including the composite according to the present invention.

본 발명에 따른 다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하는 복합체 및 이의 제조방법은 니켈 입자의 크기가 작고, 분산도가 높으므로 촉매 활성이 우수하고, 선택도가 높은 효과가 있다. The composite including nickel supported on a porous alumina carrier according to the present invention and a method for preparing the same have a small size of nickel particles and high dispersion, so that the catalytic activity is excellent and the selectivity is high.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 제조예 5, (b) 비교예 1, (c) 비교예 2, (d) 비교예 3, (e) 제조예 1, (f) 실시예 1, (g) 실시예 2 및 (h) 실시예 3의 SEM 이미지이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 제조예 5, (b) 제조예 1, (c) 비교예 3 및 (d) 실시예 3의 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 흡착-탈착 등온선 및 기공 크기 분포이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체의 표면을 도시화한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 제조예 5, (b) 비교예 1, (c) 비교예 2, (d) 비교예 3, (e) 제조예 1, (f) 실시예 1, (g) 실시예 2 및 (h) 실시예 3을 공기에서 하소하고 600℃의 수소에서 환원한 후에 측정한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합체의 시간에 따른 반응 속도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 제조예 5, (b) 비교예 1, (c) 비교예 2, (d) 비교예 3, (e) 제조예 1, (f) 실시예 1, (g) 실시예 2 및 (h) 실시예 3을 스팀 개질 반응에 2시간 사용 후 측정한 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다.
1 is (a) Preparation Example 5, (b) Comparative Example 1, (c) Comparative Example 2, (d) Comparative Example 3, (e) Preparation Example 1, (f) Example according to an embodiment of the present invention SEM images of Example 1, (g) Example 2 and (h) Example 3.
2 is a TEM image of (a) Preparation Example 5, (b) Preparation Example 1, (c) Comparative Example 3, and (d) Example 3 according to an embodiment of the present invention.
3 is a nitrogen adsorption-desorption isotherm and pore size distribution according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 illustrates the surface of the composite according to an embodiment of the present invention.
5 is (a) Preparation Example 5, (b) Comparative Example 1, (c) Comparative Example 2, (d) Comparative Example 3, (e) Preparation Example 1, (f) Example according to an embodiment of the present invention Example 1, (g) Example 2 and (h) Example 3 are graphs showing XRD patterns measured after calcining in air and reducing in hydrogen at 600°C.
6 is a graph showing the change in the reaction rate with time of the composite prepared according to an embodiment of the present invention.
7 is (a) Preparation Example 5, (b) Comparative Example 1, (c) Comparative Example 2, (d) Comparative Example 3, (e) Preparation Example 1, (f) Example according to an embodiment of the present invention Example 1, (g) Example 2 and (h) Example 3 is a graph showing XRD patterns measured after 2 hours of use in the steam reforming reaction.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.Accordingly, the configuration shown in the embodiment described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can be substituted for them at the time of the present application and variations.

본 발명은 다공성 알루미나 담체, 및 다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하고, 니켈 입자의 크기가 0.5 내지 4nm인 복합체를 제공한다.The present invention provides a composite comprising a porous alumina carrier and nickel supported on the porous alumina carrier, and the nickel particle size is 0.5 to 4 nm.

상기 알루미나는 알루미늄의 산화물로서, Al2O3의 일반식으로 표시되고, 열처리 공정을 통하여 얻어지는 비금속 무기재료인 세라믹스에서 가장 중요한 재료이다. 알루미나를 다공성 담체의 재료로 함으로써, 넓은 표면적을 얻을 수 있고, 니켈과 상호작용에 의해 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다.The alumina is an oxide of aluminum, represented by the general formula of Al 2 O 3 , and is the most important material in ceramics, which is a non-metallic inorganic material obtained through a heat treatment process. By using alumina as the material of the porous carrier, a large surface area can be obtained, and excellent catalytic activity can be exhibited by interaction with nickel.

상기 다공성 담체란 내부에 기공이 다수 함유되어 있는 물질로서 과제의 목적을 달성하기 위해 활성을 나타내는 물질 등을 담고 있는 대상을 말한다. 또한, 기공은 그 크기에 따라 50nm이상의 크기를 가지는 매크로 기공(macropore), 2 내지 50nm의 메조 기공(mesopore) 및 2nm 이하의 마이크로 기공(micropore)으로 구분할 수 있다.The porous carrier refers to a material containing a large number of pores therein, and refers to an object containing a material exhibiting activity in order to achieve the purpose of the task. In addition, the pores may be classified into macropores having a size of 50 nm or more, mesopores having a size of 2 to 50 nm, and micropores having a size of 2 nm or less according to their size.

상기 다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈 복합체는 니켈 전구체를 다공성 알루미나 담지체에 초기 습식 함침법(Incipient wetness impregnation)에 의해 함침시킴으로써 제조될 수 있다.The nickel composite supported on the porous alumina support may be prepared by impregnating a nickel precursor into the porous alumina support by incipient wetness impregnation.

이때, 니켈은 복합체의 표면 활성 부위로서 작용하며, 니켈 입자의 크기는 4nm 이하이고, 예를 들어, 0.5 내지 4nm, 0.5 내지 3.5nm, 0.5 내지 3.0nm, 1 내지 2.5nm, 1.5 내지 2.3nm 또는 1.8 내지 2.1nm일 수 있다.At this time, nickel acts as a surface active site of the composite, and the size of the nickel particles is 4 nm or less, for example, 0.5 to 4 nm, 0.5 to 3.5 nm, 0.5 to 3.0 nm, 1 to 2.5 nm, 1.5 to 2.3 nm, or It may be 1.8 to 2.1 nm.

상기 니켈 입자의 크기는 X선 회절(X-ray diffraction: XRD) 패턴으로부터 하기 수학식 1의 데바이-셰리의 방정식(Debye-Scherrer's equation)을 이용하여 측정될 수 있다.The size of the nickel particles may be measured from an X-ray diffraction (XRD) pattern using Debye-Scherrer's equation of Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020098057869-pat00001
Figure 112020098057869-pat00001

상기 수학식 1에서 k=0.9로서 형상계수이고,

Figure 112020098057869-pat00002
는 X-선 방사선 파장이며,
Figure 112020098057869-pat00003
는 브랙각(Bragg angle),
Figure 112020098057869-pat00004
는 특정 회절 피크에서의 FWHM(full sidth at half maximum)이다.In Equation 1, k = 0.9 as a shape factor,
Figure 112020098057869-pat00002
is the X-ray radiation wavelength,
Figure 112020098057869-pat00003
is the Bragg angle,
Figure 112020098057869-pat00004
is the full sidth at half maximum (FWHM) at a specific diffraction peak.

본 발명의 복합체는 상기와 같이 니켈 입자의 크기가 매우 작기 때문에 니켈 표면의 활성점이 많아지는 효과가 있다. 따라서, 스팀 개질 반응에서 촉매로 사용 시 메탄 전환율 및 탄소 선택성이 높아지는 효과가 있다.The composite of the present invention has the effect of increasing the number of active sites on the nickel surface because the size of the nickel particles is very small as described above. Therefore, there is an effect of increasing the methane conversion rate and carbon selectivity when used as a catalyst in the steam reforming reaction.

상기와 같은 니켈 입자의 크기는 다공성 알루미나 담체의 형태 및 구조에 영향을 받으며, 복합체 제조시 세척 혼합물의 성분 및 비율에 따라 달라질 수 있다.The size of the nickel particles as described above is affected by the shape and structure of the porous alumina carrier, and may vary depending on the components and ratios of the washing mixture when manufacturing the composite.

상기 다공성 알루미나 담체는, 메조 기공 및 매크로 기공을 동시에 포함하고, 매크로 기공 벽 내부에 메조 기공이 형성되어 있으며, 메조 기공과 매크로 기공이 상호 연결되어 있는 계층적 기공 구조일 수 있다.The porous alumina carrier may have a hierarchical pore structure in which mesopores and macropores are simultaneously included, mesopores are formed inside the macropore walls, and mesopores and macropores are interconnected.

즉, 본 발명의 다공성 알루미나 담체는 메조 기공과 매크로 기공을 동시에 가지는 매크로-메조 기공(macro-mesoporous)으로서, 매크로 기공은 기공의 벽을 통하여 3차원적으로 연결되어 있으며, 이러한 기공의 벽 내에는 메조 기공을 포함하고 있다.That is, the porous alumina carrier of the present invention is a macro-mesoporous having mesopores and macropores at the same time, and the macropores are three-dimensionally connected through the walls of the pores. It contains mesopores.

상기와 같은 계층적 기공 구조는 용매에 용해된 알루미나 전구체에 고분자 콜로이드를 혼합한 후 이를 여과 및 세척함으로써 형성할 수 있다. 이때, 상기 세척에 사용되는 세척액은 알코올과 물의 비율이 1:5 내지 4:5인 것이 바람직하며, 상기 범위를 만족하는 경우, 균일한 계층적 기공 구조를 형성할 수 있으며, 표면적이 넓어 촉매로서 활성이 우수하다.The hierarchical pore structure as described above can be formed by mixing a polymer colloid with an alumina precursor dissolved in a solvent, followed by filtering and washing. In this case, the washing liquid used for washing preferably has a ratio of alcohol and water of 1:5 to 4:5. activity is excellent.

상기와 같은 매크로-메조 기공의 계층적 기공 구조를 가짐으로써, 매크로 기공만을 가지는 담체에 비하여 넓은 표면적을 가질 수 있다. 특히, 매크로 기공 구조의 안정성이 강화되어, 촉매의 재생성을 높일 수 있다. 또한, 메조 기공의 미세한 기공을 통하여 물질 전달 저항을 감소시킬 수 있으며, 니켈의 분산성을 향상시키고 니켈 입자의 크기를 작게 형성할 수 있다. 따라서, 상기 계층적 기공 구조를 가지는 알루미나 담체는 스팀 개질 반응에서 촉매의 활성을 높이는 효과가 있다.By having a hierarchical pore structure of macro-mesopores as described above, it may have a larger surface area than a carrier having only macropores. In particular, the stability of the macropore structure is enhanced, and the regeneration of the catalyst can be increased. In addition, the mass transfer resistance can be reduced through the fine pores of the mesopores, the dispersibility of nickel can be improved, and the size of the nickel particles can be formed small. Therefore, the alumina carrier having the hierarchical pore structure has an effect of increasing the activity of the catalyst in the steam reforming reaction.

또한, 본 발명은 일 실시예로서, 하기 일반식 1을 만족하는 복합체를 제공할 수 있다.In addition, as an embodiment, the present invention may provide a composite satisfying the following general formula (1).

[일반식 1][General formula 1]

X/Y > 1;X/Y > 1;

상기 일반식 1에서, X는 복합체의 메조 기공의 평균 크기(nm)를 나타내고, Y는 니켈 입자의 크기(nm)를 나타낸다.In Formula 1, X represents the average size (nm) of the mesopores of the composite, and Y represents the size (nm) of the nickel particles.

이때, 메조 기공의 평균 크기는 5 내지 15nm일 수 있으며, 예를 들어, 6 내지 14nm, 7 내지 13nm, 8 내지 12nm 또는 10 내지 11nm일 수 있다.In this case, the average size of the mesopores may be 5 to 15 nm, for example, 6 to 14 nm, 7 to 13 nm, 8 to 12 nm, or 10 to 11 nm.

상기 일반식 1을 만족하는 복합체는 메조 기공의 평균 크기가 니켈 입자의 크기보다 크기 때문에 니켈 입자가 메조 기공 내부에 분포돨 수 있다. 이로 인해, 니켈 입자가 응집되는 현상(클러스터)을 방지하고, 니켈의 분산도를 높일 수 있다. 따라서, 상대적으로 니켈의 활성점이 많아지는 효과가 있으며, 촉매로 사용 시 활성이 우수하다.In the composite satisfying Formula 1, since the average size of the mesopores is larger than the size of the nickel particles, the nickel particles may be distributed inside the mesopores. For this reason, the phenomenon (cluster) of aggregation of nickel particles can be prevented, and the dispersion degree of nickel can be improved. Therefore, there is an effect that the active sites of nickel are relatively increased, and the activity is excellent when used as a catalyst.

본 발명의 복합체는 상기 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 0.3 내지 3질량%의 칼륨을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 칼륨은 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 0.3 내지 2.5질량%, 0.3 내지 2질량%, 0.3 내지 1.5질량%, 0.3 내지 1질량% 또는 0.3 내지 0.7질량%일 수 있다.The composite of the present invention may further include 0.3 to 3% by mass of potassium based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel. Specifically, potassium may be 0.3 to 2.5 mass%, 0.3 to 2 mass%, 0.3 to 1.5 mass%, 0.3 to 1 mass%, or 0.3 to 0.7 mass%, based on the total mass of the alumina carrier and nickel.

상기와 같은 칼륨의 함량을 가짐으로써, 니켈-칼륨-알루미나의 상호작용에 의하여 복합체에서 니켈의 분산도가 높아지는 효과가 있다. 또한, 칼륨과 알루미나의 적절한 상호작용으로 칼륨이 니켈의 활성 표면에서 차지하는 비율을 일정 수치 이하로 제어할 수 있다.By having the content of potassium as described above, there is an effect of increasing the degree of dispersion of nickel in the composite by the interaction of nickel-potassium-alumina. In addition, it is possible to control the ratio of potassium to the active surface of nickel to be below a certain value through an appropriate interaction between potassium and alumina.

특히, 칼륨이 첨가된 복합체의 경우 니켈과 칼륨의 상호작용에 의해 니켈의 활성 부위 면적을 일정 부분 칼륨이 차지함으로써 복합체의 활성을 감소시키는 경우가 발생하는데, 상기와 같은 칼륨의 함량을 가지는 경우, 칼륨에 의해 감소된 니켈의 활성 부위 면적 비율을 0.3이하로 조절할 수 있다. 니켈의 활성 부위 면적에 대한 칼륨에 의해 감소된 니켈의 활성 부위 면적은 복합체에 표출된 니켈의 면적에 대하여 칼륨의 면적이 커버하는 면적을 측정할 수 있는 다양한 방법에 의하여 측정 가능하며, 예를 들어, 칼륨을 추가하기 전 니켈에 흡착된 수소량과 칼륨을 추가한 후 니켈에 흡착된 수소량을 비교함으로써 측정할 수 있다.In particular, in the case of a complex to which potassium is added, potassium occupies a certain portion of the active site area of nickel due to the interaction between nickel and potassium, thereby reducing the activity of the complex. The ratio of the active site area of nickel reduced by potassium can be adjusted to 0.3 or less. The active site area of nickel reduced by potassium with respect to the active site area of nickel can be measured by various methods capable of measuring the area covered by the area of potassium with respect to the area of nickel exposed on the complex, for example, , it can be measured by comparing the amount of hydrogen adsorbed to nickel before adding potassium and the amount of hydrogen adsorbed to nickel after adding potassium.

또한, 본 발명은 다공성 담체 및 다공성 담체에 담지된 전이금속을 포함하고, 상기 다공성 담체는, 메조 기공 및 매크로 기공을 동시에 포함하고, 매크로 기공 벽 내부에 메조 기공이 형성되어 있으며, 메조 기공과 매크로 기공이 상호 연결되어 있는 계층적 기공 구조이며, 하기 일반식 1을 만족하는 복합체를 제공할 수 있다.In addition, the present invention includes a porous carrier and a transition metal supported on the porous carrier, wherein the porous carrier simultaneously contains mesopores and macropores, and mesopores are formed inside the macropore wall, and the mesopores and macropores It is a hierarchical pore structure in which pores are interconnected, and a complex satisfying the following general formula 1 may be provided.

[일반식 1] X/Y > 1;[General Formula 1] X/Y > 1;

상기 일반식 1에서, X는 복합체의 메조 기공의 평균 크기(nm)를 나타내고, Y는 전이금속 입자의 크기(nm)를 나타낸다.In Formula 1, X represents the average size (nm) of the mesopores of the composite, and Y represents the size (nm) of the transition metal particles.

상기 다공성 담체는 메조 기공과 매크로 기공이 상호 연결되어 균일한 계층적 기공 구조를 가짐으로써, 다공성 담체에 담지된 전이금속 입자의 크기가 다공성 담체의 기공 크기보다 작은 복합체를 제공할 수 있다.The porous carrier has a uniform hierarchical pore structure in which mesopores and macropores are interconnected, thereby providing a composite in which the size of the transition metal particles supported on the porous carrier is smaller than the pore size of the porous carrier.

상기와 같이 전이금속 입자의 크기가 다공성 담체의 기공 크기보다 작은 일반식 1을 만족하는 경우, 전이금속 입자가 다공성 담체에 넓게 분산할 수 있으며, 입자의 응집을 저해할 수 있으므로, 촉매로 사용 시 활성이 우수한 효과가 있다.As described above, when the size of the transition metal particles satisfies the general formula 1, which is smaller than the pore size of the porous carrier, the transition metal particles can be widely dispersed in the porous carrier and can inhibit the aggregation of particles, so when used as a catalyst There is an excellent effect of activity.

상기 다공성 담체로는 알루미나, 이산화규소, 티타니아 및 지르코니아로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있으나, 매크로 기공 및 메조 기공을 동시에 형성할 수 있는 세라믹 계열이라면 제한되지 않는다.At least one selected from the group consisting of alumina, silicon dioxide, titania and zirconia may be used as the porous carrier, but is not limited as long as it is a ceramic-based material capable of simultaneously forming macropores and mesopores.

상기 전이금속은 촉매 활성을 가지면 특별히 제한되지 않으나, 니켈(Ni), 루테늄 (Ru), 로듐 (Rh), 백금 (Pt), 이리듐 (Ir) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있다.The transition metal is not particularly limited as long as it has catalytic activity, but at least one selected from the group consisting of nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), platinum (Pt), iridium (Ir) and palladium (Pd) Can be used.

또한, 본 발명의 복합체는 용매에 용해된 알루미나 전구체에 고분자 콜로이드를 혼합하는 단계, 혼합물을 여과 및 세척하여 다공성 알루미나 담체를 수득하는 단계, 및 니켈 전구체 용액을 다공성 알루미나 담체에 함침시키는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.In addition, the composite of the present invention comprises the steps of mixing a polymer colloid with an alumina precursor dissolved in a solvent, filtering and washing the mixture to obtain a porous alumina carrier, and impregnating the nickel precursor solution into the porous alumina carrier. can be manufactured.

이때, 상기 세척 시 알코올과 물의 혼합액을 이용할 수 있으며, 알코올과 물의 비율이 1:5 내지 4:5일 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올과 물의 비율은 2:5 내지 4:5, 1:4 내지 3:4, 또는 1:3 내지 2:3일 수 있다. 상기 비율을 가지는 경우 다공성 알루미나 담체는 매크로 기공 및 메조 기공을 동시에 가지는 계층적 기공 구조를 형성 할 수 있으며, 표면적이 넓어 촉매로서 사용 시 우수한 활성을 가질 수 있다.In this case, a mixture of alcohol and water may be used during the washing, and a ratio of alcohol and water may be 1:5 to 4:5. For example, the ratio of the alcohol to water may be 2:5 to 4:5, 1:4 to 3:4, or 1:3 to 2:3. In the case of having the above ratio, the porous alumina carrier can form a hierarchical pore structure having macropores and mesopores at the same time, and can have excellent activity when used as a catalyst because of its wide surface area.

상기 알코올은 저분자량을 가지는 알코올이라면 제한되지 않으나, 메탄올, 에탄올 및 이소프로필알콜로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.The alcohol is not limited as long as it is an alcohol having a low molecular weight, but is preferably at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol and isopropyl alcohol.

상기 알루미나 전구체는 알루미늄 트리-세크-부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide)일 수 있다. 알루미늄 트리-세크-부톡사이드는 매크로 기공 형성을 위해 주형으로 사용되는 고분자 입자 사이에 침투하여 균일한 메조 기공을 형성하는데 기여할 수 있다. 특히, 알루미늄 트리-세크-부톡사이드의 대칭적 구조 및 트리-세크-부톡사이드의 사슬 길이는 하소에 의해 트리-세크-부톡사이드가 제거될 때 균일한 메조 기공의 크기를 수득할 수 있도록 한다.The alumina precursor may be aluminum tri-sec-butoxide. Aluminum tri-sec-butoxide may contribute to the formation of uniform mesopores by penetrating between polymer particles used as templates for macropore formation. In particular, the symmetrical structure of aluminum tri-sec-butoxide and the chain length of tri-sec-butoxide make it possible to obtain a uniform mesopore size when tri-sec-butoxide is removed by calcination.

상기 용매는 2-부탄올(2-butanol)일 수 있으며, 2-부탄올은 알루미늄 트리-세크-부톡사이드의 점도를 낮출 수 있으므로 적합하다.The solvent may be 2-butanol, and 2-butanol is suitable because it can lower the viscosity of aluminum tri-sec-butoxide.

상기 고분자 콜로이드는 소듐 스타이렌 설포네이트(sodium styrene sulfonate), 스타이렌 모노머(styrene monomer) 및 칼륨 퍼설페이트(potassium persulfate)를 포함하는 조성물의 무유화 중합(emulsifier-free emulsion polymerization)에 의하여 제조될 수 있다.The polymer colloid may be prepared by emulsifier-free emulsion polymerization of a composition comprising sodium styrene sulfonate, styrene monomer, and potassium persulfate. have.

상기와 같은 방법에 의해 제조된 고분자 콜로이드는 고분자 입자의 크기가 200 내지 900nm일 수 있으며, 예를 들어, 200 내지 800nm, 200 내지 700nm, 200 내지 600nm, 250 내지 500nm, 250 내지 400nm 또는 300 내지 350nm일 수 있다. 고분자 입자의 크기는, 복합체의 계층적 매크로-메조 기공 구조에서 매크로 기공의 크기를 결정하는 역할을 한다. The polymer colloid prepared by the above method may have a polymer particle size of 200 to 900 nm, for example, 200 to 800 nm, 200 to 700 nm, 200 to 600 nm, 250 to 500 nm, 250 to 400 nm, or 300 to 350 nm. can be The size of the polymer particles plays a role in determining the size of macropores in the hierarchical macro-mesopore structure of the composite.

또한, 본 발명에 따른 복합체의 제조방법은 칼륨 전구체 용액을 다공성 알루미나 담체에 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 칼륨 전구체 용액은 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 칼륨이 0.3 내지 3질량%가 되도록 함침하는 것일 수 있다. In addition, the method for preparing the composite according to the present invention may further include the step of impregnating a potassium precursor solution into a porous alumina carrier, wherein the potassium precursor solution contains 0.3 to 3 mass of potassium based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel % may be impregnated.

구체적으로, 상기 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대한 칼륨의 함량은 0.3 내지 2.5질량% 또는 0.4 내지 2.3질량%일 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우, 니켈-알루미나-칼륨의 상호 작용에서 부정적인 효과가 커짐으로써, 촉매로서 사용 시 활성이 저하될 수 있다.Specifically, the content of potassium with respect to the total mass of the porous alumina carrier and nickel may be 0.3 to 2.5 mass % or 0.4 to 2.3 mass %, and when it exceeds the above range, negative in the interaction of nickel-alumina-potassium By increasing the effect, the activity may decrease when used as a catalyst.

이하에서는 본 발명의 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이들 실시예 및 비교예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention. These Examples and Comparative Examples are merely presented by way of example in order to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예 ><Example>

고분자 콜로이드의 제조Preparation of polymer colloids

탈이온수 450g을 반응기에 넣고 70℃로 유지하며, 350rpm으로 교반하였다. 소듐 스타이렌 설페이트 0.3g 및 소듐 메타크릴레이트(sodium methacrylate) 0.02g을 반응기에 첨가하고 10분 후 스타이렌 모노머 60g을 반응기에 첨가하였다. 한시간 후 포타슘 퍼설페이트 0.25g을 개시제로 첨가한 후 질소 분위기에서 18시간 중합 반응을 실시하였다. 고분자 콜로이드 내 폴리스타이렌 입자의 크기는 FE-SEM(field-emission scanning electron microscope) 및 입자 크기 분석기에 의해 측정되었다.450 g of deionized water was put into the reactor, maintained at 70° C., and stirred at 350 rpm. 0.3 g of sodium styrene sulfate and 0.02 g of sodium methacrylate were added to the reactor, and after 10 minutes, 60 g of styrene monomer was added to the reactor. After one hour, 0.25 g of potassium persulfate was added as an initiator, and then polymerization was carried out for 18 hours in a nitrogen atmosphere. The size of the polystyrene particles in the polymer colloid was measured by a field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) and a particle size analyzer.

다공성 알루미나 담체의 제조Preparation of porous alumina carrier

[제조예 1][Production Example 1]

알루미나 전구체로서 10g의 알루미늄 트리-세크 부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide, ASB, Sigma aldrich)를 용매로서 10g의 2-뷰탄올(butanol, Sigma aldrich)에 넣고 교반하여 완전히 용해시켰다. 약 320nm 크기의 폴리스타이렌(Polystyrene) 입자를 포함하는 고분자 콜로이드를 첨가하여 4시간 교반하였다. 이를 여과한 후 에탄올과 물의 비율이 1:3인 혼합물로 완전하게 세척하고, 70℃에서 24시간 건조하였다. 머플 가마에서 1℃/분으로 600℃에서 6시간 유지하여 하소에 의하여 폴리스타이렌 입자를 제거하여 다공성 알루미나 담체를 수득하였다. As an alumina precursor, 10 g of aluminum tri-sec-butoxide (ASB, Sigma aldrich) was added to 10 g of 2-butanol (butanol, Sigma aldrich) as a solvent, followed by stirring to completely dissolve. A polymer colloid containing polystyrene particles having a size of about 320 nm was added and stirred for 4 hours. After filtration, the mixture was completely washed with a mixture of ethanol and water in a ratio of 1:3, and dried at 70° C. for 24 hours. The polystyrene particles were removed by calcination by maintaining at 600° C. for 6 hours at 1° C./min in a muffle furnace to obtain a porous alumina carrier.

[제조예 2][Production Example 2]

제조예 1에서 에탄올과 물의 비율을 2:3으로 한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 다공성 알루미나 담체를 제조하였다. A porous alumina carrier was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that in Preparation Example 1, the ratio of ethanol to water was 2:3.

[제조예 3][Production Example 3]

제조예 1에서 에탄올과 물의 혼합물이 아닌 에탄올만으로 세척한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 다공성 알루미나 담체를 제조하였다. A porous alumina carrier was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that in Preparation Example 1, washing was performed only with ethanol, not with a mixture of ethanol and water.

[제조예 4][Production Example 4]

제조예 1에서 에탄올과 물의 혼합물이 아닌 물만으로 세척한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 다공성 알루미나 담체를 제조하였다. A porous alumina carrier was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that in Preparation Example 1, washing was performed only with water, not with a mixture of ethanol and water.

[제조예 5][Production Example 5]

다공성의 알루미나 담체를 졸-겔법을 이용하여 합성하였다. 6.0g의 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimethylammonium bromide; CTAB, Sigma aldrich)를 525ml의 탈이온수 및 225ml의 에탄올을 포함하는 혼합물에 첨가하고, 60℃에서 20분동안 격렬하게 교반하였다. 이후 10ml의 암모늄 하이드록사이드(ammonium hydroxide)를 용액에 첨가한 후, 30g의 알루미늄 트리-세크-부톡사이드를 교반 중 적가 방식으로 첨가하였다. 60℃, 3시간 동안 교반 후 고체 생성물을 여과하고, 24시간 동안 100℃에서 건조하였다. 이후 600℃에서 6시간 동안 하소하여 다공성 알루미나 담체를 수득하였다.A porous alumina carrier was synthesized using the sol-gel method. 6.0 g of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB, Sigma aldrich) was added to a mixture containing 525 ml of deionized water and 225 ml of ethanol, and vigorously stirred at 60° C. for 20 minutes. After 10 ml of ammonium hydroxide was added to the solution, 30 g of aluminum tri-sec-butoxide was added dropwise while stirring. After stirring at 60° C. for 3 hours, the solid product was filtered and dried at 100° C. for 24 hours. Thereafter, it was calcined at 600° C. for 6 hours to obtain a porous alumina carrier.

복합체의 제조Preparation of the complex

[실시예 1][Example 1]

제조예 1에서 제조된 다공성 알루미나 담체에, Ni(NO3)2ㆍ6H2O(Sigma aldrich Korea) 전구체 염의 수용성 용액을 8질량%가 되도록 초기 습식 함침법(Incipient wetness impregnation)으로 함침시켜 니켈이 담지된 다공성 알루미나 복합체를 제조하였다. 복합체는 상온에서 24시간 및 100℃의 오븐에서 5시간 건조 후 600℃의 가마에서 4시간 하소하였다.The porous alumina carrier prepared in Preparation Example 1 was impregnated with an aqueous solution of Ni(NO 3 ) 2 ㆍ6H 2 O (Sigma aldrich Korea) precursor salt in an amount of 8% by mass by Incipient wetness impregnation to obtain nickel. A supported porous alumina composite was prepared. The composite was dried at room temperature for 24 hours and in an oven at 100° C. for 5 hours, and then calcined in a kiln at 600° C. for 4 hours.

[실시예 2][Example 2]

제조예 1에서 제조된 니켈이 함침된 KNO3(Sigma aldrich Korea) 전구체 염의 수용성 용액을 다공성 알루미나 담체 및 니켈 총질량에 대하여 칼륨 0.5질량%가 되도록 초기 습식 함침법으로 함침시켜 니켈 및 칼륨이 담지된 다공성 알루미나 복합체를 제조하였다. 복합체는 상온에서 24시간 및 100℃의 오븐에서 5시간 건조 후 600℃의 가마에서 4시간 하소하였다.The aqueous solution of KNO 3 (Sigma aldrich Korea) precursor salt impregnated with nickel prepared in Preparation Example 1 was impregnated with an initial wet impregnation method so as to be 0.5 mass % of potassium based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel. A porous alumina composite was prepared. The composite was dried at room temperature for 24 hours and in an oven at 100° C. for 5 hours, and then calcined in a kiln at 600° C. for 4 hours.

[실시예 3][Example 3]

실시예 2에서 칼륨이 2질량%가 되도록 함침시킨 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 2, except that in Example 2, potassium was impregnated so as to be 2% by mass.

[비교예 1][Comparative Example 1]

제조예 5에서 제조된 다공성 알루미나 담체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 복합체를 제조하였다. A composite was prepared in the same manner as in Example 1, except that the porous alumina carrier prepared in Preparation Example 5 was used.

[비교예 2][Comparative Example 2]

제조예 5에서 제조된 다공성 알루미나 담체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2과 동일하게 복합체를 제조하였다.A composite was prepared in the same manner as in Example 2, except that the porous alumina carrier prepared in Preparation Example 5 was used.

[비교예 3][Comparative Example 3]

제조예 5에서 제조된 다공성 알루미나 담체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 복합체를 제조하였다.A composite was prepared in the same manner as in Example 3, except that the porous alumina carrier prepared in Preparation Example 5 was used.

실험예Experimental example

제조예 1 내지 5, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 대하여 하기의 방법으로 물성을 측정하고 그 결과를 도 1 내지 도 8, [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.Preparation Examples 1 to 5, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were measured for physical properties by the following method, and the results are shown in FIGS. 1 to 8, [Table 1] and [Table 2].

BET 표면적 및 기공 크기 분포는 질소 흡착-탈착 등온선(Micromeritics ASAP 2020, Norcross社, 미국)으로 측정하였다. 복합체는 300℃에서 6시간동안 전처리 후 측정하였다.BET surface area and pore size distribution were measured by nitrogen adsorption-desorption isotherms (Micromeritics ASAP 2020, Norcross, USA). The composite was measured after pretreatment at 300° C. for 6 hours.

XRD(X-ray diffraction)는 Rigaku RAD-3C diffractometer(Rigaku社, 일본)을 이용하여 측정하였고, XRD 패턴으로부터 니켈 입자의 크기를 하기 수학식 1의 데바이-셰리의 방정식(Debye-Scherrer's equation)을 이용하여 측정하였다. XRD (X-ray diffraction) was measured using a Rigaku RAD-3C diffractometer (Rigaku Corporation, Japan), and the size of nickel particles from the XRD pattern was determined by Debye-Scherrer's equation of Equation 1 below. was used.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020098057869-pat00005
Figure 112020098057869-pat00005

상기 수학식 1에서 k=0.9로서 형상계수이고,

Figure 112020098057869-pat00006
는 X-선 방사선 파장이며,
Figure 112020098057869-pat00007
는 브랙각(Bragg angle),
Figure 112020098057869-pat00008
는 특정 회절 피크에서의 FWHM(full sidth at half maximum)이다.In Equation 1, k = 0.9 as a shape factor,
Figure 112020098057869-pat00006
is the X-ray radiation wavelength,
Figure 112020098057869-pat00007
is the Bragg angle,
Figure 112020098057869-pat00008
is the full sidth at half maximum (FWHM) at a specific diffraction peak.

복합체의 표면 형태는 SEM(JEOL JSM-600F, JEOL社, 일본) 및 TEM(JEM-2100F, JEOL社, 일본)이미지를 이용하여 확인하였다.The surface morphology of the composite was confirmed using SEM (JEOL JSM-600F, JEOL, Japan) and TEM (JEM-2100F, JEOL, Japan) images.

구분division 에탄올(V) : 물(V)Ethanol (V): Water (V) 표면적
(m2/g)
surface area
(m 2 /g)
기공크기
(nm)
pore size
(nm)
기공부피
(cm3/g)
pore volume
(cm 3 /g)
매크로 기공 크기(nm)Macro pore size (nm)
제조예 1Preparation Example 1 MaAlMaAl 1 : 31: 3 266.2266.2 11.511.5 1One 250250 제조예 2Preparation 2 MaAlMaAl 2 : 32:3 260.4260.4 10.910.9 0.80.8 260260 제조예 3Preparation 3 MaAlMaAl 1 : 01: 0 310.9310.9 7.47.4 1.181.18 형성되지 않음not formed 제조예 4Preparation 4 MaAlMaAl 0 : 10 : 1 192.7192.7 7.87.8 0.640.64 290290 제조예 5Preparation 5 MeAlMeAl - - 314.2314.2 9.59.5 1.241.24 --

제조예 1, 2 및 4의 방법으로 제조된 다공성 알루미나 담체는 메크로 기공 및 메조 기공을 동시에 포함하는 계층적으로 균일한 기공 구조를 가지고 있었으나, 제조예 3의 방법으로 제조된 다공성 알루미나 담체는 매크로 기공이 형성되지 못하고 메조 기공만을 가지고 있었다. 제조예 5의 다공성 알루미나 담체는 졸-겔 법에 의하여 메조 기공만을 가지는 담체가 형성되었다.The porous alumina carrier prepared by the method of Preparation Examples 1, 2 and 4 had a hierarchically uniform pore structure including macropores and mesopores at the same time, but the porous alumina carrier prepared by the method of Preparation Example 3 had macropores. It did not form and only had mesopores. In the porous alumina carrier of Preparation Example 5, a carrier having only mesopores was formed by the sol-gel method.

다만, 제조예 4의 경우 표면적이 낮았으며, 높은 표면적을 형성하기 위해서는 일정량의 에탄올이 필요함을 알 수 있었다. 이는 세척 과정에서 사용된 세척액에 따라 다공성 담체의 형태 및 구조가 변화 할 수 있음을 암시한다.However, in the case of Preparation Example 4, the surface area was low, and it was found that a certain amount of ethanol was required to form a high surface area. This suggests that the shape and structure of the porous carrier may change depending on the washing solution used in the washing process.

구분division 표면적
(m2/g)
surface area
(m 2 /g)
기공
크기
(nm)
pore
size
(nm)
기공
부피
(cm3/g)
pore
volume
(cm 3 /g)
니켈
크기
(nm)
nickel
size
(nm)
산성
부위
(mmol/g)
acid
part
(mmol/g)
니켈
부위
(mmol/g)
nickel
part
(mmol/g)
K면적/
N면적
K area/
N area
제조예 1Preparation Example 1 MaAlMaAl 266.2266.2 11.511.5 1One -- 1.0081.008 -- -- 실시예 1Example 1 Ni-MaAlNi-MaAl 221.5221.5 10.810.8 0.810.81 1.81.8 0.7680.768 0.0170.017 -- 실시예 2Example 2 0.5K/Ni-MaAl0.5K/Ni-MaAl 202.1202.1 10.210.2 0.690.69 2.12.1 0.5450.545 0.0170.017 00 실시예 3Example 3 2K/Ni-MaAl2K/Ni-MaAl 199.5199.5 10.410.4 0.680.68 2.12.1 0.4650.465 0.0140.014 0.180.18 제조예 5Preparation 5 MeAlMeAl 314.2314.2 9.59.5 1.241.24 -- 1.9291.929 -- -- 비교예 1Comparative Example 1 Ni-MeAlNi-MeAl 177.7177.7 44 0.250.25 4.74.7 0.7140.714 0.0120.012 -- 비교예 2Comparative Example 2 0.5K/Ni-MeAl0.5K/Ni-MeAl 172172 5.15.1 0.290.29 8.28.2 0.4190.419 0.0080.008 0.330.33 비교예 3Comparative Example 3 2K/Ni-MeAl2K/Ni-MeAl 168.8168.8 5.15.1 0.290.29 7.97.9 0.470.47 0.0060.006 0.50.5

상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 복합체는 비교예 1 내지 3의 복합체와 비교하여 표면적이 넓고, 기공의 크기(메조 기공) 및 기공의 부피가 크지만, 니켈 입자의 크기는 훨씬 작은 것을 알 수 있다.Referring to Table 2, the composites of Examples 1 to 3 have a larger surface area and larger pore size (mesopores) and pore volume than the composites of Comparative Examples 1 to 3, but the size of the nickel particles is much larger small things can be seen.

즉, 실시예 1 내지 3의 복합체는 니켈 입자의 크기가 기공의 크기 보다 작으므로 기공 내부에 접근이 가능함을 알 수 있다. 또한, 니켈 입자의 작은 크기는 니켈 입자의 응집 현상이 비교예 1 내지 3에 비하여 적다는 것을 의미한다. 이는 다공성 알루미나 담체의 계층적 기공 구조에 기인하기 때문일 수 있다.That is, in the composites of Examples 1 to 3, it can be seen that the size of the nickel particles is smaller than the size of the pores, so that it is possible to access the inside of the pores. In addition, the small size of the nickel particles means that the aggregation phenomenon of the nickel particles is small compared to Comparative Examples 1 to 3. This may be due to the hierarchical pore structure of the porous alumina carrier.

또한, 실시예 1 내지 3의 복합체는 니켈의 활성 부위가 비교예 1 내지 3에 비하여 높고, 특히 칼륨을 더 부가한 실시예 2 및 3과 비교예 2 및 3을 비교하면, 칼륨이 니켈 활성 부위를 가리는 면적이 훨씬 작음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 복합체를 촉매로 활용 시 니켈의 활성 부위 면적이 넓어 비교예 1 내지 3에 비하여 촉매 활성이 우수할 것으로 예상된다.In addition, in the composites of Examples 1 to 3, the active site of nickel is higher than that of Comparative Examples 1 to 3, and in particular, when comparing Examples 2 and 3 and Comparative Examples 2 and 3 in which potassium is further added, potassium is a nickel active site It can be seen that the area covered by Therefore, when the composite according to the present invention is used as a catalyst, it is expected that the catalytic activity of the nickel is greater than that of Comparative Examples 1 to 3 because the active site area of nickel is wide.

이러한 차이가 나타나는 이유를 분석하기 위하여 SEM, TEM 및 질소 흡착-탈착 등온선을 분석하였다. 복합체 표면의 SEM 및 TEM 결과는 도 1 및 도 2에 나타내었으며, 질소 흡착-탈착 등온선은 도 3에 나타내었다. To analyze the reason for this difference, SEM, TEM, and nitrogen adsorption-desorption isotherms were analyzed. The SEM and TEM results of the composite surface are shown in FIGS. 1 and 2, and the nitrogen adsorption-desorption isotherm is shown in FIG. 3 .

SEM 및 TEM 이미지를 통하여 제조예 1 및 실시예 1 내지 3의 복합체는 메조 기공과 매크로 기공을 동시에 가지는 계층적 기공 구조를 가지고 있음을 알 수 있다.It can be seen from the SEM and TEM images that the composites of Preparation Examples 1 and 1 to 3 have a hierarchical pore structure having mesopores and macropores at the same time.

제조예 1의 다공성 알루미나 담체를 이용한 실시예 1 내지 3은 니켈 및/또는 칼륨의 추가에도 균일한 매크로 기공이 유지되었다. 제조예 5의 메조 기공만을 가지는 다공성 알루미나 담체를 이용한 비교예 2 및 3은 칼륨의 함량 증가에 따라 칼륨 산화물(K2O)이 많아졌다. K2O는 600℃에서 질산칼륨을 하소하여 질산염을 제거한 결과로 생성된 것이다. 그러나, 제조예 1을 사용한 실시예 2 및 3에는 K2O가 거의 관찰되지 않았으며, 이는 실시예 2 및 3의 경우 K2O의 입자가 너무 작고, 제조예 1에서 제조된 담체의 기공에 잘 분산되었기 때문인 것으로 보인다.In Examples 1 to 3 using the porous alumina carrier of Preparation Example 1, uniform macropores were maintained even with the addition of nickel and/or potassium. In Comparative Examples 2 and 3 using the porous alumina carrier having only mesopores of Preparation Example 5, potassium oxide (K 2 O) increased as the content of potassium increased. K 2 O is produced as a result of removing nitrate by calcining potassium nitrate at 600 °C. However, in Examples 2 and 3 using Preparation Example 1, almost no K 2 O was observed, which in the case of Examples 2 and 3 K 2 O particles were too small, in the pores of the carrier prepared in Preparation Example 1 This seems to be because it is well distributed.

도 2를 참조하면, 니켈 입자의 크기는 실시예 1이 비교예 1에 비하여 훨씬 작았다. 이것은 니켈 및 칼륨 산화물 입자가 계층적 기공 구조를 가지는 다공성 알루미나 담체에서 분산성이 훨씬 좋음을 의미한다.Referring to FIG. 2 , the size of the nickel particles in Example 1 was much smaller than that of Comparative Example 1. This means that the nickel and potassium oxide particles have much better dispersibility in the porous alumina carrier having a hierarchical pore structure.

질소 흡착-탈착 등온선 및 기공 크기 분포는 도 3에 나타내었다. 제조예 1의 경우 제조예 5에 비하여 메조 기공의 크기가 더 큰 것을 알 수 있다. 다만, 제조예 1의 담체를 사용한 실시예 1 내지 3의 경우 질소 및/또는 칼륨의 첨가 후에도 기공 크기 및 부피의 변화가 거의 없었으나, 제조예 5의 담체를 사용한 비교예 1 내지 3의 경우 큰 감소가 있었다. 이는 비교예 1 내지 3의 경우 니켈 입자가 메조 기공을 차단하거나 니켈과 알루미나 담체간의 상호 작용에 의해 새로운 상이 형성되었음을 의미한다. 즉, 제조예 1의 담체를 사용한 실시예 2 및 3의 경우에는 칼륨의 첨가에도 Ni-K-Al2O3간 상호 작용에 의하여 기공 크기 및 부피의 변화없이도 니켈 입자의 크기가 작고, 분산도가 높은 효과가 있지만, 제조예 5의 담체를 사용한 비교예 2 및 3의 경우 칼륨이 오히려 Ni-Al2O3의 상호작용을 약화시켜 기공의 크기 및 부피를 감소시켰음을 알 수 있다. The nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore size distributions are shown in FIG. 3 . In the case of Preparation Example 1, it can be seen that the size of the mesopores is larger than that of Preparation Example 5. However, in Examples 1 to 3 using the carrier of Preparation Example 1, there was little change in pore size and volume even after the addition of nitrogen and/or potassium, but in Comparative Examples 1 to 3 using the carrier of Preparation Example 5, large There was a decrease. This means that in Comparative Examples 1 to 3, the nickel particles blocked the mesopores or a new phase was formed by the interaction between nickel and the alumina carrier. That is, in the case of Examples 2 and 3 using the carrier of Preparation Example 1, the size of the nickel particles is small, and the dispersion degree is small without change in the pore size and volume due to the interaction between Ni-K-Al 2 O 3 even when potassium is added. has a high effect, but in Comparative Examples 2 and 3 using the carrier of Preparation Example 5, potassium rather weakens the Ni-Al 2 O 3 interaction, thereby reducing the size and volume of pores.

이해를 돕기 위하여 도 4에 복합체의 표면을 도시하였다. 다공성 알루미나 담체에 니켈을 함침 후 제조예 5를 사용한 담체의 표면은 NiAl2O4(녹색) 및 니켈 산화물(진한 녹색)에 의해 고도로 피복되어 있다. 이 현상은 제조예 1을 사용한 담체의 표면에도 나타나지만, 제조예 5를 사용한 담체에 비하여 피복 범위가 낮아 BET 표면적은 더 크다.For better understanding, the surface of the composite is shown in FIG. 4 . After the porous alumina carrier was impregnated with nickel, the surface of the carrier using Preparation Example 5 was highly coated with NiAl 2 O 4 (green) and nickel oxide (dark green). Although this phenomenon also appeared on the surface of the carrier using Preparation Example 1, the BET surface area was larger because the coverage was lower than that of the carrier using Preparation Example 5.

다공성 알루미나 담체에 칼륨을 함침하는 두번쩨 단계에서 함침된 칼륨은 칼륨 산화물(보라색 삼각형), 칼륨 알루미네이트(KAlO2, 주황색 직사각형) 및 칼륨 원자(니켈과 상호작용)의 세가지 형태로 존재한다. In the second step of impregnating the porous alumina carrier with potassium, the impregnated potassium exists in three forms: potassium oxide (purple triangle), potassium aluminate (KAlO 2 , orange rectangle) and potassium atom (interacting with nickel).

제조예 5의 담체를 사용한 경우 NiAl2O4의 표면 피복에 의해 K-NiAl2O3 상호 작용이 감소되어, 칼륨 산화물 및 칼륨 원자의 수가 증가한다. 반면, 제조예 1의 담체를 사용하는 경우 K-NiAl2O3 상호 작용이 강하게 일어나 칼륨 알루미네이트를 표면에 더 많이 생성하고, 니켈 활성 부위와 상호 작용하는 칼륨 원자를 감소시킨다.When the carrier of Preparation Example 5 is used, the K-NiAl 2 O 3 interaction is reduced by the surface coating of NiAl 2 O 4 , and the number of potassium oxide and potassium atoms increases. On the other hand, when the carrier of Preparation Example 1 is used, K—NiAl 2 O 3 interaction occurs strongly to generate more potassium aluminate on the surface, and to reduce potassium atoms interacting with the nickel active site.

도 5에는 실시예와 비교예를 공기에서 하소하고 600℃의 수소에서 환원한 후에 측정한 XRD 패턴을 나타내었다. 2θ = 43.4 °에서 니켈 산화물에 대한 특징적인 XRD 피크의 존재는 하소된 촉매가 600 ° C에서 2 시간 동안 수소에서 완전히 환원되지 않았음을 나타낸다 또한, 금속성 니켈에 대한 1개의 날카로운 XRD 피크가 비교예의 복합체에서 명확하게 관찰되었다. 또한, 실시예에서는 금속성 니켈애 대한 피크가 넓게 나타났다. 실시예에서 니켈의 입자 크기는 비교예와 비교해서 훨씬 작았으며, 이는 큰 니켈 입자의 크기 때문에 비교예에서는 기공이 차단되어 기공 크기와 부피가 크게 감소했음을 의미한다. 5 shows XRD patterns measured after calcining Examples and Comparative Examples in air and reducing in hydrogen at 600°C. The presence of a characteristic XRD peak for nickel oxide at 2θ = 43.4 ° indicates that the calcined catalyst was not completely reduced in hydrogen at 600 °C for 2 h. In addition, one sharp XRD peak for metallic nickel was observed in the comparative example. was clearly observed in the complex. In addition, in the Example, the peak for metallic nickel appeared widely. The particle size of nickel in the Example was much smaller than that of the comparative example, which means that the pores were blocked in the comparative example due to the size of the large nickel particles, and the pore size and volume were greatly reduced.

또한, 2θ = 45.8 °, 60.5 ° 및 66.8 °에서 2θ = 45.4 °, 59.9 ° 및 66.3 °로 니켈이 함침된 후 알루미나 XRD에서 피크의 시프트가 발생하였다. 이는 계면에서 니켈과 알루미나 사아의 상호작용의 결과로 새로운 니켈 알루미네이트 유사 스피넬 상이 형성되었음을 나타낸다.In addition, shifts of peaks occurred in alumina XRD after nickel impregnation from 2θ = 45.8°, 60.5° and 66.8° to 2θ = 45.4°, 59.9° and 66.3°. This indicates that a new nickel aluminate-like spinel phase was formed as a result of the interaction of nickel and alumina at the interface.

<촉매 활성 시험><Catalyst Activity Test>

0.25g의 복합체 파우더를 내경이 9.1mm인 튜브 반응기에 넣고 600℃에서 2시간 동안 0.1 ml/분의 1-methyl naphthalene(1-MN) 및 0.4 ml/분의 물을 투입하여 스팀 개질 반응에서 생성물의 분포 및 전환율을 측정하였으며, 결과 값을 표 3 및 표 4에 나타내었다.0.25 g of the composite powder was put into a tube reactor with an inner diameter of 9.1 mm, and 0.1 ml/min of 1-methyl naphthalene (1-MN) and 0.4 ml/min of water were added at 600° C. for 2 hours in the steam reforming reaction. was measured, and the results are shown in Tables 3 and 4.

스팀 개질 반응은 하기의 화학식 1 내지 3으로 나타낼 수 있다.The steam reforming reaction may be represented by Chemical Formulas 1 to 3 below.

(화학식 1) 스팀 개질(Steam reforming)(Formula 1) Steam reforming

C11H10 + 11H2O → 11CO + 16H2 C 11 H 10 + 11H 2 O → 11CO + 16H 2

(화학식 2) 수성 가스 전환 반응 (Water gas shift)(Formula 2) Water gas shift reaction (Water gas shift)

11CO + 11H2O → 11CO2 + 11H2 11CO + 11H 2 O → 11CO 2 + 11H 2

(화학식 3) 전체 반응(Formula 3) overall reaction

C11H10 + 22H2O → 11CO2 + 27H2 C 11 H 10 + 22H 2 O → 11CO 2 + 27H 2

생성물 분석에서 H2, CO, CO2, CH4 및 C2-C4 가스는 가스 크로마토그래피-TCD (Acme 6100 GC, YL Instrument社, 한국)를 통해 분석되었다. 액체 생성물은 가스 크로마토그래피(Agilent 6890 N Network GC, Agilent Technologies社, 미국)를 통해 분석되었다. 코크의 양은 열중량 분석(TG Q50, TA instrument社, 미국)에 의해 측정되었다. In product analysis, H 2 , CO, CO 2 , CH 4 and C 2 -C 4 gases were analyzed through gas chromatography-TCD (Acme 6100 GC, YL Instrument, Korea). The liquid product was analyzed by gas chromatography (Agilent 6890 N Network GC, Agilent Technologies, USA). The amount of coke was measured by thermogravimetric analysis (TG Q50, TA instrument, USA).

또한, 각 측정값은 하기 식에 의하여 결과로 표출되었다.In addition, each measured value was expressed as a result by the following formula.

(식 1) 가스 생성물의 탄소 선택도(mol, %) =

Figure 112020098057869-pat00009
(Equation 1) Carbon selectivity of gaseous product (mol, %) =
Figure 112020098057869-pat00009

(식 2) 액체 생성물의 탄소 선택도(mol, %) =

Figure 112020098057869-pat00010
(Equation 2) Carbon selectivity of liquid product (mol, %) =
Figure 112020098057869-pat00010

(식 3) 전환율(mol, %) =

Figure 112020098057869-pat00011
(Equation 3) Conversion (mol, %) =
Figure 112020098057869-pat00011

(식 4) 기상 조성(mol%) =

Figure 112020098057869-pat00012
(Formula 4) Gas phase composition (mol%) =
Figure 112020098057869-pat00012

(식 5) 반응 속도(mol%) =

Figure 112020098057869-pat00013
(Equation 5) Reaction rate (mol%) =
Figure 112020098057869-pat00013

(식 6) TOF(turnover frequency, H2) =

Figure 112020098057869-pat00014
(Equation 6) TOF(turnover frequency, H 2 ) =
Figure 112020098057869-pat00014

구분division 전환율
(%)
conversion rate
(%)
탄소 선택도(%)Carbon selectivity (%) 액체 생성물 분포(%)Liquid product distribution (%)
코크coke 가스gas 액체Liquid AA BB CC 공시험blank test 6.26.2 3.33.3 26.126.1 70.670.6 55 8484 1111 제조예 1Preparation Example 1 MaAlMaAl 13.913.9 0.30.3 4747 52.752.7 2323 6767 1010 실시예 1Example 1 Ni-MaAlNi-MaAl 20.120.1 0.50.5 56.956.9 42.542.5 66 8686 88 실시예 2Example 2 0.5K/Ni-MaAl0.5K/Ni-MaAl 23.123.1 0.50.5 65.465.4 34.134.1 1010 7979 1111 실시예 3Example 3 2K/Ni-MaAl2K/Ni-MaAl 20.420.4 0.40.4 55.155.1 44.444.4 1313 7676 1010 제조예 5Preparation 5 MeAlMeAl 11.511.5 0.40.4 22.922.9 76.876.8 2727 6565 88 비교예 1Comparative Example 1 Ni-MeAlNi-MeAl 16.116.1 0.30.3 49.849.8 49.949.9 2222 7777 1One 비교예 2Comparative Example 2 0.5K/Ni-MeAl0.5K/Ni-MeAl 11.311.3 0.60.6 48.948.9 50.550.5 3131 6161 77 비교예 3Comparative Example 3 2K/Ni-MeAl2K/Ni-MeAl 6.96.9 0.70.7 55.255.2 44.144.1 2626 5252 2121

표 3에서 A는 개환 탄화수소를 나타내며, B는 고리형 탄화수소를 나타내고, C는 축합 탄화수소를 나타낸다.In Table 3, A represents a ring-opened hydrocarbon, B represents a cyclic hydrocarbon, and C represents a condensed hydrocarbon.

표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 복합체의 전환율 및 탄소 선택도가 비교예 1 내지 3에 비하여 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 특히 실시예 1 내지 3은 나프탈렌 또는 벤젠 고리 화합물과 같은 B(방향족 탄화수소)의 비율이 높은 반면, 비교예 1 내지 3은 B의 분율이 감소하고, 상대적으로 가벼운 A(개환 탄화수소)의 비율이 증가하였다. Referring to Table 3, it can be seen that the conversion rates and carbon selectivity of the composites of Examples 1 to 3 are much higher than those of Comparative Examples 1 to 3. In particular, Examples 1 to 3 have a high ratio of B (aromatic hydrocarbon) such as naphthalene or a benzene ring compound, whereas Comparative Examples 1 to 3 have a decreased fraction of B, and a relatively light A (ring-opened hydrocarbon) ratio increased. did.

또한, 실시예 1 내지 3에서 칼륨의 함량의 증가에 따라 전환율이 증가하다가 다시 감소한 반면, 비교예 1 내지 3에서는 칼륨의 첨가에 따라 전환율이 감소하고, 함량이 증가하면 더욱 전환율이 감소하였다. 이는, 칼륨의 첨가에 따른 스팀 개질 반응에서 복합체의 활성이 다공성 알루미나 담체의 형태 및 구조에 영향을 받음을 의미한다. In addition, in Examples 1 to 3, the conversion increased and then decreased again as the content of potassium increased, whereas in Comparative Examples 1 to 3, the conversion decreased according to the addition of potassium, and as the content increased, the conversion further decreased. This means that the activity of the composite in the steam reforming reaction according to the addition of potassium is affected by the shape and structure of the porous alumina carrier.

구분division H2 H 2 COCO CO2 CO 2 CH4 CH 4 C2+C 2 + TOF(H2)TOF(H 2 ) H2/
(CO+CO2)
H 2 /
(CO+CO 2 )
(mol/mol.h)(mol/mol.h) 공시험blank test 00 00 00 6666 3434     제조예 1Preparation Example 1 MaAlMaAl 00 00 55 6262 3333   00 실시예 1Example 1 Ni-MaAlNi-MaAl 2828 2626 99 2020 1717 577577 0.80.8 실시예 2Example 2 0.5K/Ni-MaAl0.5K/Ni-MaAl 4343 2626 77 1414 1010 952952 1.261.26 실시예 3Example 3 2K/Ni-MaAl2K/Ni-MaAl 4141 2626 99 1616 77 950950 1.161.16 제조예 5Preparation 5 MeAlMeAl 00 00 66 6666 2828   00 비교예 1Comparative Example 1 Ni-MeAlNi-MeAl 2828 2929 3838 33 22 736736 0.420.42 비교예 2Comparative Example 2 0.5K/Ni-MeAl0.5K/Ni-MeAl 1818 88 1212 4848 1515 430430 0.90.9 비교예 3Comparative Example 3 2K/Ni-MeAl2K/Ni-MeAl 00 00 2222 3838 4040   00

스팀 개질(Steam reforming)에서는 1-MN은 활성 산소종에 의해 CO 및 H2로 산화되는 반면, 스팀 분해(Steam cracking)에서는 탄화수소는 개환되며 CO2를 방출한다. 표 4를 참조하면, 비교예 1 내지 3은 높은 CO2 및 낮은 CO 비율을 나타냄으로, 상대적으로 스팀 분해가 우세함을 알 수 있다. In steam reforming, 1-MN is oxidized to CO and H 2 by reactive oxygen species, whereas in steam cracking, hydrocarbons are ring-opened and CO 2 is released. Referring to Table 4, Comparative Examples 1 to 3 show a high CO 2 and low CO ratio, it can be seen that steam cracking is relatively dominant.

실시예 2 및 3에서는 CH4 및 C2+의 비율이 낮고, CO 및 H2의 비율이 높은 가스 조성을 가지고 있으며, 이는 K-Al2O3의 상호 작용에 의하여 부가적인 활성 니켈 부위가 생성되었음을 의미한다.In Examples 2 and 3, the ratio of CH 4 and C 2 + is low, and the ratio of CO and H 2 has a high gas composition, which indicates that an additional active nickel site was generated by the interaction of K-Al 2 O 3 it means.

실시예 2 및 3을 비교하면, 칼륨의 함량 증가에 따라 전환율 및 TOF 값 등이 증가하다가 다시 감소하는데, 이는 K-Ni 상호 작용에 따라 칼륨의 일정 함량까지는 니켈의 분산도에 긍정적인 영향을 미치나, 칼륨의 함량이 너무 높아지면 니켈 활성 부위의 면적을 감소시키는 것에 기인한 것으로 보인다. 그러나 비교예 2 및 3에서는 니켈이 실시예 2 및 3에 비해 고르게 분산하지 못하여 칼륨의 함량 증가에 의해 바로 니켈 활성 부위가 칼륨에 의해 감소되어 칼륨 함량 증가에 따라 전화율 및 TOF 값 등이 낮아지는 경향을 보였다.Comparing Examples 2 and 3, the conversion rate and TOF value increase and then decrease again as the content of potassium increases, which has a positive effect on the dispersion degree of nickel up to a certain content of potassium according to the K-Ni interaction. , appears to be due to reducing the area of nickel active sites when the content of potassium becomes too high. However, in Comparative Examples 2 and 3, nickel was not uniformly dispersed compared to Examples 2 and 3, so that the nickel active site was immediately reduced by potassium due to an increase in the potassium content. showed

도 6에는 스트림의 시간에 따른 반응 속도를 나타내었다. 제조예 5 및 비교예 1 내지 3에 의한 복합체는 제조예 1 내지 실시예 1 내지 3의 복합체와 비교하여 반응속도의 감소 폭이 매우 컸다. 이는 니켈 활성 부위가 니켈 산화물로 변화되어 불활성을 나타낼 수 있음을 의미한다.6 shows the reaction rate with respect to time of the stream. The composite according to Preparation Example 5 and Comparative Examples 1 to 3 showed a very large decrease in the reaction rate compared to the composites of Preparation Examples 1 to 1 to 3. This means that the nickel active site can be changed to nickel oxide to show inertness.

도 7에 사용된 촉매의 XRD 패턴을 나타냈는데, 2시간 반응 후에 니켈 산화물이 생성되었음을 명확히 알 수 있다. 사용된 촉매와 새로운 촉매의 니켈상의 정량화된 비율을 표 5에 나타내었다.The XRD pattern of the catalyst used in FIG. 7 is shown, and it can be clearly seen that nickel oxide was formed after 2 hours of reaction. Table 5 shows the quantified ratios of the nickel phase of the used and fresh catalysts.

구분division 사용된 복합체complex used 새로운 복합체new complex NiONiO NiNi NiAl2O4 NiAl 2 O 4 NiONiO NiNi NiAl2O4 NiAl 2 O 4 실시예 1Example 1 Ni-MaAlNi-MaAl 2424 1111 6565 2323 1111 6666 실시예 2Example 2 0.5K/Ni-MaAl0.5K/Ni-MaAl 2727 2323 5050 2424 2727 4848 실시예 3Example 3 2K/Ni-MaAl2K/Ni-MaAl 2323 3131 4646 2121 3333 4545 비교예 1Comparative Example 1 Ni-MeAlNi-MeAl 1111 2727 6161 44 3333 6262 비교예 2Comparative Example 2 0.5K/Ni-MeAl0.5K/Ni-MeAl 2828 1818 5454 1111 3333 5656 비교예 3Comparative Example 3 2K/Ni-MeAl2K/Ni-MeAl 6666 00 3434 4242 2121 3737

표 5를 참조하면, 비교예 1 내지 3에서 사용된 복합체는 니켈 산화물(NiO)의 비율이 새로운 복합체에 비하여 급격하게 증가하였음을 알 수 있다. 반면, 실시예 1 내지 3은 새로운 복합체와 비교시 사용된 복합체의 니켈 산화물의 변화량이 미미하였다.Referring to Table 5, it can be seen that in the composites used in Comparative Examples 1 to 3, the ratio of nickel oxide (NiO) was sharply increased compared to that of the new composite. On the other hand, in Examples 1 to 3, the amount of change in nickel oxide of the composite used in comparison with the new composite was insignificant.

이는 칼륨, 표면 산화종 및 니켈의 흡착이 Ni-O-K 결합을 형성하고, 이로 인해 니켈의 니켈 산화물로의 변화가 촉진된 것으로 보이며, 비교예 2 및 3에서는 니켈 면적에 대하여 칼륨의 커버 면적이 높아 니켈 활성 부위가 빠르게 감소된 것으로 보인다. It seems that the adsorption of potassium, surface oxidizing species, and nickel forms a Ni-O-K bond, which promotes the change of nickel to nickel oxide. In Comparative Examples 2 and 3, the coverage area of potassium with respect to the nickel area was high, It appears that the nickel active sites are rapidly reduced.

Claims (14)

다공성 알루미나 담체; 및
다공성 알루미나 담체에 담지된 니켈을 포함하고,
니켈 입자의 크기가 1.5 내지 2.3nm이며,
상기 다공성 알루미나 담체는 메조 기공 및 매크로 기공을 동시에 포함하고, 매크로 기공 벽 내부에 메조 기공이 형성되어 있으며, 메조 기공과 매크로 기공이 상호 연결되어 있는 계층적 기공 구조이고,
상기 다공성 알루미나 담체의 메조 기공의 평균 크기가 8 내지 12nm인 복합체를 포함하며,
상기 복합체는 스팀 개질 반응 시 하기 식 3으로 나타나는 전환율이 20.1% 내지 23.1%인 스팀 개질 반응용 촉매:
[식 3]
Figure 112022016392111-pat00022

상기 식 3에서 1-MN은 1-메틸 나프탈렌이다.
porous alumina carrier; and
Containing nickel supported on a porous alumina carrier,
The size of the nickel particles is 1.5 to 2.3 nm,
The porous alumina carrier has a hierarchical pore structure including mesopores and macropores at the same time, mesopores are formed inside the macropore wall, and the mesopores and macropores are interconnected,
and a composite having an average size of mesopores of 8 to 12 nm of the porous alumina carrier,
The composite is a catalyst for steam reforming reaction having a conversion rate of 20.1% to 23.1% represented by Equation 3 during the steam reforming reaction:
[Equation 3]
Figure 112022016392111-pat00022

In Formula 3, 1-MN is 1-methyl naphthalene.
삭제delete 삭제delete 제1항 있어서,
상기 복합체는 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 0.3 내지 3질량%의 칼륨을 더 포함하는 스팀 개질 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The composite is a catalyst for steam reforming reaction further comprising 0.3 to 3% by mass of potassium based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel.
삭제delete 제1항에 따른 스팀 개질 반응용 촉매를 제조하는 방법으로서,
용매에 용해된 알루미나 전구체에 고분자 콜로이드를 혼합하는 단계;
혼합물을 여과 및 세척하여 다공성 알루미나 담체를 수득하는 단계; 및
니켈 전구체 용액을 다공성 알루미나 담체에 함침시키는 단계를 포함하고,
상기 세척은 알코올과 물의 혼합액을 이용하여 수행하는 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
A method for preparing the catalyst for the steam reforming reaction according to claim 1, comprising:
mixing a polymer colloid with an alumina precursor dissolved in a solvent;
filtering and washing the mixture to obtain a porous alumina carrier; and
impregnating the nickel precursor solution into the porous alumina carrier;
The washing is a method for producing a catalyst for steam reforming reaction is performed using a mixture of alcohol and water.
제6항에 있어서,
상기 알코올과 물의 비율은 1:5 내지 4:5인 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The ratio of the alcohol and water is 1:5 to 4:5. Method for producing a catalyst for steam reforming reaction.
제6항에 있어서,
상기 용매는 2-부탄올(2-butanol)인 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The solvent is 2-butanol (2-butanol) method for producing a catalyst for steam reforming reaction.
제6항에 있어서,
상기 알루미나 전구체는 알루미늄 트리-세크-부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide)인 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The alumina precursor is aluminum tri-sec-butoxide (aluminum tri-sec-butoxide) is a method for producing a catalyst for steam reforming reaction.
제6항에 있어서,
상기 고분자 콜로이드는 스타이렌 모노머(styrene monomer)를 포함하는 조성물의 무유화 중합(emulsifier-free emulsion polymerization)에 의하여 제조된 것인 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The method for producing a catalyst for steam reforming reaction wherein the polymer colloid is prepared by emulsifier-free emulsion polymerization of a composition containing a styrene monomer.
제6항에 있어서,
상기 고분자 콜로이드내 분산된 고분자 입자의 크기는 200 내지 900nm인 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The method for producing a catalyst for steam reforming reaction wherein the size of the polymer particles dispersed in the polymer colloid is 200 to 900 nm.
제6항에 있어서,
칼륨 전구체 용액을 다공성 알루미나 담체에 함침시키는 단계를 더 포함하는 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
A method for preparing a catalyst for steam reforming reaction further comprising the step of impregnating a potassium precursor solution into a porous alumina carrier.
제12항에 있어서,
상기 칼륨 전구체 용액은 다공성 알루미나 담체 및 니켈의 총질량에 대하여 칼륨이 0.3 내지 3질량%가 되도록 함침하는 것인 스팀 개질 반응용 촉매의 제조방법.


13. The method of claim 12,
The method for producing a catalyst for steam reforming reaction wherein the potassium precursor solution is impregnated so that the potassium content is 0.3 to 3 mass % based on the total mass of the porous alumina carrier and nickel.


삭제delete
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