KR102541017B1 - Nitrided nin-zeolite catalysts for the dry reforming of methane - Google Patents
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Abstract
본 발명에서 기본 물성이 강화된 N-ZSM-5와 N-베타 제올라이트는 암모니아와 함께 고온 질화를 통해 프레임워크 산소를 질소로 치환함으로써 준비했다. 기본 제올라이트 및 그 산성 대응물은 초기 함침법에 의해 Ni와 함께 함침되었으며 메탄의 건식 개질(DRM)에 대한 촉매 특성을 조사하였다. 니켈의 화학적 상태와 프레임워크 질소 및 산-염기의 특성과 같은 촉매의 물리화학적 특성은 원소 분석, 29Si MAS NMR, NH3 및 CO2 TPD, IR, XPS, H2 화학흡착으로 분석되었다. 모든 촉매의 경우, 동일한 조건에서 온도를 변경하여 반응 시간에 따른 DRM 활성을 비교했다. 전체적인 결과에 따르면, 질화 Ni/N-ZSM-5가 Ni 활성 종의 강화된 기본 특성과 분산도 향상으로 인해 특히 고온에서 Ni/H-ZSM-5에 비하여 우수한 DRM 활성을 보였다.In the present invention, N-ZSM-5 and N-beta zeolite with enhanced basic properties were prepared by replacing framework oxygen with nitrogen through high-temperature nitration with ammonia. Basic zeolites and their acidic counterparts were impregnated with Ni by incipient impregnation and their catalytic properties for dry reforming (DRM) of methane were investigated. The physicochemical properties of the catalysts, such as nickel chemical state and framework nitrogen and acid-base properties, were analyzed by elemental analysis, 29 Si MAS NMR, NH 3 and CO 2 TPD, IR, XPS, and H 2 chemisorption. In the case of all catalysts, the DRM activity was compared according to the reaction time by changing the temperature under the same conditions. According to the overall results, nitride Ni/N-ZSM-5 exhibited superior DRM activity compared to Ni/H-ZSM-5, especially at high temperatures, due to the enhanced basic properties of Ni active species and improved dispersion.
Description
본 발명은 메탄건식개질 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming.
합성 가스(syngas)는 CO와 H2로 구성되며, 각각 WGS(water-gas shift) 반응, Fischer-Tropsch(F-T) 합성 및 메탄올 합성을 통해 H2, 합성 연료, 메탄올 및 디메틸 에테르를 생산하는 원료로 사용될 수 있기 때문에 귀중한 화학적 구성 요소로 간주된다. 합성가스 생산에 사용되는 세 가지 대표적인 기술은 증기 메탄 개질(SMR), 부분 산화(POX), 메탄의 건식 개질(DRM, 식 1)이다. 그 중 DRM은 광범위하게 연구되어 왔으며, 이 반응은 가장 유해한 두 개의 온실 가스인 CH4와 CO2를 동시에 전환시키기 때문에 합성가스를 생산하는데 있어 좋은 전망으로 여겨지고 있다. F-T 합성은 DRM에 의해 생성된 합성가스에 적합하며, 낮은 H2/CO 비율(1.0 미만)으로 인해 긴 사슬 탄화수소를 생성할 수 있다.Syngas is composed of CO and H 2 , and is a raw material for producing H 2 , synthetic fuel, methanol and dimethyl ether through WGS (water-gas shift) reaction, Fischer-Tropsch (FT) synthesis, and methanol synthesis, respectively. It is considered a valuable chemical component because it can be used as a The three representative technologies used for syngas production are steam methane reforming (SMR), partial oxidation (POX), and dry reforming of methane (DRM; Equation 1). Among them, DRM has been extensively studied, and this reaction is regarded as a promising prospect for producing syngas because it simultaneously converts CH 4 and CO 2 , the two most harmful greenhouse gases. FT synthesis is suitable for syngas produced by DRM and can produce long-chain hydrocarbons due to its low H 2 /CO ratio (less than 1.0).
식 1(DRM): CH4 + CO2 → CO + H2 (ΔH°298 = 247 kJ mol-1)Equation 1 (DRM): CH 4 + CO 2 → CO + H 2 (ΔH° 298 = 247 kJ mol -1 )
식 2(RWGS): CO2 + H2 ↔ CO + H2O (ΔH°298 = 41 kJ mol-1)Equation 2 (RWGS): CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O (ΔH° 298 = 41 kJ mol -1 )
식 3(MC): CH4 ↔ C + 2H2 (ΔH°298 = 75 kJ mol-1)Equation 3 (MC): CH 4 ↔ C + 2H 2 (ΔH° 298 = 75 kJ mol -1 )
식 4(BR): 2CO ↔ C + CO2 (ΔH°298 = -172 kJ mol-1)Equation 4 (BR): 2CO ↔ C + CO 2 (ΔH° 298 = -172 kJ mol -1 )
식 5(SCG): C + H2O → CO + H2 (ΔH°298 = 131 kJ mol-1)Equation 5 (SCG): C + H 2 O → CO + H 2 (ΔH° 298 = 131 kJ mol -1 )
주요 DRM 반응(식 1) 외에도, 식 2-5에서 설명한 다양한 부반응들이 DRM 반응 조건에서 동시에 발생할 수 있다. DRM에 의해 생성된 H2가 CO2와 다시 반응하여 CO와 물을 생성하는 역수성 가스 이동(RWGS, 방정식 2) 반응이 가장 대표적인 부반응이다. 이는 H2/CO 비율을 감소시키는 반면, CO2 전환율은 증가시킨다. In addition to the main DRM reaction (Equation 1), various side reactions described in Equations 2-5 may occur simultaneously under the DRM reaction conditions. Reverse water gas shift (RWGS, Equation 2) reaction in which H 2 generated by DRM reacts with CO 2 again to produce CO and water is the most representative side reaction. This reduces the H 2 /CO ratio, while increasing the CO 2 conversion.
메탄 크래킹(MC, 식 3)과 부다드 반응(BR, 식 4)은 코크 생성과 관련이 있지만 두 반응의 특징은 다르다. MC는 흡열반응이기 때문에 상대적으로 높은 온도에서 더 우세하다. 또한 MC에서 생성된 코크는 역 BR(RBR)을 통해 CO2와 다시 반응하거나, RWGS에서 스팀 코크 가스화를 통해 생성된 H2O와 다시 반응하여 제거될 수 있다(SCG, 식 5). Methane cracking (MC, Equation 3) and the Budard reaction (BR, Equation 4) are related to coke formation, but the characteristics of the two reactions are different. Since MC is an endothermic reaction, it is more dominant at relatively high temperatures. In addition, coke produced in MC can be removed by reacting again with CO 2 through reverse BR (RBR) or by reacting again with H 2 O produced through steam coke gasification in RWGS (SCG, Equation 5).
반대로 BR은 발열반응이기 때문에 저온에서 더 활성화되며, 이 반응에 의해 생성된 코크는 제거되지 않고 촉매 표면에 축적된다. DRM은 부반응들보다 강한 흡열 반응이기 때문에 온도가 높을 때 다양한 부반응들보다 우세하게 된다. 이와 반대로 낮은 온도에서는 RWGS(자발적 < 820 ℃), MC(자발적 > 557 ℃), BR(자발적 > 700 ℃) 등의 부반응이 우세하다.Conversely, since BR is an exothermic reaction, it is more active at low temperatures, and the coke produced by this reaction is not removed and accumulates on the catalyst surface. Since DRM is an endothermic reaction that is stronger than side reactions, it dominates various side reactions when the temperature is high. Conversely, at low temperatures, side reactions such as RWGS (spontaneous < 820 °C), MC (spontaneous > 557 °C), and BR (spontaneous > 700 °C) predominate.
전이 금속 중 Ni는 DRM 촉매의 대표적 활성종으로 알려져 있다. 그 성능은 Ru, Rh, Pt 등과 같은 귀금속과 견줄 만하다. 그러나 Ni 원자가 벌크 이동성을 가지기 위해 요구되는 충분한 에너지를 획득하는 Tamman 온도가 낮기 때문에 고온(> 590 ℃)에서 쉽게 소결될 수 있다. 또한 Ni를 사용한 DRM 반응의 사용화를 위해 극복해야 할 가장 큰 장애물은 촉매 비활성화로 이어지는 코크의 형성이다. Among transition metals, Ni is known as a representative active species of DRM catalysts. Its performance is comparable to noble metals such as Ru, Rh, and Pt. However, it can be easily sintered at high temperatures (> 590 °C) because the Tamman temperature at which Ni atoms acquire sufficient energy required to have bulk mobility is low. In addition, the biggest obstacle to be overcome for commercialization of the DRM reaction using Ni is the formation of coke leading to catalyst deactivation.
촉매 지지체의 물리화학적 특성을 조정함으로써 전체적인 촉매 특성을 제어할 수 있다는 것은 알려져 있다. 다공성이면서 안정성이 높은 적절한 지지체를 사용하면 Ni 활성 종의 분산을 개선하고 촉매의 열 안정성을 개선할 수 있다. 또한 Ni와 함께 Co를 사용하면 원자 탄소의 수소화가 증가하고 금속 결정에서 탄화물 종의 형성을 억제하는 것으로 보고되었다. 또한 Cr2O3, La2O3, CeZrOx, Mg, Gd 등 다양한 증진제가 Ni 활성 금속 종의 소결 및 탄소 침적률을 감소시켜 촉매 특성을 개선하고 촉매의 성능을 높여 금속-지지체 상호작용을 강화하는 것으로 알려져 있다. 또한, 물성이 향상된 지지체를 통해, 약산성 가스인 CO2의 화학적 흡착이 증가하여 탄소 가스화가 더욱 활성화되며, 이에 따라 코크 저항성을 증가시킬 수 있다.It is known that overall catalyst properties can be controlled by adjusting the physicochemical properties of the catalyst support. The use of an appropriate porous, highly stable support can improve the dispersion of Ni active species and improve the thermal stability of the catalyst. It has also been reported that the use of Co together with Ni increases the hydrogenation of atomic carbon and inhibits the formation of carbide species in metal crystals. In addition, various promoters such as Cr 2 O 3 , La 2 O 3 , CeZrO x , Mg, and Gd reduce the sintering and carbon deposition rates of Ni active metal species to improve the catalytic properties and enhance the catalytic performance to improve the metal-support interaction. known to strengthen. In addition, through the support with improved physical properties, the chemical adsorption of CO 2 , which is a weak acid gas, is increased to further activate carbon gasification, thereby increasing coke resistance.
제올라이트는 뛰어난 열 안정성 및 다공성으로 인해 DRM 촉매에 대한 유망한 지지체이다. 제올라이트는 격자 산소 때문에 고유의 약한 염기 특성이 있지만, 높은 온도(보통 800 ℃ 이상)와 암모니아 흐름 하에서 프레임워크 산소를 질소로 대체함으로써 제올라이트에서도 강한 염기 특성을 생성시킬 수 있다. 그 결과 질화물 제올라이트(N-zeolite)는 고온 처리 후에도 결정성과 다공성을 유지하는 것으로 보고되었으며, Knoevenagel 응축과 같은 일반적인 염기 촉매에 적용되었다.Zeolites are promising supports for DRM catalysts due to their excellent thermal stability and porosity. Although zeolites have inherently weak alkali properties due to lattice oxygen, strong alkali properties can be produced even in zeolites by replacing framework oxygen with nitrogen at high temperatures (usually above 800 °C) and under ammonia flow. As a result, nitride zeolite (N-zeolite) has been reported to maintain crystallinity and porosity even after high-temperature treatment, and has been applied to general base catalysts such as Knoevenagel condensation.
N-ITQ-2의 외부 표면에 있는 염기성 질소 사이트는 에틸시아노아세테이트를 가진 부피가 큰 방향족 알데히드의 Knoevenagel 응축의 활성 사이트로 작용하며 큰 이점을 보여주었다. Basic nitrogen sites on the outer surface of N-ITQ-2 acted as active sites for Knoevenagel condensation of bulky aromatic aldehydes with ethylcyanoacetate and showed great advantages.
또한, Guan, 등의 연구진은 표면적의 강한 브뢴스테드 산성 사이트의 감소로 인해 H-ZSM-5에 비해 N-ZSM-5에서 에탄올을 사용한 에틸벤젠 에틸화의 파라 선택성이 개선되었다고 보고했다. In addition, Guan et al. reported improved para-selectivity of ethylbenzene ethylation with ethanol in N-ZSM-5 compared to H-ZSM-5 due to the reduction of strong Bronsted acid sites in the surface area.
Shen 등은 아세톤과 프로판 반응과 함께 퓨랄디하이즈(furaldehydes)의 알돌 응축에 N-NaY 촉매를 사용했으며, 여기서 분자체(molecular sieving) 효과뿐만 아니라 단량체에 대한 더 나은 선택성을 보였다. 그러나 우리가 아는 한, N-zeolite 지지체는 DRM 반응에 대해 아직 연구되지 않았다.Shen et al. used N-NaY catalyst for aldol condensation of furaldehydes with acetone and propane reaction, where they showed better selectivity towards monomers as well as molecular sieving effect. However, to the best of our knowledge, N-zeolite scaffolds have not yet been investigated for DRM response.
본 발명에서는 가장 대표적인 상용 제올라이트 촉매인 ZSM-5(MFI)와 베타(*BEA) 제올라이트를 질화하여 마련한 N-ZSM-5와 N-베타 제올라이트가 Ni이 함침된 촉매(Ni/N-ZSM-5 및 Ni/N-베타)의 지지체로 사용되었고, 질소 염기 사이트 프레임워크를 사용한 DRM 촉매 활성도의 향상을 연구하였다. 프레임워크 질소 원자의 존재와 그 기본 특성, Ni 활성종의 향상된 분산은 29Si MAS NMR, CO2 및 NH3 TPD, OH IR, XPS 및 H2 화학흡착을 이용하여 특성 분석하였다. 비교를 위해 Ni이 함침된 산성 비교물(Ni/H-ZSM-5 및 Ni/H-beta)도 조사하였다.In the present invention, N-ZSM-5 and N-beta zeolite prepared by nitriding ZSM-5 (MFI) and beta ( * BEA) zeolite, which are the most representative commercial zeolite catalysts, are Ni-impregnated catalysts (Ni/N-ZSM-5 and Ni/N-beta), and the enhancement of DRM catalytic activity using the nitrogen base site framework was studied. The presence of framework nitrogen atoms and their basic properties, enhanced dispersion of Ni active species were characterized using 29 Si MAS NMR, CO 2 and NH 3 TPD, OH IR, XPS and H 2 chemisorption. For comparison, acidic comparators impregnated with Ni (Ni/H-ZSM-5 and Ni/H-beta) were also investigated.
본 발명의 일 실시형태에 따르면 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5(MFI) 제올라이트 및 질화 Ni/N-beta (*BEA) 제올라이트 중 어느 하나 이상을 포함하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a methane dry reforming (DRM) reaction including at least one of nitrogen-substituted Ni / N-ZSM-5 (MFI) zeolite and Ni / N-beta ( * BEA) zeolite A solute NiN-zeolite catalyst is provided.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도는 700 ℃ 이상인 것을 특징으로 한다.The methane dry reforming (DRM) reaction temperature is characterized in that 700 ℃ or more.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매는 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 촉매인 것을 특징으로 한다.The nitrided NiN-zeolite catalyst for the methane dry reforming (DRM) reaction is characterized in that it is a nitrogen-substituted nitrated Ni/N-ZSM-5 zeolite catalyst.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 700 ℃ 인 경우에, 반응 온도가 650 ℃ 인 경우에 비하여 메탄 크래킹(Methan Cracking, MC)와 부다드 반응(Boudouard reaction, BR)의 부반응이 억제되어 코크 발생량이 20 wt% 미만인 것을 특징으로 한다.When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 700 ° C, side reactions of methane cracking (MC) and Boudouard reaction (BR) are suppressed compared to when the reaction temperature is 650 ° C. It is characterized in that it is less than 20 wt%.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 750 ℃ 인 경우에, 메탄 크래킹(Methan Cracking, MC)와 부다드 반응(Boudouard reaction, BR)의 부반응이 억제되어 코크 발생량이 3.0 wt% 미만인 것을 특징으로 한다.When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 750 ° C., side reactions of methane cracking (MC) and Boudouard reaction (BR) are suppressed, and the amount of coke produced is less than 3.0 wt%. .
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 750 ℃ 인 경우에, 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 촉매에 의한 반응에서 CH4와 CO2 비활성화율은 각각 2.3%와 1.6%인 것을 특징으로 한다.When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 750 ° C, the CH 4 and CO 2 deactivation rates in the reaction using the nitrogen-substituted nitrided Ni / N-ZSM-5 zeolite catalyst are 2.3% and 1.6%, respectively. to be characterized
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 750 ℃ 인 경우에, 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 촉매에 의한 반응에서 CH4와 CO2의 전환율은 20%이고, H2/CO의 비율은 0.9 이하인 것을 특징으로 한다.When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 750 ° C, the conversion rate of CH 4 and CO 2 is 20% in the reaction by the nitrogen-substituted nitrided Ni / N-ZSM-5 zeolite catalyst, H 2 /CO The ratio of is characterized in that 0.9 or less.
상기 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 및 질화 Ni/N-beta 제올라이트는 질소가 치환되지 않은 Ni/H-ZSM-5 제올라이트 및 Ni/H-beta 제올라이트에 비하여 855 eV 영역에서 Ni 2p3/2 스펙트럼 강도가 1.8 배 이상인 것을 특징으로 한다.Nitrogen-substituted Ni / N-ZSM-5 zeolite and nitrated Ni / N-beta zeolite have Ni / H-ZSM-5 zeolite and Ni / H-beta zeolite in which nitrogen is not substituted, Ni / N-ZSM-5 zeolite in the 855 eV region It is characterized in that the 2p 3/2 spectrum intensity is 1.8 times or more.
본 발명에 따르면, Zeolite 프레임워크 내에 질소를 포함하는 Ni/N-ZSM-5 및 Ni/N-beta 촉매가 DRM 반응에 최초로 준비 및 사용되었다.According to the present invention, Ni/N-ZSM-5 and Ni/N-beta catalysts containing nitrogen in a zeolite framework were prepared and used for DRM reactions for the first time.
본 발명에서는 동일한 질화 조건에서 구조적으로 불안정하고 결함 부위가 많은 베타 제올라이트는 ZSM-5보다 약 3배 많은 질소를 함유했다. 프레임워크 질소는 Ni 활성 사이트의 향상된 분산뿐만 아니라 고온 영역에서 흡착이 가능한 새로운 CO2 흡착 사이트를 제공했다. 저온 DRM 반응에서 이러한 질소 사이트는 주로 BR에 의해 코크 형성을 가속화함으로써 DRM에 부정적인 영향을 미쳤다. 반면, 제올라이트의 프레임워크 내 질소는 고온에서 DRM을 촉진했고, 부반응은 억제되었다. 고온 DRM 반응에서 Ni/N-beta는 N-beta 지지체의 열에 의한 구조 불안정성으로 인해 촉매 안정성이 떨어졌지만 Ni/N-ZSM-5는 촉매 안정성이 높았다. 750 ℃에서 12시간 동안 반응한 후 Ni/N-ZSM-5는 질소 치환 효과로 인해 Ni/H-ZSM-5에 비해 CH4와 CO2 모두 약 20% 높은 전환율을 보였다.In the present invention, beta zeolite, which is structurally unstable and has many defects, contained about three times more nitrogen than ZSM-5 under the same nitriding conditions. The framework nitrogen provided new CO 2 adsorption sites capable of adsorption in the high-temperature region as well as improved dispersion of Ni active sites. In the low-temperature DRM reaction, these nitrogen sites had a negative effect on DRM mainly by accelerating coke formation by BR. On the other hand, nitrogen in the framework of the zeolite promoted DRM at high temperatures and side reactions were suppressed. In the high-temperature DRM reaction, Ni/N-beta exhibited poor catalytic stability due to thermal instability of the N-beta support, whereas Ni/N-ZSM-5 exhibited high catalytic stability. After reacting at 750 °C for 12 hours, Ni/N-ZSM-5 showed about 20% higher conversion of both CH 4 and CO 2 than Ni/H-ZSM-5 due to the nitrogen substitution effect.
도 1은 (a) 사용전 Ni/H-ZSM-5, Ni/N-ZSM-5, Ni/H-beta 및 Ni/N-beta의 분말 XRD 패턴과 12시간 동안 (b) 650, (c) 700 및 (d) 750 ℃에서 얻은 사용된 촉매의 분말 XRD 패턴을 나타낸다 (650 ℃에서 DRM 이후 사용된 Ni/N-ZSM-5의 패턴은 77분 반응 후 샘플에 대한 것임).
도 2는 본 발명에서 사용된 H-ZSM-5, N-ZSM-5, H-베타 및 N-베타 제올라이트의 29MAS NMR 스펙트럼: 실험 데이터(상단), 시뮬레이션(중간), 분해된 성분(하단).
도 3은 본 발명에서 사용된 H-ZSM-5, N-ZSM-5, H-베타 및 N-베타 제올라이트의 CO2-TPD(왼쪽) 및 NH3-TPD(오른쪽) 프로파일이다.
도 4는 환원되지 않은 미사용 Ni/H-ZSM-5, Ni/N-ZSM-5, Ni/H-beta 및 Ni/N-beta의 3000~4000 cm-1 영역의 IR 스펙트럼 (비교를 위해 N-ZSM-5 및 N-베타 제올라이트에 대한 스펙트럼도 표시됨).
도 5는 Ni/H-ZSM-5, Ni/N-ZSM-5, Ni/H-beta 및 Ni/N-beta의 N 1s 및 Ni 2p XPS 스펙트럼이다.
도 6은 Ni/H-ZSM-5(■), Ni/N-ZSM-5(●), Ni/H-베타(▲) 및 Ni/N-베타(▼)에 대한 DRM의 시간 함수로서 650(왼쪽), 700(중간) 및 750℃(오른쪽)에서의 CH4 전환율(위), CO2 전환율(중간), H2/CO 비율(아래)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 700 ℃에서 Ni/N-ZSM-5(x-y)와 Ni/N-beta(x-y)를 통한 DRM에서의 시간 함수로서 CH4 전환율(왼쪽), CO2 전환율(가운데), H2/CO 비율(오른쪽)을 나타내는 그래프이다 (x와 y는 각각 질화에서 NH3(mL min-1)의 유량과 온도(℃)를 나타냄).1 shows (a) powder XRD patterns of Ni/H-ZSM-5, Ni/N-ZSM-5, Ni/H-beta and Ni/N-beta before use and (b) 650, (c) for 12 hours ) shows powder XRD patterns of the used catalysts obtained at 700 and (d) 750 °C (patterns of Ni/N-ZSM-5 used after DRM at 650 °C are for samples after 77 min reaction).
Figure 2 is a 29 MAS NMR spectrum of H-ZSM-5, N-ZSM-5, H-beta and N-beta zeolites used in the present invention: experimental data (top), simulation (middle), decomposed components (bottom) ).
3 shows CO 2 -TPD (left) and NH 3 -TPD (right) profiles of H-ZSM-5, N-ZSM-5, H-beta and N-beta zeolites used in the present invention.
4 is an IR spectrum in the region of 3000 to 4000 cm -1 of unreduced unused Ni/H-ZSM-5, Ni/N-ZSM-5, Ni/H-beta and Ni/N-beta (for comparison, N - Spectra for ZSM-5 and N-beta zeolites are also shown).
5 is
6 is a function of time of DRM for Ni/H-ZSM-5 (■), Ni/N-ZSM-5 (●), Ni/H-beta (▲) and Ni/N-beta (▼) at 650 (left), graphs showing CH 4 conversion (top), CO 2 conversion (middle), and H 2 /CO ratio (bottom) at 700 (middle) and 750 °C (right).
7 shows CH 4 conversion (left), CO 2 conversion (middle), H 2 / A graph showing the CO ratio (right) (x and y represent the flow rate and temperature (°C) of NH 3 (mL min -1 ) in nitration, respectively).
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples. However, these examples are only for helping the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any sense.
실험Experiment
1.1 촉매 준비1.1 Catalyst preparation
H-제올라이트는 550℃, 2시간 동안 상용 NH4-ZSM-5(Zeolyst CBV2314, SiO2/Al2O3 = 23)와 NH4-베타(Zolyst CP 814E, SiO2/Al2O3 = 25)를 소성하여 얻었다. N-zeolite는 이전 연구에서 보고한 절차에 따라 NH4-제올라이트의 질화에 의해 준비되었다. 관로 내에 약 1.0g의 NH4-제올라이트 분말을 넣어 상온(RT)에서 500℃까지 가열한 후 2시간 동안 N2(100 mL min-1)에서 동일한 상태로 유지하였으며, 이때 흐르는 가스를 순수한 NH3 스트림(100 mL min-1)으로 바꾼 후 2℃ min-1의 속도로 900 ℃까지 증가시켰다. 질소 함량이 다른 N-제올라이트를 준비하기 위해 NH3의 유속 그리고/또는 질화온도를 각각 200 mL min-1 및 500 ℃로 조정하였다. 소성로는 목표 온도(500 ℃ 또는 900 ℃)에서 20시간 동안 유지된 후 흐르는 N2(100 ml min-1) 분위기에서 냉각되었다. 금속 함량 5 wt%의 Ni 담지 촉매는 Ni(NO3)2·6H2O(98% Samchun) 수용액과 Zeolite를 지지체로 사용하여 초기 함침법을 통해 마련하였다. Ni 함유 과다로 인한 제올라이트 기공 폐쇄(zeolite pore blocking)를 최소화하기 위해 동일한 Ni 5 wt%의 함량으로 모든 촉매를 제조하였다. Ni/제올라이트는 하룻밤 사이에 100 ℃에서 건조시킨 후 공기 노출 상태에서 500 ℃에서 3 시간 동안 소성하였다. 비교를 위해, 5 wt% 함량의 Ni 함침 Ni/γ-Al2O3도 동일한 방법으로 제조되었다.H-zeolite was prepared by mixing commercial NH 4 -ZSM-5 (Zeolyst CBV2314, SiO 2 /Al 2 O 3 = 23) and NH 4 -beta (Zolyst CP 814E, SiO 2 /Al 2 O 3 = 25 at 550 °C for 2 h). ) was obtained by firing. N-zeolite was prepared by nitration of NH 4 -zeolite according to a procedure reported in a previous study. About 1.0 g of NH 4 -zeolite powder was put into the pipe and heated from room temperature (RT) to 500 ° C, and then maintained in the same state in N 2 (100 mL min -1 ) for 2 hours. At this time, the flowing gas was pure NH 3 stream (100 mL min -1 ) and then increased to 900 °C at a rate of 2 °C min -1 . In order to prepare N-zeolites having different nitrogen contents, the flow rate of NH 3 and/or the nitriding temperature were adjusted to 200 mL min -1 and 500 °C, respectively. The furnace was maintained at the target temperature (500 °C or 900 °C) for 20 hours and then cooled in a flowing N 2 (100 ml min -1 ) atmosphere. A Ni-supported catalyst with a metal content of 5 wt% was prepared through an initial impregnation method using an aqueous solution of Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O (98% Samchun) and zeolite as a support. In order to minimize zeolite pore blocking due to excessive Ni content, all catalysts were prepared with the same Ni content of 5 wt %. The Ni/zeolite was dried overnight at 100 °C and then calcined at 500 °C for 3 h under air exposure. For comparison, a 5 wt% Ni-impregnated Ni/γ-Al 2 O 3 was also prepared in the same way.
1.2 특성 분석1.2 Characterization
분말 X선 회절(XRD) 패턴은 3 ~ 50°(스캔 속도= 4° min-1)의 2θ 범위에서 Cu-Kα 방사선을 갖는 Rigaku SmartLab X선 회절계에서 측정되었다. Al, Si, Ni의 원소 분석은 PerkinElmer OPTIMA 7300DV 유도결합 플라스마(ICP) 분광계에서 수행되었다. 촉매의 질소 함량은 Vario Micro CHNS 원소 분석기를 사용하여 측정되었다. 결정 형태와 평균 크기는 15 kV의 가속 전압으로 작동하는 Jeol JSM-7800F 스캐닝 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 측정되었다. 투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy, TEM) 영상은 200 kV에서 작동하는 FEITALOS F200X로 획득되었다. N2 흡수 실험은 Micromeritics Tristar II 분석기에서 수행되었다. 동적 펄스 방법(Micromeritics Autochem II 2920)을 사용하여 H2 화학 흡착 측정을 수행했다. 3시간 동안 H2/Ar 10%의 흐름으로 700 ℃에서 환원시킨 후 Ar 분위기에서 촉매(0.1 g)를 40 ℃로 냉각시켰고, 이 온도에서 H2 화학흡착이 수행되었다. 29Si MAS NMR 스펙트럼은 500 MHz Avance III HD Bruker 고상 NMR 스펙트럼을 5kHz의 회전 속도, 99.36 MHz의 29Si 주파수, 4μs의 π/2 rad 펄스 길이, 60초의 리싸이클 지연, 300회의 펄스 지연 조건에서 측정되었다. 29Si 화학적 이동은 TMS를 기준으로 보고되었다. OH 스트레칭 영역의 IR 스펙트럼은 1.3 cm 직경의 약 12 mg의 자가 담지 제올라이트 웨이퍼를 사용하여 Nicolet 6700 FT-IR 분광계에서 측정되었다. IR 측정 전에는 ZnSe 윈도우가 구비된 IR 셀 내에서 550 ℃에서 2시간 동안 진공 상태에서 샘플을 사전 처리했다. X선 광전자 분광법(XPS)은 Al-Kα 방사선(hυ = 1,486.6 eV)으로 PHI 5000 Versa Probe II에서 수행되었다. XPS 샘플은 건조 상태에서 1.3 cm 직경의 약 20 mg의 자가 담지 제올라이트 웨이퍼로 준비되었다. 열중량분석(TGA)은 히타치 STA7000 열분석기에서 공기 중에서 수행되었으며, 동일한 분석기를 사용한 시차 열분석(DTA)에 의해 코크 연소와 관련된 중량 손실이 추가로 확인되었다. 모든 스펙트럼 분해 및 시뮬레이션은 오리진 9.0 커브-피팅 프로그램을 사용하여 수행되었다.Powder X-ray diffraction (XRD) patterns were measured on a Rigaku SmartLab X-ray diffractometer with Cu-Kα radiation in the 2θ range from 3 to 50° (scan rate = 4° min −1 ). Elemental analysis of Al, Si, and Ni was performed on a PerkinElmer OPTIMA 7300DV inductively coupled plasma (ICP) spectrometer. The nitrogen content of the catalyst was measured using a Vario Micro CHNS elemental analyzer. Crystal morphology and average size were measured using a Jeol JSM-7800F scanning electron microscope (SEM) operating at an accelerating voltage of 15 kV. Transmission electron microscopy (TEM) images were acquired with a FEITALOS F200X operating at 200 kV. N 2 uptake experiments were performed on a Micromeritics Tristar II analyzer. H 2 chemisorption measurements were performed using the dynamic pulse method (Micromeritics Autochem II 2920). After reduction at 700 °C with a flow of 10% H 2 /Ar for 3 hours, the catalyst (0.1 g) was cooled to 40 °C in an Ar atmosphere, and H 2 chemisorption was performed at this temperature. The 29 Si MAS NMR spectrum was measured using a 500 MHz Avance III HD Bruker solid-state NMR spectrum at a rotation speed of 5 kHz, a 29 Si frequency of 99.36 MHz, a π/2 rad pulse length of 4 μs, a recycle delay of 60 seconds, and a pulse delay of 300 pulses. . 29 Si chemical shifts have been reported relative to TMS. IR spectra of the OH stretching region were measured on a Nicolet 6700 FT-IR spectrometer using about 12 mg self-supporting zeolite wafers with a diameter of 1.3 cm. Before the IR measurement, the samples were pretreated in vacuum at 550 °C for 2 h in an IR cell equipped with a ZnSe window. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed on a PHI 5000 Versa Probe II with Al-Kα radiation (hυ = 1,486.6 eV). XPS samples were prepared as about 20 mg self-supporting zeolite wafers of 1.3 cm diameter in the dry state. Thermogravimetric analysis (TGA) was performed in air on a Hitachi STA7000 thermal analyzer, and weight loss associated with coke combustion was further confirmed by differential thermal analysis (DTA) using the same analyzer. All spectral decompositions and simulations were performed using the Origin 9.0 curve-fitting program.
H-zeolite와 N-zeolite의 염기 및 산성 특성은 각각 CO2와 NH3의 온도 프로그램 탈착(TPD)에 의해 결정되었다. CO2 TPD 측정은 열전도도 검출기(TCD)가 장착된 가정용 TPD 장치에서 수행되었다. CO2를 흡착하기 전에, 2시간 동안 550 ℃에서 흐르는 Ar (30 ml min-1)에서 0.1 g의 시료가 활성화되었다. 그런 다음 순수 CO2를 0.5시간 동안 상온(RT)에서 샘플로 펄스 처리한 후 같은 온도에서 He(30ml min-1)에서 1시간 동안 불어넣어 물리적으로 흡착된 CO2를 제거하였다. CO2 TPD는 상온(RT)에서 700 ℃까지의 흐르는 He(30ml min-1)에서 10 ℃ min-1의 속도를 통해 얻어졌다. NH3 TPD도 동일한 분석기를 사용하여 측정되었다. 약 0.1 g의 샘플이 2시간 동안 550 ℃에서 흐르는 Ar (30 ml min-1)에서 활성화되었다. 그 후, 0.5시간 동안 150 ℃에서 10% NH3(10ml min-1)를 샘플 위로 통과시켰다. 처리된 샘플은 그 후 동일한 온도에서 1시간 동안 He로 제거되어 물리적으로 흡착된 NH3를 제거했다. NH3 TPD는 150 ~ 700 ℃에서 10 ℃ min-1의 승온 속도로 흐르는 He(30 ml min-1)에서 수행되었다.The basic and acidic properties of H-zeolite and N-zeolite were determined by temperature programmed desorption (TPD) of CO 2 and NH 3 , respectively. CO 2 TPD measurements were performed in a home TPD device equipped with a thermal conductivity detector (TCD). 0.1 g of the sample was activated in flowing Ar (30 ml min -1 ) at 550 °C for 2 h before CO 2 adsorption. Then, pure CO 2 was pulsed to the sample at room temperature (RT) for 0.5 hour, and then physically adsorbed CO 2 was removed by blowing in He (30ml min -1 ) for 1 hour at the same temperature. CO 2 TPD was obtained through flowing He (30ml min -1 ) at a rate of 10 °C min -1 from room temperature (RT) to 700 °C. NH 3 TPD was also measured using the same analyzer. About 0.1 g of the sample was activated in flowing Ar (30 ml min -1 ) at 550 °C for 2 hours. Then, 10% NH 3 (10ml min −1 ) was passed over the sample at 150° C. for 0.5 hour. The treated sample was then stripped with He at the same temperature for 1 hour to remove physically adsorbed NH 3 . NH 3 TPD was performed in flowing He (30 ml min -1 ) at a heating rate of 10 °C min -1 at 150 to 700 °C.
1.3 촉매 반응1.3 Catalytic reactions
DRM은 고정층 마이크로 반응기를 구비한 연속 유량 기구에서 대기압 하에서 수행되었다. 실험에 앞서 3시간 동안 700℃에서 흐르는 순수 H2(50 mL min-1)로 촉매가 환원되었고, 0.5시간 동안 동일한 온도에서 N2(60 mL min-1)로 제거하였으며, 표준 반응 조건 설정을 위해 반응 온도(650, 700 또는 750 ℃)로 유지하여 반응물/캐리어 가스 분배를 위한 허용된 시간을 고정하였다. CH4, CO2, N2로 구성된 공급가스의 유량은 각각 0.1 g의 촉매(GHSV = 30,000 mL g-cat-1h-1)를 포함하는 소성로에 각각 20, 20, 10 mL min-1의 속도로 공급되었으며, 이는 본 발명에서 준비된 촉매 사이의 촉매 활성도를 비교하기 위해 고정되었다. 반응 생성물은 Carbosphere 60-80 메쉬 패킹 컬럼(1830 Х 3.2 Х 2.0 mm)이 장착된 Scion 456 가스 크로마토그래프와 TCD에서 온라인으로 분석되었으며, 첫 번째 분석이 10분 후 수행되었다. 몰 밸런스 전환율과 H2/CO 비율은 다음과 같이 계산되었다.DRM was performed under atmospheric pressure in a continuous flow instrument equipped with a fixed bed microreactor. Prior to the experiment, the catalyst was reduced with pure H 2 (50 mL min -1 ) flowing at 700 °C for 3 hours, removed with N 2 (60 mL min -1 ) at the same temperature for 0.5 hour, standard reaction conditions set up. The reaction temperature (650, 700 or 750 °C) was maintained to fix the allowable time for reactant/carrier gas partitioning. The flow rate of the feed gas composed of CH 4 , CO 2 , and N 2 was 20, 20 , and 10 mL min rate, which was fixed to compare the catalytic activity between the catalysts prepared in this invention. The reaction products were analyzed online on a TCD and a Scion 456 gas chromatograph equipped with a Carbosphere 60-80 mesh packed column (1830 Х 3.2 Х 2.0 mm), with the first analysis performed after 10 minutes. Molar balance conversion and H 2 /CO ratio were calculated as follows.
CH4 conversion (%) = {(CH4)in - (CH4)out}/(CH4)in Х 100CH 4 conversion (%) = {(CH 4 ) in - (CH 4 ) out }/(CH 4 ) in
CO2 conversion (%) = {(CO2)in - (CO2)out}/(CO2)in Х 100CO 2 conversion (%) = {(CO 2 ) in - (CO 2 ) out }/(CO 2 ) in
H2/CO ratio = [(H2)out/2(CH4)in]/[(CO)out/{(CH4)in + (CO2)in}]H 2 /CO ratio = [(H 2 ) out /2(CH 4 ) in ]/[(CO) out /{(CH 4 ) in + (CO 2 ) in }]
2. 결과 및 토의2. Results and discussion
2.1 제올라이트 지지체 및 촉매의 물리화학적 물성2.1 Physical and chemical properties of zeolite support and catalyst
도 1은 사용되지 않은 Ni/제올라이트 (도 1a)의 분말 XRD 패턴과 650-750 ℃(도 1b-1d)에서 DRM 이후 사용된 촉매의 분말 XRD 패턴이다. 사용 전 Ni/H-ZSM-5와 Ni/N-ZSM-5는 질화 그리고/또는 Ni 함침 후에도 MFI 구조를 유지했다. 그러나, 사용 전 Ni/H-beta는 H-beta 지지체의 XRD 패턴에 비해 Ni 함침 후 결정성을 약간 상실하였다. Ni/N-beta의 결정성은 Ni/H-beta의 결정성에 비해 크게 감소하였고, 무정형 상이 형성되었다. 이는 *BEA 구조가 MFI 구조보다 열 안정성이 낮기 때문에 900 ℃의 고온에서 질화 도중 부분적으로 붕괴되었음을 나타낸다. *BEA 구조의 낮은 프레임워크 밀도는 고온 질화에서 더 불리했다. 반면, 2θ = 37.3°(111) 및 43.2°(200)에서 NiO 상의 X선 피크는 4개의 사용 전 촉매에서 관측되지 않았으며, 이는 NiO가 작은 입자로 높은 분산 상태임을 나타낸다. 또한 도 1b-1d와 같이 DRM 이후 사용된 촉매 중 NiO 상이나 금속 Ni(111) 상이 2 θ= 44.5°에서 전혀 관찰되지 않았으며, 이는 Ni 입자가 고도로 분산되었음을 의미한다. DRM 전후 촉매의 TEM 이미지를 비교했을 때 750 ℃에서 반응한 후 샘플의 Ni 입자 크기가 사용 전 촉매보다 커졌지만 분산은 여전히 높음을 알 수 있다.Figure 1 is the powder XRD pattern of Ni/Zeolite (Fig. 1a) which was not used and the catalyst used after DRM at 650-750 °C (Fig. 1b-1d). Ni/H-ZSM-5 before use and Ni/N-ZSM-5 maintained their MFI structures after nitriding and/or Ni impregnation. However, the Ni/H-beta before use slightly lost crystallinity after Ni impregnation compared to the XRD pattern of the H-beta support. The crystallinity of Ni/N-beta was greatly reduced compared to that of Ni/H-beta, and an amorphous phase was formed. This indicates that the * BEA structure partially collapsed during nitridation at a high temperature of 900 °C because of its lower thermal stability than the MFI structure. * The low framework density of the BEA structure was more detrimental in high-temperature nitridation. On the other hand, X-ray peaks on NiO at 2θ = 37.3° (111) and 43.2° (200) were not observed in the four catalysts before use, indicating that NiO is in a highly dispersed state with small particles. In addition, as shown in FIGS. 1b-1d, among the catalysts used after DRM, neither the NiO phase nor the metallic Ni(111) phase was observed at 2θ = 44.5°, which means that the Ni particles were highly dispersed. Comparing the TEM images of the catalyst before and after DRM, it can be seen that the Ni particle size of the sample after reaction at 750 °C was larger than that of the catalyst before use, but the dispersion was still high.
a 900 ℃의 질화 반응에서 NH3 100 cc/min으로 준비. b ICP 분석으로 결정됨. a Prepared with 100 cc/min of NH 3 in a nitration reaction at 900 °C. b Determined by ICP analysis.
c CHNS 분석으로 결정됨. d SEM 분석으로 결정됨. e N2 흡착 데이터로부터 계산. f 괄호 안에 제시된 값은 초기 함침 전 샘플에 대한 BET 영역임. g 750 ℃, 12시간 동안 DRM 이후 얻어진 사용된 촉매. h 10% H2/Ar의 100 cc/min 흐름에서 700 ℃에서 환원된 촉매를 사용하여 결정. c Determined by CHNS analysis. d Determined by SEM analysis. e Calculated from N 2 adsorption data. f Values given in parentheses are BET areas for samples before initial impregnation. g 750 °C, catalyst used obtained after DRM for 12 hours. h Determined using catalyst reduced at 700 °C in a flow of 100 cc/min of 10% H 2 /Ar.
표 1은 본 발명에서 준비된 촉매의 물리화학적 특성을 보여준다. Ni 함침 촉매의 Si/Al 비율을 비교할 수 있다(16.8-18.4). 같은 양의 Ni (5 wt.%)가 함침되었고, 모든 촉매의 Ni/Al 비율(0.80-0.96)도 거의 유사했다. 반면 Ni/N-ZSM-5와 Ni/N-beta의 N 함량은 각각 0.7과 2.2 wt.%로 결정되었다. 동일한 조건에서 질소 치환 프레임워크는 ZSM-5보다 베타 제올라이트 구조에서 더 용이했던 것으로 보인다. 실제로, 질소 치환 정도는 제올라이트에서의 실란올(Si-OH) 결함 부위의 농도에 따라 달라진다고 알려져 있다. 베타 제올라이트의 OH IR 스펙트럼에서 외부 Si-OH 그룹에 대한 강한 OH 스트레칭 진동 피크가 관찰되었다. *BEA 구조는 매우 무질서한 것으로 잘 알려져 있으며, 비정상적으로 많은 수의 결함 실란올을 생성하는 세 개의 다형(polymorphs), A, B, C의 무작위적인 상호 성장으로 구성되어 있다. 따라서, 프레임워크 질소 치환이 ZSM-5보다 베타 제올라이트 구조에서 더 쉬워 보이고, 위에서 논의한 바와 같이, ZSM-5보다 열 안정성이 떨어지는 베타 제올라이트는 프레임워크 T-O-T 결합(T = Si 그리고/또는 Al)을 깨뜨릴 가능성이 높아 질소 치환도 더 쉬워질 수 있다. 질화에 의한 제올라이트 프레임워크의 질소 치환은 비교적 낮은 자장영역에서 관측 가능한 것으로 알려진 29Si MAS NMR 화학적 이동을 통해 확인할 수 있다. 도 2와 같이 N-ZSM-5에 대해 약하지만 분명한 대역이 H-ZSM-5에 비해 약 -90ppm 주위에서 추가로 관측되었다. N-베타는 Si-N-T 29Si 대역이 약 -91ppm 주위에서 보다 뚜렷하며, 이는 N-베타의 질소 함량이 더 높기 때문일 수 있다.Table 1 shows the physicochemical properties of the catalyst prepared in the present invention. The Si/Al ratios of Ni-impregnated catalysts can be compared (16.8-18.4). The same amount of Ni (5 wt.%) was impregnated, and the Ni/Al ratios (0.80–0.96) of all catalysts were almost similar. On the other hand, the N contents of Ni/N-ZSM-5 and Ni/N-beta were determined to be 0.7 and 2.2 wt.%, respectively. Under the same conditions, the nitrogen displacement framework appears to be easier in the beta zeolite structure than in ZSM-5. In fact, it is known that the degree of nitrogen substitution depends on the concentration of silanol (Si-OH) defect sites in the zeolite. In the OH IR spectrum of beta zeolite, a strong OH stretching vibrational peak for the external Si-OH group was observed. * The structure of BEA is well known to be highly disordered and consists of the random intergrowth of three polymorphs, A, B and C, which produce an unusually large number of defective silanols. Thus, framework nitrogen substitution appears to be easier in the beta zeolite structure than ZSM-5, and as discussed above, beta zeolites that are less thermally stable than ZSM-5 may break framework TOT bonds (T = Si and/or Al). Nitrogen replacement can also be made easier, as is the case. Nitrogen replacement of the zeolite framework by nitration can be confirmed through 29 Si MAS NMR chemical shifts known to be observable in a relatively low magnetic field region. As shown in FIG. 2, a weak but clear band for N-ZSM-5 was additionally observed around -90 ppm compared to H-ZSM-5. N-beta is more pronounced in the Si-NT 29 Si band around -91 ppm, which may be due to the higher nitrogen content of N-beta.
표 1은 750 ℃에서 DRM 이후 담지체, 반응 전 및 반응 후 촉매의 입자 크기와 BET 표면적도 나타낸다. 결정 크기(0.1 vs 1.0 μm)가 작은 H-베타는 H-ZSM-5(610 vs 400 m2 g-1)보다 BET 표면적이 더 컸다. 질화 후, N-ZSM-5와 N-베타의 표면적은 상위 제올라이트 대비 각각 15%, 36% 감소했다. N-베타의 현저한 표면적 감소는 900 ℃에서 고온 질화 시 제올라이트 구조의 부분 붕괴에 기인하며, 이는 분말 XRD 결과와도 잘 일치한다. 또한 Ni 함침 후, Ni/zeolite는 모두 BET 면적이 감소하여 지지체 대비 10~15% 낮았다. 이는 NiO에 의한 부분적인 기공 차단 그리고/또는 함침 과정 중 추가적인 열처리에 의한 추가적인 구조 붕괴에 기인할 수 있다. 그러나, 모든 반응전 Ni 함침 촉매는 여전히 300 m2 g-1 이상의 높은 표면적을 유지했다.Table 1 also shows the particle size and BET surface area of the catalyst after DRM at 750 °C, before and after the reaction. H-beta with smaller crystal size (0.1 vs 1.0 μm) had a larger BET surface area than H-ZSM-5 (610 vs 400 m 2 g -1 ). After nitration, the surface area of N-ZSM-5 and N-beta decreased by 15% and 36%, respectively, compared to the top zeolite. The significant decrease in surface area of N-beta is due to the partial collapse of the zeolite structure upon high-temperature nitration at 900 °C, which is in good agreement with the powder XRD results. In addition, after Ni impregnation, the BET area of Ni/zeolite decreased by 10~15% compared to the scaffold. This may be due to partial pore blocking by NiO and/or additional structural collapse due to additional heat treatment during the impregnation process. However, all pre-reaction Ni-impregnated catalysts still maintained a high surface area of 300 m 2 g -1 or more.
CO2와 NH3는 산성 및 염기성을 가지고 있기 때문에 고상 물질의 염기와 산성 사이트를 각각 분석하는 탐침 분자로 사용될 수 있다. 도 3은 본 발명에 사용된 4개의 H-ZSM-5, N-ZSM-5, H-베타 및 N-베타 지지체에 대한 CO2 및 NH3 TPD 프로파일을 보여준다. 모든 제올라이트 지지체는 350 ℃ 미만의 비교적 낮은 온도 영역에서 강한 CO2 탈착 피크를 보인다. 제올라이트 프레임워크의 격자 산소는 약한 루이스 염기로 작용하여 CO2의 저온 탈착을 초래한다고 보고되었다. 여기서 H-ZSM-5와 H-베타를 비교했을 때, N-ZSM-5는 350 ℃ 이상의 약하지만 분명한 추가 탈착 피크를 보인 반면, N-베타는 더 넓은 범위에서 훨씬 강한 추가 고온 피크를 보였다는 점에 주목해야 한다. 이러한 결과는 새로운 추가 염기 사이트의 형성을 유도하는 질소 치환 프레임워크 때문일 수 있다. 그 결과, N-제올라이트 지지체는 H-제올라이트 지지체보다 고온 영역에서 더 큰 CO2 흡착 능력을 가진다. 반면, H-ZSM-5와 H-베타는 각각 일반적인 약산 사이트와 강산 사이트에 해당하는 200 - 300 및 300 - 500 ℃의 두 가지 주요 NH3 탈착 피크를 보였다. 그러나 산성 비교물과는 달리, N-ZSM-5와 N-베타는 산성 사이트가 코크 형성을 쉽게 유도하기 때문에 촉매 활성의 장점인 낮은 강도의 약한 산성 사이트만 가지고 있었다.Since CO 2 and NH 3 have acidic and basic properties, they can be used as probe molecules to analyze the base and acidic sites of solid materials, respectively. 3 shows the CO 2 and NH 3 TPD profiles for the four H-ZSM-5, N-ZSM-5, H-beta and N-beta scaffolds used in the present invention. All zeolite supports show strong CO 2 desorption peaks in the relatively low temperature region below 350 °C. It has been reported that lattice oxygen in zeolite frameworks acts as a weak Lewis base, resulting in low-temperature desorption of CO 2 . Here, when comparing H-ZSM-5 and H-beta, N-ZSM-5 showed a weak but distinct additional desorption peak above 350 °C, whereas N-beta showed a much stronger additional high-temperature peak over a wider range. point should be noted. This result may be due to the nitrogen substitution framework leading to the formation of new additional base sites. As a result, the N-zeolite support has a greater CO 2 adsorption capacity in a high temperature region than the H-zeolite support. On the other hand, H-ZSM-5 and H-beta showed two major NH 3 desorption peaks at 200 - 300 and 300 - 500 °C, corresponding to typical weak and strong acid sites, respectively. However, unlike the acidic comparator, N-ZSM-5 and N-beta only possessed weakly acidic sites of low intensity, which is an advantage in catalytic activity because acidic sites readily induce coke formation.
도 4는 2개의 N-Zeolite 지지체와 4개의 반응 전 Ni/zeolite에 대한 OH 스트레칭 영역의 IR 스펙트럼을 보여준다. Ni/H-ZSM-5와 비교했을 때, N-ZSM-5와 Ni/N-ZSM-5는 프레임워크 질소종으로 인해 이미도(imido, -NH-)와 아미도(amido, -NH2) 그룹으로부터의 NH 스트레칭 진동에 대응하여 3290 - 3390 cm-1에서 약하지만 뚜렷하게 구별되는 3개의 특징적인 피크를 보였다. 따라서 N-ZSM-5 지지체의 29Si MAS NMR 스펙트럼에서 확인되었듯이, 질소 원자는 Ni 함침 후에도 여전히 ZSM-5 프레임워크에 존재한다. 다만, N-베타에서는 이미도(-NH-) 진동 밴드가 명확히 확인됐지만 Ni/N-beta에서는 NH 스트레칭 진동 피크가 발견되지 않았다는 점이 흥미롭다. Ni/N-beta에서 NH IR 대역의 소멸은 Ni 함침 후 Ni-N 결합에 의한 N-H 기능기의 차폐에서 비롯되는 것으로 볼 수 있다.Figure 4 shows the IR spectra of the OH stretching region for two N-zeolite supports and four pre-reacted Ni/zeolite. Compared to Ni/H-ZSM-5, N-ZSM-5 and Ni/N-ZSM-5 have both imido (-NH-) and amido (-NH 2 ) owing to the framework nitrogen species. ) showed three distinct but weakly distinct peaks at 3290 - 3390 cm -1 in response to NH stretching vibrations from the group. Therefore, as confirmed in the 29 Si MAS NMR spectrum of the N-ZSM-5 scaffold, nitrogen atoms are still present in the ZSM-5 framework after Ni impregnation. However, it is interesting that an imido (-NH-) vibration band was clearly identified in N-beta, but an NH stretching vibration peak was not found in Ni/N-beta. The disappearance of the NH IR band in Ni/N-beta can be attributed to the shielding of NH functional groups by the Ni–N bond after Ni impregnation.
도 5와 표 2는 본 발명에서 준비된 4개의 반응 전 Ni/zeolite에 대한 N 1s 및 Ni 2p XPS 결과를 보여준다. Ni/N-ZSM-5와 Ni/N-beta의 N 1s 스펙트럼은 각각 imido(-NH-) 관능기와 amido(-NH2) 관능기로 할당될 수 있는 397.7 - 398.5 및 399.8 - 400.1 eV에서 두 피크로 피팅되었다. 또한, 최초의 강력한 밴드(397.7 - 398.5 eV)도 Ni-N 관능기에 할당될 수 있다. Ni/N-ZSM-5와 Ni/N-beta의 총 XPS 피크 면적을 비교했을 때 상대 강도는 0.41 정도로 원소 질소 분석 결과(~0.32, 표 1)와 잘 일치한다. Ni 2p XPS 결과에서는 4개 타입의 스펙트럼이 존재하는데 각각 854 - 858과 872 - 876 eV에서의 Ni 2p3/2와 Ni 2p1/2의 스펙트럼과, 이들의 쉐이크업(shake-up) 위성 피크이다. 여기서 Ni 2p1/2는 모든 촉매에서 거의 동일한 추세를 나타내기 때문에 Ni 2p3/2를 기초로 논의한다. Ni 2p3/2 XPS 스펙트럼은 결합 에너지에 따라 4가지 유형으로 분류할 수 있다. 즉, 852-853 eV 금속 Ni0, 853-854 Ni+, 854-856 Ni2+(환원가능 자유 NiO)와 NiN, 856-858 Niδ+ (제올라이트 격자 산소와 상호반응하는 NiOx)이다. 도 5와 표 2와 같이 모든 Ni/zeolite에 대해 모두 환원되지 않은 반응 전(fresh) 샘플이었기 때문에 금속 Ni0 및 Ni+ 종은 검출되지 않았다.5 and Table 2 show the
Ni/H-ZSM-5와 Ni/H-beta의 Ni 2p3/2 스펙트럼을 비교한 결과, 두 촉매 모두에서 zeolite 프레임워크와 상호작용하는 2종류의 Ni 종, 즉, 환원가능 프리 NiO와 NiOx가 관찰되었으며, 총 피크 면적도 유사했다(1750 대 1790). 그러나 Ni/H-ZSM-5와 Ni/H-beta의 Ni 종의 상대 강도는 각각 29:71과 58:42였다. 즉, Ni/H-ZSM-5에서 NiOx의 상대 비율은 더 높았고, Ni/H-beta에서는 환원 가능한 NiO가 상대적으로 더 높았다. 그 결과 Ni/H-beta에 대한 H2 화학흡착의 양이 Ni/H-ZSM-5(0.07 vs 0.14 cm3 g-1, 표 1)보다 많음을 확인하였다. 반면에 Ni/H-ZSM-5와 Ni/N-ZSM-5의 Ni 2p3/2 스펙트럼을 비교할 경우, NiOx 종의 강도는 Ni/H-ZSM-5와 Ni/N-ZSM-5에서 거의 동일했지만, Ni-N 결합을 나타내는 855 eV 영역에서의 강도는 Ni/N-ZSM-5에서 2배 이상 더 높았다. Ni/N-beta에서 NiOx의 스펙트럼도 Ni/H-beta와 비슷했지만, 855 eV 주변의 스펙트럼은 Ni/H-beta에 비해 약 1.8배 높았다. 따라서 Ni/N-ZSM-5와 Ni/N-beta는 더 쉽게 환원 가능한 Ni-N 종의 존재로 인해 Ni/H-ZSM-5와 Ni/H-beta(0.07 vs 0.12, 0.14 vs 0.25, 표 1)보다 H2 화학흡착이 더 큰 것으로 보인다. 그 결과 Ni 2p3/2 XPS 스펙트럼의 상대 강도가 약 855 eV 주변에서 증가함에 따라 화학흡착된 H2의 양이 증가하였다.Comparison of the Ni 2p 3/2 spectra of Ni/H-ZSM-5 and Ni/H-beta revealed that in both catalysts, two Ni species interacting with the zeolite framework, i.e., reducible free NiO and NiO x was observed, and the total peak area was similar (1750 vs. 1790). However, the relative intensities of the Ni species of Ni/H-ZSM-5 and Ni/H-beta were 29:71 and 58:42, respectively. That is, the relative ratio of NiO x was higher in Ni/H-ZSM-5, and the reducible NiO was relatively higher in Ni/H-beta. As a result, it was confirmed that the amount of H 2 chemisorption to Ni/H-beta was greater than that of Ni/H-ZSM-5 (0.07 vs 0.14 cm 3 g -1 , Table 1). On the other hand, when comparing the Ni 2p 3/2 spectra of Ni/H-ZSM-5 and Ni/N-ZSM-5, the intensities of the NiO x species were found in Ni/H-ZSM-5 and Ni/N-ZSM-5. Although almost identical, the intensity in the 855 eV region representing the Ni-N bond was more than twice as high in Ni/N-ZSM-5. The spectrum of NiO x in Ni/N-beta was also similar to that of Ni/H-beta, but the spectrum around 855 eV was about 1.8 times higher than that of Ni/H-beta. Therefore, Ni/N-ZSM-5 and Ni/N-beta were significantly different from Ni/H-ZSM-5 and Ni/H-beta (0.07 vs 0.12, 0.14 vs 0.25, table 1), H 2 chemisorption appears to be greater than that of As a result, the amount of chemisorbed H 2 increased as the relative intensity of the Ni 2p 3/2 XPS spectrum increased around 855 eV.
2.2. 메탄건식개질 반응2.2. methane dry reforming reaction
2.2.1. 전체 DRM 결과: 촉매가 아닌 열 효과2.2.1. Overall DRM Results: Non-Catalytic Thermal Effects
촉매 실험에 앞서, 본 발명에서는 H-ZSM-5 및 N-ZSM-5 담지체가 750 ℃에서 CH4 또는 CO2 변환에 대한 초기 활동을 나타내지 않았음을 확인했다(~0%). CO2가 프레임워크 질소 염기 사이트에 흡착되었을 때에도, DRM은 CH4가 Ni 활성 사이트에 흡착되지 않는 한 진행되지 않는다. 또한, RWGS와 BR과 같은 부반응은 각각 DRM에 의해 H2와 CO가 생성되어야만 가능하다. MC는 산성 지지체(도 3)에서 발생할 수 있지만 고온(750 ℃)에서는 억제된 것으로 보인다. 따라서 Ni 활성 사이트는 특히 부반응이 억제되고 DRM이 가장 많이 발생하는 고온 반응에 필수적인 것으로 보인다.Prior to the catalytic experiments, it was confirmed that the H-ZSM-5 and N-ZSM-5 supports did not show initial activity for CH 4 or CO 2 conversion at 750 °C (~0%). Even when CO 2 is adsorbed on the framework nitrogen base sites, DRM does not proceed unless CH 4 is adsorbed on the Ni active sites. In addition, side reactions such as RWGS and BR are possible only when H 2 and CO are generated by DRM, respectively. MC can occur on acidic supports (Fig. 3) but appears to be inhibited at high temperatures (750 °C). Therefore, the Ni active site appears to be essential especially for high-temperature reactions where side reactions are inhibited and DRM is most likely to occur.
a 77분 반응 후. b (10 min conversion - 12 h conversion)/10 min conversion ×100 식으로 결정됨. c 달리 명시되지 않은 한 12시간 동안 DRM 후 얻은 사용된 촉매의 TGA/DTA에 의해 결정된 코크 양. a After 77 min reaction. Determined by the formula b (10 min conversion - 12 h conversion)/10 min conversion ×100. c Amount of coke determined by TGA/DTA of spent catalyst obtained after DRM for 12 hours unless otherwise specified.
도 6과 표 3은 본 발명에서 준비한 4개의 Ni 함침 제올라이트 촉매에 대한 650, 700 및 750 ℃의 DRM 결과를 보여준다. CH4와 CO2의 같은 몰 농도의 공급에도 불구하고, 650 ℃에서 Ni/N-ZSM-5를 제외한 모든 경우에서 CH4 변환 < CO2 변환, CH4 비활성화 속도 > CO2 비활성화 속도 및 H2/CO < 1이 항상 관찰되었다. 이는 모든 온도 범위에서 지배적인 부반응으로서 RWGS의 발생으로 설명될 수 있다. 수행된 온도 범위에서도 WGS가 가능하지만 CO2 농도가 높고 건조한 조건 때문에 RWGS일 가능성이 더 높다. 또한 거의 모든 촉매의 경우 반응 온도가 높을수록 초기 활성은 증가했지만 비활성화 속도는 낮아졌다. 높은 반응 온도에서, RWGS가 덜 중요해지기 때문에, H2/CO 비율은 증가했지만 여전히 1 보다 낮았다. 더 낮은 온도인 650 ℃에서 56 wt% 이상의 코크가 형성되었으며, 이는 750 ℃ 에서 형성된 함량 비율(< 3 wt%)보다 훨씬 높다. 고온에서는 RBR, SCG 등에 의한 코크 형성 억제도 가능하다.Figure 6 and Table 3 show the DRM results at 650, 700 and 750 °C for the four Ni-impregnated zeolite catalysts prepared in the present invention. CH 4 conversion < CO 2 conversion, CH 4 deactivation rate > CO 2 deactivation rate and H 2 /CO < 1 was always observed. This can be explained by the occurrence of RWGS as a dominant side reaction in all temperature ranges. WGS is possible in the range of temperatures performed, but RWGS is more likely because of the high CO2 concentration and dry conditions. In addition, in the case of almost all catalysts, the higher the reaction temperature, the higher the initial activity, but the lower the deactivation rate. At higher reaction temperatures, as RWGS becomes less important, the H 2 /CO ratio increases but is still less than 1. At the lower temperature of 650 °C, more than 56 wt% of coke was formed, which is much higher than the percentage of coke formed at 750 °C (< 3 wt%). At high temperatures, suppression of coke formation by RBR, SCG, etc. is also possible.
반면, 모든 온도 범위에서 모든 촉매에 대해 CH4 및 CO2 전환율과 H2/CO 비는 TOS에 따라 감소하였다(단, 750 ℃에서 Ni/N-ZSM-5는 제외, 아래 참조). CH4 및 CO2 비활성화 속도가 클수록 TOS에 따른 H2/CO 비율의 감소가 커진다. Langmuir-Hinselwood 메커니즘을 고려할 때 CH4와 CO2를 모두 활성 부위에 흡착해야 DRM이 가능하지만, RWGS는 CO2만 흡착해도 진행할 수 있다. 따라서 TOS에 따라 코크 형성에 의해 활성 부위가 차단되고 비활성화되면 RWGS는 DRM보다 확률적으로 더 높아지며, 따라서 H2/CO 비율의 감소가 더 크다.On the other hand, CH 4 and CO 2 conversions and H 2 /CO ratios decreased with TOS for all catalysts in all temperature ranges (except for Ni/N-ZSM-5 at 750 °C, see below). The greater the rate of CH 4 and CO 2 deactivation, the greater the reduction of the H 2 /CO ratio with TOS. Considering the Langmuir-Hinselwood mechanism, DRM is possible only when both CH 4 and CO 2 are adsorbed on the active site, but RWGS can proceed by adsorbing only CO 2 . Therefore, when the active site is blocked and inactivated by coke formation according to TOS, RWGS is stochastically higher than DRM, and thus the reduction of the H 2 /CO ratio is greater.
2.2.2. 650 ℃에서 촉매 반응 결과2.2.2. Catalytic reaction results at 650 °C
상기와 같이, 650 ℃에서의 DRM은 일반적으로 CH4(< 56%), CO2(< 63%)의 낮은 전환율과 빠른 비활성화율(CH4 > 51% 및 CO2 > 45%)이 특징이다. 표 3과 같이 연속 반응상에서 12시간 후의 사용된 촉매의 코크 함량이 56% 보다 높아 이 온도에서 코크 증착에 의한 활성부위 차폐가 촉매 비활성화의 주요 원인이 되고 있음을 알 수 있다. 도 1b와 같이, 그래파이트 탄소 (200)와 (100) 상에 대한 X선 피크는 각각 650 ℃에서 DRM 이후 얻은 사용된 촉매에 대해 2θ = 26° 및 43°에서 검출되었다. 특히 그래파이트 (200) 상의 X선 피크 강도는 Ni/N-ZSM-5 > Ni/N-beta > Ni/H-beta > Ni/H-ZSM-5 순으로 매우 강했으며, 이는 TGA/DTA (표 3)가 분석한 코크 함량과 잘 일치한다. 650 ℃에서 DRM 이후 사용된 모든 촉매는 610 ℃ 보다 높은 발열성 DTA 피크를 보였으며, 이는 그래파이트 탄소의 연소로 인해 촉매 비활성화로 이어졌다.As above, DRM at 650 °C is generally characterized by low conversion of CH 4 (< 56%), CO 2 (< 63%) and fast deactivation (CH 4 > 51% and CO 2 > 45%). . As shown in Table 3, the coke content of the used catalyst after 12 hours in the continuous reaction phase was higher than 56%, indicating that the active site shielding by coke deposition at this temperature is the main cause of catalyst deactivation. As shown in Fig. 1b, X-ray peaks for the graphitic carbon (200) and (100) phases were detected at 2θ = 26° and 43° for the used catalyst obtained after DRM at 650 °C, respectively. In particular, the X-ray peak intensity on graphite (200) was very strong in the order of Ni/N-ZSM-5 > Ni/N-beta > Ni/H-beta > Ni/H-ZSM-5, which was 3) agrees well with the analyzed coke content. All catalysts used after DRM at 650 °C showed an exothermic DTA peak higher than 610 °C, which led to catalyst deactivation due to combustion of graphitic carbon.
650 ℃에서 Ni/H-ZSM-5와 Ni/H-beta의 촉매 결과를 비교한 결과 CH4 전환에서 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 그러나 Ni/H-beta는 12시간 동안 더 높은 CO2 전환율과 더 낮은 H2/CO 비율을 보였다. 이는 Ni/H-beta에서 RWGS가 더 우세하기 때문인 것으로 보인다. 또한 이 촉매는 650 ℃에서 12시간 동안 반응한 후 Ni/H-ZSM-5(56.3 vs 67.0 wt.%)보다 높은 코크 함량을 보였다. 코크 형성은 DRM 반응 조건에서 MC와 BR과 같은 부반응의 결과이지만, MC는 CH4 전환율과 H2/CO 비율 모두를 증가시키고, BR은 CO2 전환율의 감소와 H2/CO 비율의 증가를 유발하기 때문에 이 두 반응은 현재의 DRM 결과와 상충되는 것으로 보인다. 따라서 고유 촉매 성능(즉, CH4보다 높은 CO2 전환율 및 낮은 H2/CO 비율)과 높은 코크 형성은 주로 650 ℃에서 RWGS와 BR의 결합 효과에 의해 발생하는 것으로 보인다. 상기와 같이 Ni/H-beta는 Ni/H-ZSM-5(표 1)보다 결정 크기가 작고 BET 표면적이 크며 Ni 확산 특성이 더 높기 때문에 부반응뿐만 아니라 더 활발한 DRM으로 이어진다.As a result of comparing the catalyst results of Ni/H-ZSM-5 and Ni/H-beta at 650 °C, no significant difference was observed in CH 4 conversion. However, Ni/H-beta showed higher CO 2 conversion and lower H 2 /CO ratio at 12 h. This seems to be due to the predominance of RWGS in Ni/H-beta. In addition, this catalyst showed a higher coke content than Ni/H-ZSM-5 (56.3 vs 67.0 wt.%) after reacting at 650 °C for 12 hours. Coke formation is a result of the same side reactions as MC and BR under the DRM reaction conditions, but MC increases both the CH 4 conversion and the H 2 /CO ratio, and BR causes a decrease in CO 2 conversion and an increase in the H 2 /CO ratio. Therefore, these two responses seem to conflict with current DRM results. Therefore, the unique catalytic performance (ie, higher CO 2 conversion than CH 4 and low H 2 /CO ratio) and high coke formation appear to be mainly caused by the combined effect of RWGS and BR at 650 °C. As described above, Ni/H-beta has a smaller crystal size, larger BET surface area, and higher Ni diffusion characteristics than Ni/H-ZSM-5 (Table 1), leading to more active DRM as well as side reactions.
650 ℃에서 Ni/H-ZSM-5와 Ni/N-ZSM-5의 결과를 비교한 결과, Ni/N-ZSM-5는 CH4(55.4 대 46.0%)와 CO2(54.3 대 52.9%) 모두에서 초기 전환율이 더 높았으며, 특히 4개의 촉매 중 초기 CH4 전환율이 가장 높았다. 그러나, 여기서 단지 77분 후에 연속 반응기를 차단함으로써 반응의 지속을 막는 코크의 과잉 형성(77 wt%)에 주목해야 한다. Ni/H-ZSM-5는 담지체에서 Ni/N-ZSM-5보다 산성 사이트의 농도가 높았지만(도 3), 전자는 코크 양이 적었다. 이는 650 ℃에서 Ni/N-ZSM-5의 코크가 MC보다는 BR에 의해 더 많이 형성되었다는 것을 암시한다. RWGS는 다른 3개의 촉매와 마찬가지로 Ni/N-ZSM-5에서도 발생했지만, BR이 우세했으며, 과도한 코크는 그러한 짧은 TOS 동안 형성된다. 화학양론적으로, BR은 2몰의 CO를 소비하고 1몰의 CO2를 생산하여 CO2의 전환율을 낮추고 H2/CO 비율을 높인다. 그 결과, 모든 촉매 결과 중 Ni/N-ZSM-5는 CH4 > CO2 전환율 및 H2/CO 비율 증가만 보였으며, TOS에 따라서는 1 보다 높게 유지되었다. 따라서 추가적인 프레임워크 질소 염기 사이트에서 CO2의 흡착이 DRM 그리고/또는 RWGS를 지배적으로 만들고 이에 따라 BR이 지배적으로 작용할 수 있다고 추측할 수 있다. 이러한 결과는 프레임워크 질소 염기 사이트가 상대적으로 낮은 온도에서는 DRM에 부정적인 영향을 주어 코크를 형성할 가능성이 더 높다는 것을 입증한다. 반면, 650 ℃에서 Ni/H-beta와 Ni/N-beta의 촉매 결과를 비교했을 때, 두 촉매 사이의 초기 반응성에는 큰 차이가 없었다. 다만 Ni/N-beta의 코크 함량(60.2 대 67.0 wt%)이 낮았음에도 Ni/N-beta의 비활성화율은 Ni/H-beta보다 높았다. 표 1에서와 같이, 부분적으로 붕괴된 N-베타는 코크 증착에 상대적으로 약하며 H-베타보다 쉽게 비활성화된다.As a result of comparing the results of Ni/H-ZSM-5 and Ni/N-ZSM-5 at 650 °C, Ni/N-ZSM-5 has reduced CH 4 (55.4 vs. 46.0%) and CO 2 (54.3 vs. 52.9%). The initial conversion rate was higher in all of them, especially the initial CH 4 conversion rate was the highest among the four catalysts. However, it should be noted here the excessive formation of coke (77 wt%) which prevented the continuation of the reaction by shutting down the continuous reactor after only 77 minutes. Ni/H-ZSM-5 had a higher concentration of acidic sites in the support than Ni/N-ZSM-5 (Fig. 3), but the former had a smaller amount of coke. This suggests that the coke of Ni/N-ZSM-5 at 650 °C was formed more by BR than by MC. RWGS also occurred with Ni/N-ZSM-5 as with the other three catalysts, but BR predominated and excess coke formed during such short TOS. Stoichiometrically, BR consumes 2 moles of CO and produces 1 mole of CO 2 , lowering the conversion of CO 2 and increasing the H 2 /CO ratio. As a result, among all catalyst results, Ni/N-ZSM-5 showed only CH 4 > CO 2 conversion and H 2 /CO ratio increase, and the TOS was maintained higher than 1. Therefore, it can be speculated that the adsorption of CO 2 on the additional framework nitrogen base sites could make DRM and/or RWGS dominant and thus BR could dominate. These results demonstrate that framework nitrogen base sites are more likely to negatively affect DRM and form coke at relatively low temperatures. On the other hand, when comparing the catalyst results of Ni/H-beta and Ni/N-beta at 650 °C, there was no significant difference in initial reactivity between the two catalysts. However, the deactivation rate of Ni/N-beta was higher than that of Ni/H-beta, even though the coke content (60.2 vs. 67.0 wt%) of Ni/N-beta was low. As shown in Table 1, partially decayed N-beta is relatively weak to coke deposition and is more easily deactivated than H-beta.
2.2.3. 700 ℃에서 촉매 반응 결과2.2.3. Catalytic reaction results at 700 °C
도 6과 표 3에서와 같이, CH4(57 - 69%)와 CO2(67 - 79%) 전환율과 H2/CO 비율(0.83 - 0.87)은 650 ℃에 비해 700 ℃에서 DRM 동안 모든 촉매에서 증가하였다. 700 ℃에서 각 촉매에 대한 CH4와 CO2의 초기 활성은 Ni/N-beta > Ni/H-beta > Ni/N-ZSM-5 > Ni/Ni/N-ZSM-5 순으로 나타났다. 거의 동일한 Ni 함량을 고려할 때, 초기 활성의 이러한 차이는 Ni의 분산도 차이에서 기인한다고 볼 수 있다. 650 ℃와 달리, 700 ℃에서의 초기 활성화 순서는 H2 화학 흡착양과 잘 일치한다(표 1). 이는 DRM이 650 ℃에 비해 700 ℃에서 상대적으로 우세했으며, 부반응이 더 억제되었다는 것을 반영한다. 12시간 동안 700 ℃에서 반응한 후, 코크의 양은 650 ℃와 비교했을 때 20 wt% 미만으로 크게 감소하였으며, 이는 또한 부반응인 MC와 BR이 억제되었음을 의미한다. 여기서 흥미로운 점은 Ni/N-ZSM-5가 650℃에서와 마찬가지로 700 ℃에서 4개의 촉매 중 가장 많은 양의 코크를 생산했지만(17.6 wt.%), 이 촉매는 다른 3개의 촉매와 동일한 CO2 > CH4 전환율 및 H2/CO 비율 < 1을 보였다는 것이다. 이는 또한 BR 부반응에 의한 코크스 형성이 700 ℃에서 억제되었기 때문에 이러한 현상이 발생할 수 있다.As shown in Figure 6 and Table 3, CH 4 (57 - 69%) and CO 2 (67 - 79%) conversions and H 2 /CO ratios (0.83 - 0.87) were all catalysts during DRM at 700 °C compared to 650 °C. increased in The initial activities of CH 4 and CO 2 for each catalyst at 700 °C were in the order of Ni/N-beta > Ni/H-beta > Ni/N-ZSM-5 > Ni/Ni/N-ZSM-5. Considering almost the same Ni content, this difference in initial activity can be attributed to the difference in the dispersion of Ni. Unlike 650 °C, the initial activation sequence at 700 °C is in good agreement with the amount of H 2 chemisorbed (Table 1). This reflects that DRM was relatively dominant at 700 °C compared to 650 °C, and that side reactions were more suppressed. After reacting at 700 °C for 12 hours, the amount of coke was significantly reduced to less than 20 wt% compared to 650 °C, which also means that side reactions MC and BR were suppressed. What is interesting here is that Ni/N-ZSM-5 produced the highest amount of coke (17.6 wt.%) among the four catalysts at 700 °C as at 650 °C, but this catalyst produced the same CO 2 as the other three catalysts. > CH 4 conversion and H 2 /CO ratio < 1. This phenomenon may also occur because coke formation by the BR side reaction was suppressed at 700 °C.
700 ℃에서 Ni/H-ZSM-5와 Ni/N-ZSM-5의 촉매 반응 결과를 비교했을 때 Ni/N-ZSM-5는 Ni/H-ZSM-5보다 CH4와 CO2의 초기 전환율이 더 높았으며, 12시간 반응 전체에서 분명히 더 높은 활성을 유지했다. 그러나 Ni/N-ZSM-5의 코크스 함량은 Ni/H-ZSM-5(17.6 vs 5.8 wt.%)보다 약 3배 더 높았다. 반응 후 두 촉매의 DTA 피크 위치를 비교했을 때 Ni/N-ZSM-5는 510~570 ℃로 Ni/H-ZSM-5보다 약 20 ℃ 낮았고, 또한 여기에서 다룬 모든 촉매 결과 중 가장 낮았다. 이는 코크 종의 다른 특성, 즉 탄소 나노 튜브(CNT)와 흑연 유사 코크 같은 비정형 및 활성 탄소 종에 기인할 수 있다. 일반적으로 다중층 CNT(약 550 ℃)의 산화 온도는 흑연(670 ℃)의 산화 온도보다 낮다. 따라서 Ni/N-ZSM-5에서 형성된 코크 종은 흑연보다 CNT와 유사하며, 제올라이트 기공을 막지 않는다. 도 1c와 같이, 코크의 양은 3배 높았지만, CNT의 X선 회절 피크는 일반적으로 흑연보다 강도가 낮기 때문에 사용된 두 촉매의 흑연 X선 피크 강도에는 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다. 반면에 700 ℃ 반응의 경우 Ni/N-beta의 초기 활성은 가장 높았지만, 650 ℃에서와 같이 Ni/H-beta와 Ni/N-beta 사이에는 유의미한 활성 차이는 없었다. Ni/H-beta는 Ni/N-beta(2.6 vs 1.5 wt.%)에 비해 더 많은 양의 코크를 보였지만, Ni/N-beta의 높은 비활성화율 또한 위에서 논의한 바와 같이 N-beta 지지체의 구조적 불안정성에 기인하였다. 700 ℃에서 Ni/N-ZSM-5와 Ni/N-beta의 결과를 비교한 결과, 650 ℃에서와 같이 Ni/N-beta는 반응 12시간 동안 더 높은 활성을 보였다. 이는 Ni/N-beta에서 금속 분산이 더 높기 때문이기도 하며, 추가적으로 프레임워크 질소 염기 사이트 때문이기도 하다 (표 1).When the catalytic reaction results of Ni/H-ZSM-5 and Ni/N-ZSM-5 were compared at 700 °C, Ni/N-ZSM-5 had a higher initial conversion rate of CH 4 and CO 2 than Ni/H-ZSM-5. was higher, and apparently maintained higher activity throughout the 12-hour reaction. However, the coke content of Ni/N-ZSM-5 was about 3 times higher than that of Ni/H-ZSM-5 (17.6 vs 5.8 wt.%). When the DTA peak positions of the two catalysts were compared after the reaction, Ni/N-ZSM-5 was 510 to 570 °C, about 20 °C lower than Ni/H-ZSM-5, and also the lowest among all catalysts discussed here. This can be attributed to other properties of coke species, namely amorphous and activated carbon species such as carbon nanotubes (CNTs) and graphite-like coke. In general, the oxidation temperature of multilayer CNTs (about 550 °C) is lower than that of graphite (670 °C). Thus, the coke species formed on Ni/N-ZSM-5 are more CNT-like than graphite and do not block zeolite pores. As shown in FIG. 1c, although the amount of coke was three times higher, it was confirmed that there was no significant difference in the graphite X-ray peak intensities of the two catalysts used because the X-ray diffraction peaks of CNTs were generally lower in intensity than those of graphite. On the other hand, in the case of the reaction at 700 ° C, the initial activity of Ni / N-beta was the highest, but there was no significant difference in activity between Ni / H-beta and Ni / N-beta as at 650 ° C. Ni/H-beta showed a higher amount of coke compared to Ni/N-beta (2.6 vs 1.5 wt.%), but the high deactivation rate of Ni/N-beta also contributed to the structural instability of the N-beta scaffold, as discussed above. attributed to. As a result of comparing the results of Ni/N-ZSM-5 and Ni/N-beta at 700 °C, as at 650 °C, Ni/N-beta showed higher activity during 12 hours of reaction. This is partly due to the higher metal dispersion in Ni/N-beta and additionally to the framework nitrogen base sites (Table 1).
2.2.4. 750 ℃에서 촉매 반응 결과2.2.4. Catalytic reaction results at 750 °C
도 6과 표 3에 나타낸 것처럼, 750 ℃에서 DRM은 700 ℃에서보다 훨씬 더 높은 초기 CH4 및 CO2 변환과 H2/CO 비율을 보였다. 700 ℃에서의 촉매 반응 결과와 매우 유사하며, CH4와 CO2의 전환율은 Ni/N-beta > Ni/H-beta > Ni/N-ZSM-5 > Ni/H-ZSM-5 순으로 나타났다. 750 ℃에서 12시간 반응 후의 모든 촉매에서의 코크의 양은 3 wt.% 미만이었고, 이는 BR이 더 억제되었음을 나타낸다. Ni/N-beta는 CO2 흡착 능력과 프레임워크 질소 염기 사이트에 의한 Ni 분산도의 향상으로 인해 4개의 촉매 중 여전히 초기 활성(CH4 전환율 = 83.9%, CO2 전환율 = 88.9%)이 가장 높았다. 그러나 위에서 언급한 바와 같이 N-베타 담지체의 구조적 불안정성으로 인해 CH4와 CO2의 비활성화율은 각각 35.9와 27.1%로 700 ℃보다 높았다. 도 1d와 같이 750 ℃에서 DRM 이후, 사용된 Ni/N-beta의 X선 피크 강도는 새로운 샘플에 비해 약 10%로 감소하였다. 또한 750 ℃에서 사용된 Ni/N-beta의 BET 표면적은 280 m2 g-1로 본 발명에서 얻은 모든 값 중 가장 낮은 값이다 (표 1).As shown in Figure 6 and Table 3, DRM at 750 °C showed significantly higher initial CH 4 and CO 2 conversions and H 2 /CO ratio than at 700 °C. Very similar to the results of the catalytic reaction at 700 °C, the conversion rates of CH 4 and CO 2 were in the order of Ni/N-beta > Ni/H-beta > Ni/N-ZSM-5 > Ni/H-ZSM-5 . The amount of coke in all catalysts after 12 hours of reaction at 750 °C was less than 3 wt.%, indicating that BR was further suppressed. Ni/N-beta still showed the highest initial activity (CH 4 conversion = 83.9%, CO 2 conversion = 88.9%) among the four catalysts due to the CO 2 adsorption capacity and the enhancement of Ni dispersion by the framework nitrogen base site. . However, as mentioned above, due to the structural instability of the N-beta carrier, the deactivation rates of CH 4 and CO 2 were 35.9 and 27.1%, respectively, higher than 700 °C. As shown in Fig. 1d, after DRM at 750 °C, the X-ray peak intensity of the Ni/N-beta used decreased by about 10% compared to that of the fresh sample. In addition, the BET surface area of Ni/N-beta used at 750 °C was 280 m 2 g -1 , which is the lowest among all values obtained in the present invention (Table 1).
반면, 750 ℃에서 Ni/N-ZSM-5는 초기 활성을 제외하고 12시간 동안 가장 높은 활성을 보였다. 이 촉매의 CH4와 CO2 비활성화율은 각각 2.3과 1.6%에 불과했으며, 이는 4개의 촉매 중 가장 높다. Ni/H-ZSM-5와 비교할 때, DRM이 가장 우세하고 코크 형성과 관련된 부반응이 억제되는 750 ℃에서 Ni/N-ZSM-5의 프레임워크 질소 효과는 12시간 후 CH4와 CO2의 20% 높은 전환율로 이어졌으며 여기서 연구된 전체 반응시간 동안 거의 일정한 H2/CO 비율(~ 0.9)을 보였다. 이러한 결과는 DRM의 상용 촉매로 알려진 Ni/γ-Al2O3와 거의 동일한 수준이다. 이는 질화 Ni/N-ZSM-5가 DRM 촉매에 적합한 후보임을 시사한다. 이러한 결과를 통해 활성도가 높고 안정적인 DRM 촉매 개발을 위해 열 안정성이 높은 기본 지지체가 왜 필요한지 더 잘 이해할 수 있다.On the other hand, Ni/N-ZSM-5 at 750 °C showed the highest activity for 12 hours except for the initial activity. The CH 4 and CO 2 deactivation rates of this catalyst were only 2.3 and 1.6%, respectively, the highest among the four catalysts. Compared to Ni/H-ZSM-5, the framework nitrogen effect of Ni/N-ZSM-5 at 750 °C, where DRM is most dominant and side reactions related to coke formation are suppressed, is significantly reduced by 20% of CH 4 and CO 2 after 12 h. % led to high conversions and a nearly constant H2 /CO ratio (~ 0.9) over the entire reaction time studied here. These results are almost the same as those of Ni/γ-Al 2 O 3 known as a commercial catalyst for DRM. This suggests that nitrided Ni/N-ZSM-5 is a suitable candidate for DRM catalyst. These results provide a better understanding of why basic supports with high thermal stability are needed for the development of highly active and stable DRM catalysts.
2.2.5. DRM에서 제올라이트 지지체의 질화 효과2.2.5. Nitriding effect of zeolite support in DRM
질화에 의한 제올라이트 프레임워크에서 질소 치환에 의한 DRM 활성 향상을 보다 명확하게 확인하기 위해, 다른 질소 함량으로 준비된 촉매로 일련의 실험을 수행했다 (도 7). 질화 정도는 온도 그리고/또는 NH3의 유량의 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 도 7에서 Ni/N-ZSM-5(100-900)와 Ni/N-beta(100-900) 촉매는 NH3 유량 100 mL min-1에서 900 ℃에서 합성되었으며, 촉매 반응 결과는 도 6에 제시된 700 ℃ 반응 결과와 동일했다. 도 7에 나타난 바와 같이, NH3 유량 200 mL min-1, 900℃의 동일한 온도에서 두 배로 합성된 Ni/N-ZSM-5(200-900)와 Ni/N-beta(200-900) 촉매는 각각에 대응하는 (100-900) 촉매와 유의미한 차이를 보이지 않았다. 그러나, 100 mL min-1의 동일한 유량이지만, 500 ℃의 감소된 질화 온도에서 합성된 Ni/N-ZSM-5(100-500)와 Ni/N-beta(100-500) 촉매는 각각에 대응하는 (100-900) 촉매보다 명백히 낮은 활성을 보였다. 이는 제올라이트 지지체의 질화 작용에 의해 DRM의 촉매 성능이 향상된다는 명백한 증거이다.To more clearly confirm the enhancement of DRM activity by nitrogen substitution in the zeolite framework by nitration, a series of experiments were conducted with catalysts prepared with different nitrogen contents (Fig. 7). It is known that the degree of nitrification is influenced by the temperature and/or the flow rate of NH 3 . In FIG. 7, the Ni/N-ZSM-5 (100-900) and Ni/N-beta (100-900) catalysts were synthesized at 900° C. at an NH 3 flow rate of 100 mL min -1 , and the catalytic reaction results are shown in FIG. It was the same as the 700 ° C reaction result presented. As shown in FIG. 7, the Ni/N-ZSM-5 (200-900) and Ni/N-beta (200-900) catalysts synthesized twice at the same temperature of 900° C. at an NH 3 flow rate of 200 mL min −1 did not show a significant difference from the corresponding (100-900) catalysts. However, the Ni/N-ZSM-5 (100-500) and Ni/N-beta (100-500) catalysts synthesized at the same flow rate of 100 mL min -1 but at a reduced nitridation temperature of 500 °C correspond to each other. showed obviously lower activity than the (100-900) catalyst. This is a clear evidence that the catalytic performance of the DRM is improved by the nitration of the zeolite support.
결론conclusion
Zeolite 프레임워크 내에 질소를 포함하는 Ni/N-ZSM-5 및 Ni/N-beta 촉매가 DRM 반응에 최초로 준비 및 사용되었다. zeolite 프레임워크 내로의 질소의 함유 및 그 기본 성질은 CHNS 원소 분석, 29Si MAS NMR, CO2 TPD, OH IR 및 XPS와 같은 다양한 분석 방법을 사용하여 확인되었다. 동일한 질화 조건에서 구조적으로 불안정하고 결함 부위가 많은 베타 제올라이트는 ZSM-5보다 약 3배 많은 질소를 함유했다. 프레임워크 질소는 Ni 활성 사이트의 향상된 분산뿐만 아니라 고온 영역에서 흡착이 가능한 새로운 CO2 흡착 사이트를 제공했다. 저온 DRM 반응에서 이러한 질소 사이트는 주로 BR에 의해 코크 형성을 가속화함으로써 DRM에 부정적인 영향을 미쳤다. 반면, 제올라이트의 프레임워크 질소는 고온에서 DRM을 촉진했고, 부반응은 억제되었다. 고온 DRM 반응에서 Ni/N-beta는 N-beta 지지체의 열 구조 불안정성으로 인해 촉매 안정성이 떨어졌지만 Ni/N-ZSM-5는 촉매 안정성이 높았다. 750 ℃에서 12시간 동안 반응한 후 Ni/N-ZSM-5는 질소 치환 효과로 인해 Ni/H-ZSM-5에 비해 CH4와 CO2 모두 약 20% 높은 전환율을 보였다. 본 발명의 전체 결과에 기초하여, 보다 안정적이고 능동적인 DRM 촉매 개발을 위한 몇 가지 유용한 제안이 제시된다.Ni/N-ZSM-5 and Ni/N-beta catalysts containing nitrogen in a zeolite framework were first prepared and used for DRM reactions. The incorporation of nitrogen into the zeolite framework and its basic properties were confirmed using various analytical methods such as CHNS elemental analysis, 29 Si MAS NMR, CO 2 TPD, OH IR and XPS. Under the same nitridation conditions, the structurally unstable beta zeolite with many defects contained approximately three times more nitrogen than ZSM-5. The framework nitrogen provided new CO 2 adsorption sites capable of adsorption in the high-temperature region as well as improved dispersion of Ni active sites. In the low-temperature DRM reaction, these nitrogen sites had a negative effect on DRM mainly by accelerating coke formation by BR. On the other hand, framework nitrogen of zeolite promoted DRM at high temperature and side reactions were suppressed. In the high-temperature DRM reaction, Ni/N-beta showed poor catalytic stability due to the thermal structural instability of the N-beta support, but Ni/N-ZSM-5 showed high catalytic stability. After reacting at 750 °C for 12 hours, Ni/N-ZSM-5 showed about 20% higher conversion of both CH 4 and CO 2 than Ni/H-ZSM-5 due to the nitrogen substitution effect. Based on the overall results of the present invention, several useful suggestions are presented for the development of more stable and active DRM catalysts.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments, since various substitutions and changes can be made to those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. .
Claims (8)
A nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction comprising at least one of a nitrogen-substituted nitrided Ni/N-ZSM-5 zeolite and a nitrated Ni/N-beta zeolite.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도는 700 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
Nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction, characterized in that the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 700 ℃ or more.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매는 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 촉매인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
The nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction is a nitrogen-substituted nitrated Ni / N-ZSM-5 zeolite catalyst.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 700 ℃ 인 경우에, 반응 온도가 650 ℃ 인 경우에 비하여 메탄 크래킹(Methan Cracking, MC)와 부다드 반응(Boudouard reaction, BR)의 부반응이 억제되어 코크 발생량이 20 wt% 미만인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 700 ° C, side reactions of methane cracking (MC) and Boudouard reaction (BR) are suppressed compared to when the reaction temperature is 650 ° C. A nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction, characterized in that the content is less than 20 wt%.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 750 ℃ 인 경우에, 메탄 크래킹(Methan Cracking, MC)와 부다드 반응(Boudouard reaction, BR)의 부반응이 억제되어 코크 발생량이 3.0 wt% 미만인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 750 ° C., side reactions of methane cracking (MC) and Boudouard reaction (BR) are suppressed, so that the amount of coke generated is less than 3.0 wt%. Nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 750 ℃ 인 경우에, 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 촉매에 의한 반응에서 CH4와 CO2 비활성화율은 각각 2.3과 1.6%인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 750 ° C, the CH 4 and CO 2 deactivation rates in the reaction by the nitrogen-substituted nitrided Ni / N-ZSM-5 zeolite catalyst are 2.3 and 1.6%, respectively. A nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction.
상기 메탄건식개질(DRM) 반응 온도가 750 ℃ 인 경우에, 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 촉매에 의한 반응에서 CH4와 CO2의 전환율은 20%이고, H2/CO의 비율은 0.9 이하인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
When the methane dry reforming (DRM) reaction temperature is 750 ° C, the conversion rate of CH 4 and CO 2 is 20% in the reaction by the nitrogen-substituted nitrided Ni / N-ZSM-5 zeolite catalyst, H 2 /CO A nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction, characterized in that the ratio is 0.9 or less.
상기 질소가 치환된 질화 Ni/N-ZSM-5 제올라이트 및 질화 Ni/N-beta 제올라이트는 질소가 치환되지 않은 Ni/H-ZSM-5 제올라이트 및 Ni/H-beta 제올라이트에 비하여 855 eV 영역에서 Ni 2p3/2 스펙트럼 강도가 1.8 배 이상인 것을 특징으로 하는 메탄건식개질(DRM) 반응용 질화 NiN-제올라이트 촉매.
According to claim 1,
Nitrogen-substituted Ni / N-ZSM-5 zeolite and nitrated Ni / N-beta zeolite have Ni / H-ZSM-5 zeolite and Ni / H-beta zeolite in which nitrogen is not substituted, Ni / N-ZSM-5 zeolite in the 855 eV region A nitrided NiN-zeolite catalyst for methane dry reforming (DRM) reaction, characterized in that the 2p 3/2 spectral intensity is 1.8 times or more.
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