KR20140075214A - Nano-sized Mesoporous Carbon supported Catalyst for Aqueous Phase Reforming reaction and preparing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a catalyst for an aqueous phase reforming reaction having a nano-sized mesoporous carbon carrier, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbon through the aqueous phase reforming reaction using the same. When the catalyst of the present invention is used for the aqueous phase reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbon, the catalyst has a larger surface area than an existing micro-sized mesoporous carbon carrier so that the degree of dispersion of active metals is increased and the structure of mesopores is developed. Accordingly, the speed of transferring and diffusing material becomes rapid so that the transfer rate, production rate, and production speed of hydrogen gas can be improved.

Description

수상개질 반응용 나노크기의 메조다공성 탄소담지체 촉매 및 이의 제조방법 {Nano-sized Mesoporous Carbon supported Catalyst for Aqueous Phase Reforming reaction and preparing method thereof} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nano-sized mesoporous carbon support catalyst for an aqueous phase reforming reaction and a method for preparing the same.

본 발명은 나노크기의 메조다공성 탄소담지체를 가진 수상개질 반응용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an aqueous phase reforming catalyst having a nano-sized mesoporous carbon support, a process for producing the same, and a process for producing hydrogen through an aquatic reforming reaction using oxygen hydrocarbons.

수상개질 반응은 글루코스 등의 당, 메탄올, 글리세롤, 에틸렌글리콜, 솔비톨, 당알코올 등의 폴리올과 같은 바이오매스로부터 유래한 다양한 종류의 수용액상의 함산소 탄화수소로부터 수소를 선택적으로 제조하는 기술을 말한다. 이러한 수상개질 반응은 아래 제시한 반응식에서 알 수 있듯이, 함산소 탄화수소를 반응원료로 사용하여 하나의 반응기 내에서 개질반응과 수성가스 전환(water-gas shift, WGS) 반응이 300℃ 미만의 낮은 온도에서 동시에 일어나며, 생성물로부터 얻어진 일산화탄소(CO) 농도는 100 ppm이하로 매우 낮은 장점이 있다. The water reforming reaction refers to a technique for selectively producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons in various kinds of aqueous solutions derived from biomass such as glucose, methanol, glycerol, ethylene glycol, sorbitol, sugar alcohol and the like. As shown in the following reaction formula, the reforming reaction and the water-gas shift (WGS) reaction in one reactor are carried out at a low temperature of less than 300 ° C. And the concentration of carbon monoxide (CO) obtained from the product is as low as 100 ppm or less.

CnH2n +2 + nH2O ↔ nCO + (2n+1)H2 ---- 개질반응C n H 2n + 2 + n H 2 O ↔ n CO + (2n + 1) H 2 ---- reforming reaction

CO + H2O ↔ CO2 + H2 ------------------- 수성가스 전환
CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 ------------------- Water gas conversion

따라서 이러한 수상개질 반응은 종래의 알려진 대표적인 수소의 제조방법인 스팀개질 반응이 갖는 고온에서 개질반응이 진행되어야 하는 문제점, 개질반응으로부터 발생하는 일산화탄소를 100 ppm이하로 줄이기 위한 별도의 메탄화 반응 단계가 필요 없다는 장점이 있다. 즉, 수상개질 반응은 독성을 가지는 메탄 등과 같은 부산물이 거의 발생하지 않을 뿐만 아니라, 스팀 개질반응에 비해 높은 수소 생산속도와 선택도를 가진다.
Therefore, such a water reforming reaction requires a reforming reaction at a high temperature of steam reforming reaction, which is a typical known hydrogen production method, and a separate methanation reaction step for reducing carbon monoxide generated from the reforming reaction to 100 ppm or less There is an advantage that it is not necessary. That is, the water reforming reaction not only causes almost no byproducts such as methane having toxicity, but also has a higher hydrogen production rate and selectivity than the steam reforming reaction.

이러한 수상개질 반응에 관한 연구는 재생 가능한 에너지 자원인 바이오매스의 가수분해에 의해 유도되는, 수용액상의 함산소 탄수화물 화합물로부터 수소를 제조하는 목적으로 다양하게 이루어지고 있다.
Studies on such an aqueous reforming reaction have been made variously for the purpose of producing hydrogen from an oxygenated carbohydrate compound in aqueous solution, which is induced by hydrolysis of biomass, which is a renewable energy resource.

수상개질 반응의 반응기구를 살펴보면, 탄소-탄소 분열(C-C cleavage), 탄소-산소 분열(C-O cleavage), 수성가스 전환, 탈수소/수소화 반응, 메탄화 반응, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응 등이 복합적으로 일어나며, 수소를 비롯한 이산화탄소 및 탄화수소(hydrocarbon)로 전환이 이루어진다.
The reaction mechanism of the aqueous reforming reaction can be classified into three types of reactions, namely, CC cleavage, CO cleavage, water gas conversion, dehydrogenation reaction, methanation reaction, Fischer-Tropsch reaction , Etc., are converted into carbon dioxide and hydrocarbons including hydrogen.

이러한 다양한 화학반응들은 활성금속 성분, 공급되는 원료(feed), 반응 조건, 촉매 담지체 등과 아주 깊은 관련이 있다. 따라서 수상개질 반응에 의해 함산소 탄화수소로부터 수소의 선택도를 증대시키기 위해서는 활성물질인 촉매 금속 표면에서 탄소-탄소 분열 반응은 극대화시켜야 하며, 반면에 탄소-산소 분열 속도와 메탄화/피셔-트롭쉬 반응은 억제시킬 수 있는 적절한 촉매의 선정 및 반응변수의 조절이 필요하다.
These various chemical reactions are very closely related to the active metal components, the feedstock fed, the reaction conditions, and the catalyst support. Therefore, in order to increase the selectivity of hydrogen from deoxygenated hydrocarbons by the water reforming reaction, it is necessary to maximize the carbon-carbon cleavage reaction on the surface of the catalytic metal, which is the active material, while the carbon- It is necessary to select suitable catalysts to control the reaction and to control the reaction parameters.

따라서, 이러한 수상개질 반응에서의 수소 생산속도와 선택도를 조절하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다(M.F.L. Johnson, J. Catal. 123 (1990) 245-259; J.W. Shabaker, G.W. Huber, R.R. Davda, R.D. Cortright, J.A. Dumesic, Catal. Lett. 88 (2003) 1-8; W.C. Ketchie, E.P. Maris, R.J. Davis, Chem. Mater. 19 (2007) 3406-3411; G. Wen, Y. Xu, H. Ma, Z. Xu, Z. Tian, Int. J. Hydrogen Energy. 33 (2008) 6657-6666). 특히, 촉매 담지체는 이러한 수상개질 반응에 크게 영향을 미치기 때문에 이에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 종래 Al2O3, ZrO2, SiO2, CeO2, ZnO, TiO2 등과 같은 금속 산화물을 담지체로 사용하는 경우 반응조건인 고온, 고압의 수용액 조건하에서 소결(sintering)에 의해 기공이 무너지거나, 넓은 범위의 준안정상(meta stable phase)에서 담체의 비표면적을 줄이는 형태로 상전이가 일어나기 때문에 수상개질 반응에서 매우 불안정한 문제점이 있다.
Therefore, many studies have been conducted to control the hydrogen production rate and selectivity in such a water reforming reaction (MFL Johnson, J. Catal. 123 (1990) 245-259; JW Shabaker, GW Huber, RR Davda, RD G. Wen, Y. Xu, H. Ma, K. Ketchie, EP Maris, RJ Davis, Chem.Mater. 19 (2007) 3406-3411, Z. Xu, Z. Tian, Int. J. Hydrogen Energy. 33 (2008) 6657-6666). In particular, since the catalyst carrier greatly affects the afore-mentioned water reforming reaction, much research has been conducted on the catalyst support. Conventional Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , CeO 2 , ZnO, TiO 2 Or the like is used as a support, pores are collapsed by sintering under a high-temperature and high-pressure aqueous solution, which is a reaction condition, and the specific surface area of the support is reduced in a wide range of meta stable phase There is a problem that the phase reforming reaction is very unstable because the phase transition occurs.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 수열 안정성이 뛰어난 다공성 담지체가 요구되는데, 함침시킬 활성금속 성분을 잘 분산시키고 액상에서 반응을 촉진시킬 수 있는 넓은 표면적, 적절한 기공 부피, 기계적/화학적인 안정성을 가지는 다공성 탄소계 담지체가 주목을 받고 있으며 이에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
In order to solve such problems, a porous support having excellent hydrothermal stability is required. The porous support is required to have a large surface area capable of promoting the reaction in the liquid phase, a proper pore volume, mechanical / Carbon-based support materials have attracted attention and many studies have been conducted on them.

종래, 특허문헌 1 및 2에는 벌칸 탄소(vulcan carbon)를 담지체로 사용하여 VIIB족 전이금속 및 VIII족 전이금속을 함침한 촉매를 함산소 탄화수소의 수상개질 반응에 적용한 예가 알려져 있다.
In the past, Patent Documents 1 and 2 disclose an example in which a catalyst in which vulcan carbon is used as a support and a VIIB-group transition metal and a VIII-group transition metal are impregnated into an aqueous hydrocarbon reforming reaction.

또한, 종래 비특허문헌 1에는 활성탄소 (activated carbon), 비특허문헌 2에는 단일 벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)를 담지체로 사용한 촉매를 함산소 탄화수소의 수상개질 반응에 적용한 예가 알려져 있다.
In addition, an example in which a catalyst using activated carbon as a non-patent document 1 and a single wall carbon nanotube (SWCNT) as a support body in a non-patent document 2 is applied to an aqueous reforming reaction of an oxygen- have.

그러나, 활성탄소를 담지체로 사용하는 경우에는 높은 표면적과 수열안정성을 나타내지만, 불규칙적인 기공 배열, 넓은 기공분포, 특히 기공의 크기가 작은 마이크로 기공(micro pore)과 같은 활성탄소 자체의 성질로 인하여 액상반응에서 반응물들이 촉매 활성점(catalytic active site)으로 운반되는 것을 방해할 뿐만 아니라, 수상개질 반응에서 생성되는 가스성분의 생성물들이 쉽게 빠져나가지 않고, 상기 마이크로 기공을 채워 촉매 활성점과 반응물질과의 접촉을 방해하기 때문에 일반적인 수소의 선택도 및 생성속도를 저하시키는 원인이 된다.
However, when the activated carbon is used as the support, it exhibits high surface area and hydrothermal stability. However, due to the irregular pore arrangement, wide pore distribution, and particularly the properties of the activated carbon itself such as micro pores having a small pore size In addition to preventing the reactants from being transported to the catalytic active site in the liquid phase reaction, the products of the gas components generated in the aqueous reforming reaction are not easily released, Which is a cause of lowering the selectivity and production rate of hydrogen in general.

특허문헌 3에는 상기 언급한 문제를 해결하기 위해 세공구조가 규칙적이고 균일한 크기의 메조기공(mesopores)을 가지며, 탄소 골격이 2차원 구조인 CMK-3 및 CMK-5 합성탄소를 수상개질 반응용 촉매의 담지체로 사용하였다. 그 결과, 종래 알려진 활성탄소를 사용한 경우에 비해 함산소 탄화수소의 전환율과 수소 생성속도가 상당히 향상되는 효과가 있었다.
In Patent Document 3, CMK-3 and CMK-5 synthetic carbon having a mesopores of uniform size and uniform pore structure and having a carbon skeleton of a two-dimensional structure are prepared for aqueous reforming reaction Was used as a catalyst support. As a result, the conversion efficiency and the hydrogen production rate of the oxygen-containing hydrocarbon were significantly improved as compared with the conventional activated carbon.

나아가, 규칙적인 메조다공성 탄소 담지체는 다양한 기공구조를 가짐으로써 기공크기를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 표면적과 메조기공부피를 가지고 있고 담체의 크기 및 형태를 다양하게 조절할 수 있기 때문에 탄소나노튜브에 비해 촉매 활성이 높은 장점도 있었다.
Furthermore, since regular mesoporous carbon supports have various pore structures, they can not only control the pore size but also have high surface area and mesopore volume, and can control the size and shape of the carrier variously. Therefore, The catalytic activity was also higher.

그러나, 본 발명자는 상기 메조다공성 CMK-3 및 CMK-5의 합성탄소 담지체는 입자가 마이크로(μm) 크기이기 때문에, 상기 담지체에 활성금속인 백금을 함침시킬 경우, 고온, 고압의 수용액상에서 수상개질 반응이 일어날 때 촉매의 활성점으로 반응물과 생성물의 물질전달 및 확산속도가 낮아 이를 이용한 수상개질 반응에 사용할 경우 반응활성을 증대시키기에는 어느 정도 한계가 있는 문제점이 있음을 발견하였다.
However, since the composite carbon support of the mesoporous CMK-3 and CMK-5 has a micro-particle size, when the support metal is impregnated with platinum, which is an active metal, It has been found that there is a limitation in increasing the reaction activity when the water modification reaction is performed in the aqueous reforming reaction using the catalyst because the mass transfer and diffusion rate of the reactant and the product are low at the active site of the catalyst when the reforming reaction occurs.

이에, 본 발명자는 수상개질 반응에서 수소의 선택도와 수소의 생성량을 더욱 향상시키기 위한 탄소계 담지체를 개발하기 위한 연구를 계속해서 수행한 결과, 메조다공성 합성탄소를 촉매 담지체로 사용하되, 상기 탄소 담지체의 구조를 2차원 막대형 또는 튜브형으로, 상기 탄소 담지체의 입자 크기를 나노 사이즈로 한정하는 경우, 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매로서 향상된 촉매 성능을 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
As a result, the inventors of the present invention conducted a study to develop a carbon-based carrier for further improving the selectivity of hydrogen and the production of hydrogen in the aquatic reforming reaction. As a result, mesoporous synthetic carbon was used as a catalyst support, When the structure of the carrier is limited to a two-dimensional rod-like or tubular shape and the particle size of the carbon support is limited to nano-size, it is confirmed that the catalyst exhibits improved catalytic performance as an aqueous phase reforming catalyst for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons And completed the present invention.

특허문헌 1: 대한민국 특허공개번호 제2008-0078911호Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 2008-0078911 특허문헌 2: 국제특허 WO 2007-075476호Patent Document 2: WO 2007-075476 특허문헌 3: 대한민국 특허공개번호 제2011-0109624호Patent Document 3: Korean Patent Publication No. 2011-0109624

비특허문헌 1: J.W. Shabaker, G.W. Huber, R.R. Davda, R.D. Cortright, J.A. Dumesic, Catal. Lett. 88 (2003) 1-8Non-Patent Document 1: J.W. Shabaker, G.W. Huber, R.R. Davda, R.D. Cortright, J.A. Dumesic, Catal. Lett. 88 (2003) 1-8 비특허문헌 2: X. Wang, N. Li, L.D. Pfefferle, G.L. Haller, Catal. Today. 146 (2009) 160-165Non-Patent Document 2: X. Wang, N. Li, L.D. Pfefferle, G.L. Haller, Catal. Today. 146 (2009) 160-165

본 발명의 목적은 수소 기체의 전환율, 생성수율 및 생성속도가 향상된 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매를 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a catalyst for an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons with improved conversion, production yield and production rate of hydrogen gas.

또한, 본 발명의 목적은 상기 촉매의 제조방법을 제공하는 데 있다.
It is also an object of the present invention to provide a process for producing the catalyst.

나아가, 본 발명의 목적은 상기 촉매를 이용하여 함산소 탄화수소의 수상개질 반응을 통해 수소를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method for producing hydrogen through an aeration reforming reaction of an oxygen-containing hydrocarbon using the catalyst.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은In order to achieve the above object,

메조다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금이 담지되고, 상기 탄소 담지체의 구조는 2차원 막대형 또는 2차원 튜브형이고, 상기 탄소 담지체의 평균 입자 크기는 50 nm 이상 1000 nm 미만인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매를 제공한다.
Platinum as a catalytically active metal is supported on the mesoporous carbon support, the structure of the carbon support is a two-dimensional rod-like or two-dimensional tube, and the average particle size of the carbon support is not less than 50 nm and less than 1000 nm The present invention provides a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon.

또한, 본 발명은 In addition,

평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형을 제조하는 단계(단계 1);Preparing a two-dimensional cylindrical mesoporous silica mold having an average particle size of from 50 nm to less than 1000 nm (step 1);

상기 단계 1의 주형의 기공 내에 탄수화물 수용액과 산의 혼합물 또는 탄소 고분자 전구체를 흡착시키고 건조 및 중합반응을 수행하는 단계(단계 2);(Step 2) of adsorbing a mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid or a carbon polymer precursor in the pores of the mold of step 1 and performing drying and polymerization reaction;

상기 단계 2의 주형의 기공 내에서 중합된 탄소 화합물을 열분해하여 탄화시키는 단계(단계 3);Pyrolyzing and carbonizing the carbon compound polymerized in the pores of the mold of step 2 (step 3);

상기 단계 3의 주형을 제거하여 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 메조 다공성 탄소 담지체를 제조하는 단계(단계 4); 및Removing the template in step 3 to prepare a mesoporous carbon support having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm (step 4); And

상기 단계 4의 규칙적인 메조 다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금을 함침시키는 단계(단계 5); 를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.
Impregnating the regular mesoporous carbon support of step 4 with platinum as a catalytically active metal (step 5); The present invention also provides a process for preparing a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon.

나아가, 본 발명은 상기 단계 1의 평균 입자 크기가 100 nm 이상 1000nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형이, Further, the present invention relates to a two-dimensional cylindrical mesoporous silica mold having an average particle size of 100 nm or more and less than 1000 nm of the step 1,

EO20PO70EO20, EO27PO61EO27, EO17PO85EO17, EO20PO30EO20, EO26PO39EO26, EO13PO70EO13 및 EO19PO33EO19 중어느 하나의 삼중블록 공중합체, 염산, 물 및 암모늄플로라이드의 혼합 용액으로부터 실리카 주형을 위한 구조유도체를 제조하는 단계(단계 a); EO 20 PO 70 EO 20, EO 27 PO 61 EO 27, EO 17 PO 85 EO 17, EO 20 PO 30 EO 20, EO 26 PO 39 EO 26, EO 13 PO 70 EO 13 and EO 19 PO 33 EO 19 Chinese Language Seine Preparing a structural derivative for a silica template from a mixed solution of one triblock copolymer, hydrochloric acid, water and ammonium fluoride (step a);

상기 단계 a의 혼합 용액에 실리케이트와 헵탄을 첨가하여 구조유도체와 실리케이트의 복합체를 형성하는 단계(단계 b); 및Adding a silicate and heptane to the mixed solution of step a to form a complex of a structural derivative and a silicate (step b); And

상기 단계 b의 복합체를 소성하여 구조유도체를 제거하는 단계(단계 c);를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.And a step of calcining the composite of step b) to remove the structural derivative (step c). The present invention also provides a method for preparing a catalyst for an aquatic reforming reaction.

(EO는 에틸렌 글리글리콜이고, PO는 프로필렌글리콜이다.)
(EO is ethylene glycol and PO is propylene glycol).

또한, 본 발명은 상기 촉매를 함산소 탄화수소와 접촉시키는 단계를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a process for preparing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon through an aquatic reforming reaction comprising contacting the catalyst with an oxygen-containing hydrocarbon.

본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매는 높은 표면적, 규칙적인 세공 구조, 균일한 메조기공을 갖는 메조다공성 탄소(Ordered Mesoporous Carbon, OMC)을 촉매 담지체로 사용하되, 상기 담지체의 탄소 골격을 2차원 막대 또는 튜브 형태로 한정하고, 상기 담지체의 입자 크기를 특정 나노 사이즈로 한정함으로써, 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응에 사용할 경우, 종래 마이크로크기의 메조다공성 탄소 담지체에 비해 표면적이 더 넓어 활성금속의 분산 정도를 높이고, 메조기공 구조가 더 잘 발달되어 물질전달과 확산속도가 더 빠른 특성으로 인해 수소 기체의 전환율, 생성수율 및 생성속도를 향상시키는 효과가 있다.
The catalyst for aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons according to the present invention uses a mesoporous carbon (OMC) having high surface area, regular pore structure and uniform mesopores as a catalyst support, When the carbon skeleton of the support is limited to a two-dimensional rod or tube shape and the particle size of the support is limited to a specific nano-size, when it is used in an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons, The production rate and the production rate of hydrogen gas are increased due to the improvement of the dispersion degree of the active metal and the better meso pore structure and the faster mass transfer and diffusion rate than the mesoporous carbon support of the mesoporous carbon support. .

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 - 2 및 비교예 1 - 2의 촉매 담지체의 전계방출형 주사전자현미경(FE_SEM)사진이다:
(a)실시예 1: 막대형의 나노크기의 CMK-3 메조다공성 탄소 담지체 촉매;
(b)실시예 2: 튜브형의 나노크기의 CMK-5 메조다공성 탄소 담지체 촉매;
(c)비교예 1: 막대형의 마이크로크기의 CMK-5 메조다공성 탄소 담지체 촉매;
(d)비교예 2: 튜브형의 마이크로 크기의 CMK-5 메조다공성 탄소 담지체 촉매
도 2는 본 발명 실시예 1에 따른 막대형의 나노크기의 CMK-3 메조다공성 탄소 담지체를 이용한 촉매의 (a)X선 회절 분석(XRD)과, (b)질소흡착등온선을 나타낸 그래프이다: BET(Brunauer-Emmett-Teller)표면적, 총 세공 부피 및 세공 크기는 질소흡착으로부터 얻은 결과이다.
도 3은 본 발명 실시예 2에 따른 튜브형의 나노크기의 CMK-5 메조다공성 탄소 담지체를 이용한 촉매의 (a)X선 회절 분석(XRD)과, (b)질소흡착등온선을 나타낸 그래프이다: BET(Brunauer-Emmett-Teller)표면적과 총 세공 부피 및 세공 크기는 질소흡착으로부터 얻은 결과이다.
1 is a field emission scanning electron microscope (FE_SEM) photograph of a catalyst carrier of Example 1 - 2 and Comparative Example 1 - 2 according to the present invention:
(a) Example 1: Rod-sized nanoscale CMK-3 mesoporous carbon support catalyst;
(b) Example 2: Tubular nanoscale CMK-5 mesoporous carbon support catalyst;
(c) Comparative Example 1: Rod-sized micro-sized CMK-5 mesoporous carbon support catalyst;
(d) Comparative Example 2: Tubular micro-sized CMK-5 mesoporous carbon support catalyst
2 is a graph showing (a) X-ray diffraction (XRD) and (b) nitrogen adsorption isotherms of a catalyst using a rod-shaped nano-sized CMK-3 mesoporous carbon support according to Example 1 of the present invention : BET (Brunauer-Emmett-Teller) Surface area, total pore volume and pore size are the results from nitrogen adsorption.
3 is a graph showing (a) X-ray diffraction (XRD) and (b) nitrogen adsorption isotherms of a catalyst using a tubular nano-sized CMK-5 mesoporous carbon support according to Example 2 of the present invention: BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area, total pore volume and pore size are the results from nitrogen adsorption.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 메조다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금이 담지되고, 상기 탄소 담지체의 구조는 2차원 막대형 또는 2차원 튜브형이고, 상기 탄소 담지체의 평균 입자 크기는 50 nm 이상 1000 nm 미만인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매를 제공한다.
The present invention relates to a mesoporous carbon support having platinum supported thereon as a catalytically active metal, the structure of the carbon support is a two-dimensional rod-like or two-dimensional tubular structure, an average particle size of the carbon support is not less than 50 nm and less than 1000 nm Wherein the catalyst is used in an aqueous reforming reaction to produce hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon.

본 발명에 의한 촉매는 높은 표면적, 규칙적인 세공 구조, 균일한 메조기공을 가지는 메조다공성 탄소를 담지체로 하며, 상기 탄소 담지체 구조는 2차원의 막대(rod) 또는 2차원의 튜브(tube) 형태를 가지면서도, 상기 탄소 담지체의 평균 입자 크기는 50 nm 이상 1000 nm 미만의 범위의 나노크기인 것을 특징으로 한다. 평균 입자 크기가 50nm 미만인 경우에는 백금입자가 이 담지체에 거의 함침이 일어나지 않는 문제점이 있으며, 1000nm 이상인 경우 상기 담지체에 활성금속인 백금을 함침시킬 경우, 고온, 고압의 수용액상에서 수상개질 반응이 일어날 때 촉매의 활성점으로 반응물과 생성물의 물질전달 및 확산속도가 낮아 수상개질 반응 활성을 증대시키기에 한계가 있다.
The catalyst according to the present invention is characterized in that mesoporous carbon having a high surface area, regular pore structure and uniform mesopores is supported on a support, and the carbon support structure is formed as a two-dimensional rod or a two-dimensional tube , And the average particle size of the carbon support is in the range of 50 nm to less than 1000 nm. When the average particle size is less than 50 nm, there is a problem that the platinum particles are hardly impregnated into the support. When the support is impregnated with platinum as an active metal in the case of 1000 nm or more, an aqueous reforming reaction is carried out in a high- There is a limitation in increasing the activity of the water modification reaction due to the low mass transfer and diffusion rate of the reactants and products as the active sites of the catalyst.

본 발명에 의한 촉매는 상기 특성에 기인하여 반응물과 가스 성분인 생성물이 좀 더 자유롭게 기공 내부와 외부로 이동할 수 있기 때문에 반응물이 촉매 활성점에서 반응하는 빈도를 높이고, 빠른 확산속도를 부여할 수 있으며, 구조적으로 안정하기 때문에 특히 수상개질 반응에 촉매로 적용시 높은 수열안정성을 가질 뿐만 아니라, 종래 마이크로크기의 메조다공성 탄소 담지체에 비해 더 넓어진 표면적으로 인해 활성금속의 분산을 용이하게 할 수 있으므로 수소의 전환율, 수율, 생성속도를 현저히 향상시키는 장점이 있다.
The catalyst according to the present invention can move the reaction product and the product as a gas component more freely into and out of the pores due to the above characteristics, thereby increasing the frequency at which the reactant reacts at the catalytic active site, , Because it is structurally stable, it has a high hydrothermal stability particularly when applied as a catalyst in a water modification reaction, and it can easily disperse the active metal due to a wider surface area than a conventional micro sized mesoporous carbon support, The conversion rate, the yield and the production rate of the catalyst are remarkably improved.

또한, 본 발명에 의한 촉매는 탄소 담지체로 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 CMK-3 또는 CMK-5 (CMK; Carbon Mesostructured by KAIST) 메조다공성 탄소합성물질을 사용할 수 있다. CMK-3는 2차원 막대 형태이며, CMK-5는 2차원 튜브형태로서 표면적이 높고, 세공구조가 규칙적이며, 균일한 메조기공을 갖는 장점이 있다.
The catalyst according to the present invention may be a CMK-3 or CMK-5 (CMK: Carbon Mesostructured by KAIST) mesoporous carbon composite material having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm as the carbon support. CMK-3 is a two-dimensional rod type, and CMK-5 is a two-dimensional tube type having a high surface area, regular pore structure, and uniform mesopores.

나아가, 본 발명에 의한 촉매는 메조다공성 탄소 담지체의 평균 세공 크기가 2 - 10 nm 이고, 평균 세공 부피가 1.0 - 2.5 cm3/g인 것을 특징으로 한다.
Furthermore, the catalyst according to the present invention is characterized in that the mesoporous carbon support has an average pore size of 2 - 10 nm and an average pore volume of 1.0 - 2.5 cm 3 / g.

상기 세공 크기와 세공 부피는 대응하는 마이크로크기 메조포러스 탄소 담지체의 세공 부피와 세공 크기에 비해 더 큰 크기를 가지므로 물질전달과 확산속도를 빠르게 할 수 있어 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응에 있어서 더욱 유용하게 사용할 수 있다.
The pore size and the pore volume are larger than the pore volume and the pore size of the corresponding micro-sized mesoporous carbon support, so that mass transfer and diffusion rate can be accelerated. It can be used more advantageously in the reforming reaction.

또한, 본 발명에 의한 촉매는 촉매활성 금속으로 VIIIB족 전이금속 및 VIII족 전이금속 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 활성금속 중 특히 백금은 수상개질 반응에서 함산소 탄화수소 전환율과 수소선택도가 높아 수소 생성속도를 극대화하는 장점이 있어 더욱 바람직하다.
Also, the catalyst according to the present invention may use any one of VIIIB transition metals and VIII transition metals as a catalytically active metal. Among the active metals, platinum is more preferable because it has an advantage of maximizing hydrogen production rate because of high oxygen conversion and hydrogen selectivity in the aquatic reforming reaction.

나아가, 본 발명에 의한 촉매는 촉매활성 금속인 백금의 함량이 담지체 100 중량부에 대하여 1.0 내지 10 중량부인 것이 바람직하며, 1.0 내지 5.0 중량부인 것이 더욱 바람직하다. 상기 메조다공성 탄소 담지체에 대하여 활성금속의 함량이 1.0 중량부 미만이면 활성금속의 담지량이 적어져 수상개질 반응의 촉매로서 활용도가 낮아지게 되며, 활성금속의 함량이 10 중량부 초과이면 담지된 활성금속의 뭉쳐짐 현상이 자주 일어나기 때문에 값비싼 귀금속 촉매의 양에 비해 촉매 활성이 높지 않게 되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
Further, the catalyst according to the present invention preferably has a platinum content of 1.0 to 10 parts by weight, more preferably 1.0 to 5.0 parts by weight, per 100 parts by weight of the support. If the content of the active metal is less than 1.0 part by weight, the amount of the supported active metal is decreased and the utilization of the activated metal as a catalyst for the water modification reaction is lowered. If the content of the active metal is more than 10 parts by weight, Metal clustering occurs frequently, so that the catalytic activity is not higher than the amount of expensive noble metal catalyst, which is not preferable.

또한, 본 발명에 의한 촉매는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질반응에 사용될 수 있으며, 상기 함산소 탄화수소는 에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 솔비톨(sorbitol), 수크로스(sucros), 당(sugar), 당 알코올(alcohol) 또는 자일리톨(xylitol) 등을 사용할 수 있다.
Also, the catalyst according to the present invention can be used in an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons, and the oxygen-containing hydrocarbons include ethylene glycol, glycerol, propylene glycol, sorbitol, sucros, sugars, sugar alcohols or xylitol may be used.

한편, 본 발명은 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형을 제조하는 단계(단계 1);On the other hand, the present invention relates to a process for producing a two-dimensional cylindrical mesoporous silica mold having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm (step 1);

상기 단계 1의 주형의 기공 내에 탄수화물 수용액과 산의 혼합물 또는 탄소 고분자 전구체를 흡착시키고 건조 및 중합반응을 수행하는 단계(단계 2);(Step 2) of adsorbing a mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid or a carbon polymer precursor in the pores of the mold of step 1 and performing drying and polymerization reaction;

상기 단계 2의 주형의 기공 내에서 중합된 탄소 화합물을 열분해하여 탄화시키는 단계(단계 3);Pyrolyzing and carbonizing the carbon compound polymerized in the pores of the mold of step 2 (step 3);

상기 단계 3의 주형을 제거하여 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 메조 다공성 탄소 담지체를 제조하는 단계(단계 4); 및Removing the template in step 3 to prepare a mesoporous carbon support having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm (step 4); And

상기 단계 4의 규칙적인 메조 다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금을 함침시키는 단계(단계 5); 를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.
Impregnating the regular mesoporous carbon support of step 4 with platinum as a catalytically active metal (step 5); The present invention also provides a process for preparing a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon.

이하, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, the method for preparing the catalyst for aqueous reforming reaction according to the present invention will be described in more detail.

먼저, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서 단계 1은 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형을 제조하는 단계이다.
First, in the method for producing a catalyst for an aqueous reforming reaction according to the present invention, step 1 is a step of preparing a two-dimensional cylindrical mesoporous silica template having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm.

구체적으로, 단계 1의 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형을 제조하는 단계는, Specifically, the step of preparing a two-dimensional cylindrical mesoporous silica mold having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm of Step 1,

EO20PO70EO20, EO27PO61EO27, EO17PO85EO17, EO20PO30EO20, EO26PO39EO26, EO13PO70EO13 및 EO19PO33EO19 중 어느 하나의 삼중블록 공중합체, 염산, 물 및 암모늄플로라이드의 혼합 용액으로부터 실리카 주형을 위한 구조유도체를 제조하는 단계(단계 a);EO 20 PO 70 EO 20 , EO 27 PO 61 EO 27 , EO 17 PO 85 EO 17 , EO 20 PO 30 EO 20 , EO 26 PO 39 EO 26 , EO 13 PO 70 EO 13 and EO 19 PO 33 EO 19 Preparing a structural derivative for a silica template from a mixed solution of one triblock copolymer, hydrochloric acid, water and ammonium fluoride (step a);

상기 단계 a의 혼합 용액에 실리케이트와 헵탄을 첨가하여 구조유도체와 실리케이트의 복합체를 형성하는 단계(단계 b); 및Adding a silicate and heptane to the mixed solution of step a to form a complex of a structural derivative and a silicate (step b); And

상기 단계 b의 복합체를 소성하여 구조유도체를 제거하는 단계(단계 c); 를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매의 제조방법. Firing the composite of step b) to remove the structural derivative (step c); Wherein the catalyst is prepared by a method comprising the steps of:

(EO는 에틸렌 글리글리콜이고, PO는 프로필렌글리콜이다.)
(EO is ethylene glycol and PO is propylene glycol).

종래, 특허문헌 2에는 마이크로 크기의 메조다공성 탄소 담지체에 활성금속을 함침한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법이 제시되어 있으나, 이 방법과 본 발명 제조방법의 차이점은 나노크기의 실리카 주형을 제조하는 단계이다.
Patent Document 2 discloses a method for producing a catalyst for an aquatic reforming reaction in which a micro-sized mesoporous carbon support is impregnated with an active metal. The difference between this method and the present invention is that a nano- .

즉, 본 발명에 따른 나노크기의 실리카 주형의 제조는 상기 단계 (a)와 같이 계면활성제인 삼중블럭공중합체로부터 실리카 주형 제조를 위한 구조유도체를 제조함에 있어서 암모늄 플로라이드(NH4F)를 더 첨가하고, 상기 단계 (b)와 같이 구조유도체와 실리케이트의 복합체를 제조함에 있어서 헵탄(Heptane)을 추가적으로 ej 첨가하여 실리카 주형의 제조시 수용액 상에서 입자를 잘 분산시켜 나노크기의 실리카 주형을 제조하는 것에 기술적 특징이 있다.
That is, in the production of the nano-sized silica mold according to the present invention, ammonium fluoride (NH 4 F) is added in the production of the structural derivative for the preparation of the silica mold from the surfactant trifunctional block copolymer as in the step (a) (B), the addition of heptane in the preparation of the composite of the structural derivative and the silicate as described in the above step (b), to prepare a nano-sized silica mold by well dispersing the particles in the aqueous solution during the production of the silica mold There are technical features.

한편, 본 발명에 따른 일실시예에 따르면 상기 삼중블록공중합체로 EO20PO70EO20, 상기 실리카원인 실리케이트로 테트라에틸오소실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS)를 사용할 수 있다.
Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, EO 20 PO 70 EO 20 may be used as the triblock copolymer, and tetraethyl orthosilicate (TEOS) may be used as the silica silicate.

다음으로, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 단계 1의 주형의 기공 내에 탄수화물 수용액과 산의 혼합물 또는 탄소 고분자 전구체를 흡착시키고 건조 및 중합반응을 수행하는 단계이다.
Next, in the method for preparing a catalyst for aqueous phase reforming according to the present invention, step 2 is a step of adsorbing a mixture of an aqueous solution of carbohydrate and an acid or a precursor of a carbon polymer in the pores of the template of step 1, .

구체적으로, 상기 단계 2의 탄소 고분자 전구체 또는 탄수화물 수용액과 산의 혼합물은 막대형의 탄소 담지체를 제조하기 위한 것으로 상기 탄소 고분자 전구체는 아세틸렌, 푸르푸릴 알콜, 다이비닐벤젠 등을 사용할수 있고, 탄수화물 수용액은 수크로스 또는 자일로스 등의 수용액을 사용할 수 있고, 상기 산은 탄화를 위한 촉매로서 황산 등을 사용할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 촉매 담지체는 수크로스 또는 자일로스 등의 탄수화물 수용액으로부터 제조할 수 있어 친환경적이며 경제적인 장점도 존재한다.
Specifically, the carbon polymer precursor in step 2 or a mixture of the carbohydrate aqueous solution and the acid is used for producing a rod-like carbon carrier, and the carbon polymer precursor may be acetylene, furfuryl alcohol, or divinylbenzene. Carbohydrates An aqueous solution such as sucrose or xylose can be used as the aqueous solution, and sulfuric acid or the like can be used as a catalyst for carbonization of the acid. That is, the catalyst carrier according to the present invention can be produced from a carbohydrate aqueous solution such as sucrose or xylose, thus being environmentally friendly and economical.

나아가, 상기 단계 2의 탄소 고분자 전구체는 튜브형의 탄소 담지체를 제조하기 위한 것으로 상기 탄소 고분자 전구체는 아세틸렌, 푸르푸릴 알콜, 다이비닐벤젠 등을 사용할 수 있다. 특히 튜브형의 탄소 담체의 경우 실리카 주형의 표면에서만 중합되어 제조되는 것으로 이를 위하여 상기 실리카 주형에 AlCl3 등을 함침시킨 후 실리카 표면에 산점을 생성시켜 실리카 표면의 산점에서 탄소 고분자 전구체의 중합이 시작되도록 할 수 있다.
Further, the carbon polymer precursor in step 2 is used for producing a tubular carbon carrier, and the carbon polymer precursor may be acetylene, furfuryl alcohol, or divinylbenzene. In particular, the tubular carbon carrier AlCl the silica template for this to be produced is polymerized only in the surface of the silica template 3 And then the acid sites are formed on the silica surface so that the polymerization of the carbon polymer precursor starts at the acid sites on the silica surface.

다음으로, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서 단계 3은 상기 단계 2의 주형의 기공 내에서 중합된 탄소 화합물을 열분해 하는 단계이다. 구체적으로, 상기 열분해는 질소 또는 진공 조건에서 수행될 수 있으며, 이로 인하여 중합된 탄소 화합물을 탄화시킬 수 있다.
Next, in the method for producing a catalyst for an aquatic reforming reaction according to the present invention, step 3 is a step of pyrolyzing a carbon compound polymerized in the pores of the mold of step 2 above. Specifically, the pyrolysis may be performed under nitrogen or vacuum conditions, thereby carbonizing the polymerized carbon compound.

다음으로, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서 단계 4는 상기 단계 3의 주형을 제거하여 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 메조 다공성 탄소 담지체를 제조하는 단계이다. 구체적으로 상기 주형의 제거는 예를 들어 HF이나 NaOH 용액으로 실리카를 에칭하는 방법에 의하여 수행될 수 있다.
Next, in the method for preparing a catalyst for an aqueous reforming reaction according to the present invention, Step 4 is a step of removing the template of Step 3 to prepare a mesoporous carbon support having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm. Specifically, removal of the template may be performed by, for example, a method of etching silica with HF or NaOH solution.

다음으로, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서 단계 5는 상기 단계 4의 규칙적인 메조 다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금을 함침시키는 단계이다.
Next, step 5 of the method for preparing an aqueous phase reforming catalyst according to the present invention is a step of impregnating a regular mesoporous carbon support of step 4 with platinum as a catalytically active metal.

구체적으로 상기 단계 5의 함침은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 함침방법에 의하여 수행될 수 있으나, 초기 습윤법(incipient wetness method)이 활성금속이 담체에 분산될 때 균일한 분산이 가능하므로 바람직하다. 상기 초기 습윤법은 활성금속의 전구체를 용매에 녹인 용액을 담지체에 가하는 방식으로 수행될 수 있다.
Specifically, the impregnation in step 5 may be performed by an impregnation method commonly used in the art, but the incipient wetness method is preferable because uniform dispersion can be achieved when the active metal is dispersed in the carrier. The initial wetting may be performed by adding a solution prepared by dissolving a precursor of an active metal in a solvent to a support.

한편, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매를 제공한다.
Meanwhile, the present invention provides a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from deoxygenated hydrocarbons produced by the above production method.

구체적으로, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 촉매는 높은 표면적, 규칙적인 세공 구조, 균일한 메조기공을 가지는 메조다공성 탄소를 담지체로 하며, 상기 탄소 담지체 구조는 2차원의 막대(rod) 또는 2차원의 튜브(tube) 형태를 가지면서도, 상기 탄소 담지체의 평균 입자 크기는 50 nm 이상 1000 nm 미만의 범위의 나노크기인 것을 특징으로 한다.
Specifically, the catalyst prepared by the process according to the present invention has mesoporous carbon having a high surface area, a regular pore structure and a uniform mesopore as a support, and the carbon support structure has a two-dimensional rod, Or a two-dimensional tube shape, and the average particle size of the carbon support is in the range of 50 nm to less than 1000 nm.

본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 촉매는 상기 특성에 기인하여 반응물과 가스 성분인 생성물이 좀 더 자유롭게 기공 내부와 외부로 이동할 수 있기 때문에 반응물이 촉매 활성점에서 반응하는 빈도를 높이고, 빠른 확산속도를 부여할 수 있으며, 구조적으로 안정하기 때문에 특히 수상개질 반응에 촉매로 적용시 높은 수열안정성을 가질 뿐만 아니라, 종래 마이크로크기의 메조다공성 탄소 담지체에 비해 더 넓어진 표면적으로 인해 활성금속의 분산을 용이하게 할 수 있으므로 수소의 전환율, 수율, 생성속도를 현저히 향상시키는 장점이 있다.
The catalyst prepared by the process according to the present invention can increase the frequency at which the reactant reacts at the catalytic active site because the reactant and the product as a gas component can move more freely into and out of the pores due to the above characteristics, Speed and can be imparted with a high structural stability, so that it has a high hydrothermal stability particularly when applied as a catalyst in an aqueous reforming reaction, and also because of the wider surface area than conventional micro sized mesoporous carbon supports, So that the conversion, yield and production rate of hydrogen can be remarkably improved.

나아가, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 촉매는 메조다공성 탄소 담지체의 평균 세공 크기가 2 - 10 nm 이고, 평균 세공 부피가 1.0 - 2.5 cm3/g인 것을 특징으로 한다.
Furthermore, the catalyst prepared by the process according to the present invention is characterized in that the mesoporous carbon support has an average pore size of 2 - 10 nm and an average pore volume of 1.0 - 2.5 cm 3 / g.

상기 세공 크기와 세공 부피는 대응하는 마이크로크기 메조포러스 탄소 담지체의 세공 부피와 세공 크기에 비해 더 큰 크기를 가지므로 물질전달과 확산속도를 빠르게 할 수 있어 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응에 있어서 더욱 유용하게 사용할 수 있다.
The pore size and the pore volume are larger than the pore volume and the pore size of the corresponding micro-sized mesoporous carbon support, so that mass transfer and diffusion rate can be accelerated. It can be used more advantageously in the reforming reaction.

한편, 본 발명은 본 발명에 따른 상기 촉매를 함산소 탄화수소와 접촉시키는 단계를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a process for preparing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon through an aquatic reforming reaction comprising contacting the catalyst according to the present invention with an oxygen-containing hydrocarbon.

이하, 본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for preparing hydrogen through the aquatic reforming reaction from the oxygen-containing hydrocarbon according to the present invention will be described in detail.

구체적으로, 본 발명에 따른 수소의 제조방법에 있어서 촉매를 함산소 탄화수소와 접촉시키는 단계는 수상개질 반응용 촉매가 충진된 고정층 반응기 안에 함산소 탄화수소를 주입함으로써 수행될 수 있다.
Specifically, in the method for producing hydrogen according to the present invention, the step of contacting the catalyst with the oxygen-containing hydrocarbon may be performed by injecting oxygen-containing hydrocarbon into the fixed-bed reactor filled with the catalyst for the aquatic reforming reaction.

또한, 본 발명에 따른 수소의 제조방법에 있어서, 수상개질 반응은 200 내지 300 ℃의 온도 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 반응 온도가 200 ℃ 미만인 경우 반응활성이 너무 낮은 문제점이 있으며, 반응 온도가 300 ℃ 초과인 경우 수소기체 전환율이 낮아지는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.
Further, in the method for producing hydrogen according to the present invention, the water modification reaction is preferably carried out at a temperature in the range of 200 to 300 ° C. If the reaction temperature is lower than 200 ° C, there is a problem that the reaction activity is too low, and when the reaction temperature is higher than 300 ° C, the hydrogen gas conversion rate is lowered, which is not preferable.

나아가, 본 발명에 따른 수소의 제조방법에 있어서, 수상개질 반응은 함산소 탄화수소를 0.01 - 5.0 cc/gcat.min 범위의 중량공간속도(WHSV: Weight Hour Space Velocity)로 반응기에 공급하면서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 중량공간속도가 0.01 cc/gcat.min 미만인 경우에는 반응물 주입량이 너무 작아 반응기 내에서 한쪽 방향으로 흐르는 현상(채널링, channeling)이 발생하여 일정한 반응이 일어나지 않는 문제점이 있으며, 5.0 cc/gcat.min 초과인 경우에는 반응물의 전환율이 너무 낮은 문제점이 있다.
Further, in the method for producing hydrogen according to the present invention, the water reforming reaction is carried out while supplying the oxygen-containing hydrocarbon to the reactor at a weight hour space velocity (WHSV) in the range of 0.01 to 5.0 cc / g cat.min desirable. When the weight-space velocity is less than 0.01 cc / gcat.min, the reactant injection amount is too small to cause a phenomenon of channeling in one direction in the reactor, There is a problem that the conversion rate of the reactant is too low.

본 발명에 따른 촉매를 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응에 적응하는 경우, 반응물과 가스 성분인 생성물이 좀 더 자유롭게 기공 내부와 외부로 이동할 수 있기 때문에 반응물이 촉매 활성점에서 반응하는 빈도를 높이고, 빠른 확산속도를 부여할 수 있으며, 구조적으로 안정하기 때문에 특히 수상개질 반응에 촉매로 적용시 높은 수열안정성을 가질 뿐만 아니라, 종래 마이크로크기의 메조다공성 탄소 담지체에 비해 더 넓어진 표면적으로 인해 활성금속의 분산을 용이하게 할 수 있으므로 수소의 전환율, 수율, 생성속도를 현저히 향상시킬 수 있다.
When the catalyst according to the present invention is adapted to an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from an oxygenated hydrocarbon, the reaction product reacts at the catalytic active site because the reactant and the product of the gas component can move more freely into and out of the pore It is possible to increase the frequency, to give a fast diffusion rate, and because it is structurally stable, it has not only high hydrothermal stability when applied as a catalyst in a water reforming reaction, but also has a wider surface area than conventional micro sized mesoporous carbon supports The dispersion of the active metal can be facilitated, so that the conversion, yield and production rate of hydrogen can be remarkably improved.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, but are not limited thereto.

<< 실시예Example 1>  1> 나노크기의Nano-sized 막대형  Bar 메조다공성Mesoporous CMKCMK -3 -3 탄소담지체Carbon support 촉매  catalyst

제조예Manufacturing example 1:  One: 나노크기의Nano-sized 메조다공성Mesoporous SBASBA -15 실리카 주형의 제조-15 Preparation of silica mold

삼중블록 공중합체인 EO20PO70EO20(상표명: Pluronic P123, EO: 에틸렌글리콜, PO: 프로필렌글리콜) 144g, 암모늄플로라이드(NH4F) 1.68g과 염산(HCL) 850g을 물 4100g에 혼합하여 교반한다. 다음으로 Pluronic P123이 완전히 녹으면 실리카원인 테트라에틸오소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS) 690g과 헵탄(heptane) 310g을 첨가한 후 강하게 교반시킨다. 다음으로 혼합용액이 에멀젼 형태가 되면 그 상태로 약 3 - 4 시간 숙성을 시킨 후 오븐에 넣어 100℃에서 24시간 동안 가열한다. 다음으로 제조가 끝난 반응물을 증류수로 세척하고 100℃로 건조한 후, Pluronic P123을 제거시키기 위해 550℃에서 5시간 유시시키면서 소성시켜 199g의 나노크기의 실린더형 메조다공성 SBA-15 실리카 주형을 제조하였다.
144 g of EO 20 PO 70 EO 20 (trade name: Pluronic P 123 , EO: ethylene glycol, PO: propylene glycol), 1.68 g of ammonium fluoride (NH4F) and 850 g of hydrochloric acid (HCL) do. Next, when Pluronic P 123 is completely dissolved, 690 g of tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a silica and 310 g of heptane are added and stirred vigorously. Next, if the mixed solution becomes an emulsion form, it is aged for 3 - 4 hours in that state, and then it is heated in an oven at 100 ° C. for 24 hours. Next, the prepared reaction product was washed with distilled water, dried at 100 ° C., and then fired at 550 ° C. for 5 hours to remove Pluronic P 123 , thereby preparing 199 g of nano-sized cylindrical mesoporous SBA-15 silica mold .

제조예 2: 나노크기의 메조다공성 알루미노실리케이트 Al-SBA-15의 제조Preparation Example 2: Preparation of nanoscale mesoporous aluminosilicate Al-SBA-15

다음으로, 나노크기의 메조다공성알루미노실리케이트(Alumino silicate)형인 Al-SBA-15 주형을 만들기 위해서 실시예 1의 단계 1에서 제조한 SBA-15 실리카 주형 1g당 AlCl3 0.111g (Si/Al=20)에 에탄올 용액 50ml을 혼합하여, 약 30분 동안 잘 교반한 후, 에탄올을 증발 제거하고 건조시킨 후 다시 550℃에서 5시간 유지시키면서 소성시켜 나노크기의 메조다공성 알루미노실리케이트 Al-SBA-15를 제조하였다.
Next, to make a nano-sized mesoporous Al-silicate-type Al-SBA-15 mold, 0.111 g of AlCl 3 (Si / Al = 1 mol) per gram of the SBA-15 silica mold prepared in Step 1 of Example 1, 20) was mixed with 50 ml of the ethanol solution and stirred well for about 30 minutes. The ethanol was removed by evaporation, dried and then calcined at 550 ° C for 5 hours to obtain a nano-sized mesoporous aluminosilicate Al-SBA-15 .

제조예 3: 나노크기의 메조다공성 CMK-3 탄소담지체의 제조Preparation Example 3: Preparation of nano-sized mesoporous CMK-3 carbon support

나노크기 메조다공성 실리카 Al-SBA-15 10 g에 푸르푸릴 알코올 8.5 g을 5회에 걸쳐 단계적으로 함침하여 35 ℃에서 1시간 동안 확산시키고, 온도를 100 ℃로 올려 1시간 동안 건조시킨 후 350 ℃에서 3시간 동안 유지시켜 초기 탄화시킨다. 이어서 메조다공성 실리카/탄소 합성물에 다시 푸르푸릴 알코올 5.5 g을 함침한 후 35 ℃에서 1시간 동안 확산시키고, 100 ℃에서 1시간 동안 건조를 수행하였다. 이어서 탄화는 350 ℃에서 3시간 초기 탄화시킨 후, 최종적으로 900 ℃에서 2시간 동안 탄화시킨다. 이렇게 제조된 실리카/탄소 복합합성물은 10% HF용액을 사용하여 2회에 걸쳐 실리카 물질을 에칭(etching)시켜 실리카를 녹이고 에탄올과 증류수를 사용하여 2회에 걸쳐 세척 및 여과를 실시한 후, 100 ℃에서 12시간 이상 건조시켜 나노크기 CMK-3 담지체를 제조하였다.
Ten grams of nano-sized mesoporous silica Al-SBA-15 was impregnated with 8.5 g of furfuryl alcohol in five steps, spread at 35 DEG C for 1 hour, heated to 100 DEG C for 1 hour, dried at 350 DEG C For 3 hours to initial carbonize. Subsequently, the mesoporous silica / carbon composite was impregnated again with 5.5 g of furfuryl alcohol, spread at 35 DEG C for 1 hour, and dried at 100 DEG C for 1 hour. Subsequently, the carbonization is initially carbonized at 350 ° C for 3 hours, and finally carbonated at 900 ° C for 2 hours. The silica / carbon composite composite thus prepared was washed and filtered twice with ethanol and distilled water by dissolving silica by etching the silica material twice using a 10% HF solution, For 12 hours or longer to prepare nano-sized CMK-3 support.

제조예Manufacturing example 4: 백금 담지  4: Supporting platinum 나노크기의Nano-sized 메조다공성Mesoporous CMKCMK -3 -3 탄소담지체Carbon support 촉매의 제조 Preparation of Catalyst

먼저, 백금의 전구체로 헥사클로로 플라티닉엑시드(Hexachloro platinic acid, H2PtCl6) 0.1850 g, 아세톤 3 ml을 혼합하여 균일한 용액을 만든 후 초기 습윤법을 사용하여 상기 제조된 나노크기의 막대형 메조다공성 CMK-3 탄소담지체에 백금을 함침시켰다. 즉, 1.0 g의 탄소담지체에 상기 제조한 백금 전구체 혼합 용액을 3회에 나누어서 주입한 후 혼합자치(voltex unit)를 이용하여 잘 혼합시킨 후, 상온에서 1시간 정도 정체시키고, 유리병의 뚜껑을 약간 연 상태에서 60℃에서 2시간 동안 건조시킨 후, 계속해서 유리병의 뚜껑을 완전히 연 상태에서 60℃에서 6시간 동안 더 건조하였다. 최종적으로 120℃에서 12시간 건조과정을 거침으로써 실시예 2의 촉매의 제조를 완성하였다. 제조된 촉매는 7wt% Pt/Nano-CMK-3으로 명명하였다.
First, 0.1850 g of hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 ) as a precursor of platinum and 3 ml of acetone were mixed to prepare a homogeneous solution. Then, using the initial wetting method, The mesoporous CMK-3 carbon support was impregnated with platinum. That is, 1.0 g of the carbon carrier was poured into the prepared platinum precursor mixture solution three times, mixed well using a voltex unit, stuck at room temperature for about 1 hour, Was dried at 60 DEG C for 2 hours in a slightly opened state, and then further dried at 60 DEG C for 6 hours with the lid of the glass bottle completely opened. Finally, the catalyst was dried at 120 ° C for 12 hours to complete the preparation of the catalyst of Example 2. The prepared catalyst was named 7 wt% Pt / Nano-CMK-3.

<< 실시예Example 2> 튜브형  2> Tubular type 나노크기의Nano-sized CMKCMK -5 -5 탄소담지체Carbon support 촉매  catalyst

제조예Manufacturing example 1: One: 나노크기의Nano-sized 메조다공성Mesoporous SBASBA -15 실리카 주형의 제조-15 Preparation of silica mold

실시예 1의 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 나노크기의 실린더형 메조다공성 SBA-15 실리카 주형을 제조하였다.
A cylindrical nano-sized mesoporous SBA-15 silica mold was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 of Example 1.

제조예Manufacturing example 2:  2: 나노크기의Nano-sized 메조다공성Mesoporous 알루미노실리케이트Aluminosilicate AlAl -- SBASBA -15의 제조Manufacture of -15

다음으로, 나노크기의 메조다공성알루미노실리케이트(Alumino silicate)형인 Al-SBA-15 주형을 만들기 위해서 실시예 1의 단계 1에서 제조한 SBA-15 실리카 주형 1g당 AlCl3 0.111g (Si/Al=20)에 에탄올 용액 50ml을 혼합하여, 약 30분 동안 잘 교반한 후, 에탄올을 증발 제거하고 건조시킨 후 다시 550℃에서 5시간 유지시키면서 소성시켜 나노크기의 메조다공성 알루미노실리케이트 Al-SBA-15를 제조하였다.
Next, to make a nano-sized mesoporous Al-silicate-type Al-SBA-15 mold, 0.111 g of AlCl 3 (Si / Al = 1 mol) per gram of the SBA-15 silica mold prepared in Step 1 of Example 1, 20) was mixed with 50 ml of the ethanol solution and stirred well for about 30 minutes. The ethanol was removed by evaporation, dried and then calcined at 550 ° C for 5 hours to obtain a nano-sized mesoporous aluminosilicate Al-SBA-15 .

제조예Manufacturing example 3:  3: 나노크기의Nano-sized 메조다공성Mesoporous CMKCMK -5 -5 탄소담지체의Carbon support 제조 Produce

나노크기 CMK-5인 경우에는 메조다공성 실리카 Al-SBA-15 10g에 푸르푸릴 알코올 8.5g을 5회에 걸쳐 단계적으로 함침한 후, 진공 하에서 CMK-3와 같은 방법으로 제조하였다.
In the case of nano-sized CMK-5, 8.5 g of furfuryl alcohol was impregnated stepwise 5 times in 10 g of mesoporous silica Al-SBA-15, and then prepared in the same manner as in CMK-3 under vacuum.

제조예Manufacturing example 4: 백금 담지  4: Supporting platinum 나노크기의Nano-sized 메조다공성Mesoporous CMKCMK -5 -5 탄소담지체Carbon support 촉매의 제조 Preparation of Catalyst

실시예 1의 제조예 4과 동일한 방법을 수행하여 나노크기의 메조다공성 CMK-5 탄소담지체에 백금이 함침된 촉매를 제조하였으며, 제조된 촉매는 7 wt% Pt/Nano-CMK-5로 명명하였다.
The procedure of Preparation Example 4 of Example 1 was followed to prepare a catalyst impregnated with platinum in a nano-sized mesoporous CMK-5 carbon support. The prepared catalyst was designated as 7 wt% Pt / Nano-CMK-5 Respectively.

<< 비교예Comparative Example 1> 막대형 마이크로크기의  1> bar size micro size CMKCMK -3 -3 탄소담지체Carbon support 촉매 catalyst

실시예 1의 제조예 1에서 암모늄플로라이드(NH4F)와 헵탄(heptane)을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 1의 막대형 마이크로크기의 CMk-3 탄소담지체 촉매를 제조하였으며, 제조된 촉매는 7 wt% Pt/Micro-CMK-3으로 명명하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that ammonium fluoride (NH4F) and heptane were not used in Preparation Example 1 of Example 1 to prepare the rod-like micro-sized CMk-3 carbon felds of Comparative Example 1 The late catalyst was prepared and the prepared catalyst was named 7 wt% Pt / Micro-CMK-3.

<< 비교예Comparative Example 2> 튜브형 마이크로크기의  2> tubular micro-sized CMKCMK -5 -5 탄소담지체Carbon support 촉매 catalyst

실시예 2의 제조예 1에서 암모늄플로라이드(NH4F)와 헵탄(heptane)을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 1의 막대형 마이크로크기의 CMk-3 탄소담지체 촉매를 제조하였으며, 제조된 촉매는 7 wt% Pt/Micro-CMK-3으로 명명하였다.
The same procedure as in Example 1 was carried out except that ammonium fluoride (NH4F) and heptane were not used in Preparation Example 1 of Example 2 to obtain a rod-like micro-sized CMk-3 carbon fiber of Comparative Example 1 The late catalyst was prepared and the prepared catalyst was named 7 wt% Pt / Micro-CMK-3.

<< 실험예Experimental Example 1> 촉매  1> catalyst 담지체의Carrier 물성 평가 Property evaluation

본 발명에 따른 실시예 1 - 2의 나노크기의 메조다공성 CMK-3 및 CMK-5 탄소담지체와 비교예 1 -2의 마이크로크기의 메조다공성 CMK-3 및 CMK-5 탄소담지체의 물성을 평가하기 위하여, 도 1에 상기 탄소담지체들의 전계방출형 주사전자현미경 사진을 나타내었으며, XRD 회절분석 및 질소흡탈착 등온선을 각각 도 2(나노크기의 메조다공성 CMK-3)및 도 3(나노크기의 메조다공성 CMK-5)에 나타내었다. 나아가, 탄소담지체의 입자 크기, 질소흡착으로부터 얻은 BET 표면적, 세공 부피 및 세공 크기를 비교하여 하기 표 1에 나타내었다.
The physical properties of the nanoscale mesoporous CMK-3 and CMK-5 carbon supports of Example 1-2 according to the present invention and the micro-sized mesoporous CMK-3 and CMK-5 carbon supports of Comparative Example 1-2 For evaluation, FIG. 1 shows the field emission scanning electron microscopic photographs of the above-mentioned carbon carriers, XRD diffraction analysis and nitrogen adsorption / desorption isotherms are shown in FIG. 2 (nanoscale mesoporous CMK-3) and FIG. 3 Size mesoporous CMK-5). Further, the particle size of the carbon support, the BET surface area obtained from the nitrogen adsorption, the pore volume and the pore size are shown in Table 1 below.

촉매 catalyst 담지체의Carrier 물성 비교 Comparison of physical properties 물질matter 평균 입자크기
(μm)
Average particle size
(μm)
BET 표면적
(m2/g)
BET surface area
(m 2 / g)
세공 부피
(cm3/g)
Pore volume
(cm &lt; 3 &gt; / g)
세공 크기
(nm)
Pore Size
(nm)
마이크로 SBA-15Micro SBA-15 -- 807807 0.840.84 8.08.0 비교예 1:
마이크로 CMK-3
Comparative Example 1:
Micro CMK-3
3.03.0 11241124 1.101.10 3.83.8
비교예 2:
마이크로 CMK-5
Comparative Example 2:
Micro CMK-5
3.03.0 16301630 1.491.49 3.2, 4.43.2, 4.4
나노 SBA-15Nano SBA-15 -- 412412 0.900.90 10.910.9 실시예 1:
나노 CMK-3
Example 1:
Nano CMK-3
0.50.5 977977 1.281.28 6.56.5
실시예 2:
나노 CMK-5
Example 2:
Nano CMK-5
0.50.5 15501550 2.272.27 4.0, 8.34.0, 8.3

그 결과, 도 1의 전계방출형 주사전자현미경 사진을 참조하면 본 발명에 따른 실시예 1 - 2의 나노크기의 메조다공성 CMK-3 및 CMK-5 탄소담지체의 평균 입자크기는 500nm이고, 입자모양이 2차원 막대형태임을 확인할 수 있다(튜브 형태는 도시되지 않음).
1, the average particle size of the nano-sized mesoporous CMK-3 and CMK-5 carbon supports of Example 1 - 2 according to the present invention was 500 nm, It can be confirmed that the shape is a two-dimensional bar shape (tube shape is not shown).

나아가, 본 발명의 실시예에 따른 나노크기의 메조다공성 CMK-3 및 CMK-5 탄소담지체의 세공부피와 세공크기는 대응하는 비교예에 따른 마이크로 크기의 CMK-3 및 CMK-5 탄소담지체에 비해 더 증가하였음을 확인할 수 있다.
Further, the pore volume and pore size of the nano-sized mesoporous CMK-3 and CMK-5 carbon supports according to the present invention were measured using micro-sized CMK-3 and CMK-5 carbon supports In comparison with the other groups.

또한, 튜브형의 CMK-5 탄소 담지체의 경우 추가적인 메조기공이 하나 더 생기는 것을 확인할 수 있는데 이는 탄소 막대 사이에 균일한 크기의 메조기공에 더하여, 튜브형의 경우 튜브 안쪽의 메조기공이 추가적으로 만들어지기 때문인 것으로 사료된다.
In addition, it can be seen that, in the case of the tubular CMK-5 carbon carrier, one additional mesopore is generated because the mesopores in the inner side of the tube are additionally formed in addition to mesopores of uniform size between the carbon rods .

<< 실험예Experimental Example 2>  2> 수상개질Water reform 반응에 의한 촉매 성능 평가 Evaluation of Catalyst Performance by Reaction

본 발명의 실시예에 따른 촉매의 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응에 있어서 촉매 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 - 2 및 비교예 1 - 2의 촉매를 이용하여 폴리올을 수상개질 반응시키고, 수소 기체 전환율, 수소의 수율 및 수소의 생성속도를 계산하여 그 결과를 하기 표 2 및 3에 나타내었다.
In order to confirm the catalyst performance in the aquatic reforming reaction for producing hydrogen from the deoxygenated hydrocarbon of the catalyst according to the embodiment of the present invention, the catalyst of Example 1 - 2 and Comparative Example 1 - The hydrogen gas conversion rate, the yield of hydrogen, and the rate of hydrogen generation were calculated, and the results are shown in Tables 2 and 3 below.

촉매를 이용한 에틸렌글리콜 및 글리세롤의 Catalyzed Ethylene Glycol and Glycerol 수상개질Water reform 반응 reaction

구체적으로 폴리올의 수상개질 반응에 의한 촉매의 성능 평가는 1/2인치 관형 고정층 촉매반응시스템을 이용하여 수행하였다. 사용된 촉매량은 0.3 g이었으며, 반응에 앞서 수소 흐름 하에서 260 ℃로 6시간 동안 환원 후 10 wt%의 폴리올 수용액(표 2: 에틸렌 글리콜 수용액, 표 3: 글리세롤 수용액) HPLC 펌프를 이용하여 0.1 cc/min의 속도로 반응기에 공급하였다. 다음으로 시간당 중량공간속도(WHSV: Weight Hour Space Velocity)는 0.1 cc/gcat.min으로 일정하게 고정하고, 온도와 압력을 250 ℃, 45 기압 조건으로 일정하게 유지시키고 폴리올 수용액으로부터 수상개질 반응을 통해 수소를 제조하였다.
Specifically, the performance evaluation of the catalyst by the aqueous reforming reaction of the polyol was carried out using a 1/2 inch tubular fixed bed catalytic reaction system. The amount of the catalyst used was 0.3 g. After the reaction was reduced to 260 ° C under hydrogen flow for 6 hours before the reaction, a 0.1 wt% polyol aqueous solution (Table 2: aqueous ethylene glycol solution, Table 3: glycerol aqueous solution) min. &lt; / RTI &gt; Next, the weight hour space velocity (WHSV) was fixed to 0.1 cc / gcat.min, and the temperature and pressure were kept constant at 250 ° C. and 45 atm. Hydrogen was produced.

수소 기체 전환율, 수소의 수율 및 수소의 생성속도 계산Calculation of hydrogen gas conversion rate, hydrogen yield and hydrogen production rate

수상개질 반응 후 생성된 가스상 생성물은 내부 표준물질(internal standard)로 질소를 사용하여 carboxen 1000 팩키드 컬럼(packed column)과 GS-GASPRO 캐필러리 컬럼(capillary column)이 각각 장착된 GC-TCD와 FID를 통해 정량 분석하였다. 반응원료 중 탄소 성분을 기준으로 한 폴리올로부터 수소 기체로의 전환율, 수소의 수율, 수소의 생성속도는 하기 수학식 1 - 3을 이용하여 계산하였다. 나아가, 상기 반응원료 중 탄소 성분을 기준으로 한 기체 전환율이 높을수록 수소의 생산량이 높아짐을 의미한다.
The gaseous products produced after the water reforming reaction were analyzed using a GC-TCD equipped with a carboxen 1000 packed column and a GS-GASPRO capillary column using nitrogen as an internal standard And quantitatively analyzed by FID. The conversion rate of the polyol to the hydrogen gas, the yield of hydrogen, and the production rate of hydrogen based on the carbon component in the reaction raw materials were calculated using the following Equation 1 - 3. Further, the higher the gas conversion rate based on the carbon content in the reaction raw material, the higher the production amount of hydrogen is.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure pat00002
Figure pat00002

(에틸렌글리콜인 경우 반응식:(CH2)2(OH)2 + 2H2O → 2CO2 + 5H2 (In the case of ethylene glycol: (CH 2 ) 2 (OH) 2 + 2H 2 O → 2CO 2 + 5H 2

글리세롤인 경우 반응식: C3H5(OH)3+3H2O → 3CO2 + 7H2
Glycerol Reaction formula: C 3 H 5 (OH) 3 + 3H 2 O → 3CO 2 + 7H 2

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

수소의 생성속도(cc/gcat.min) = 질소의 내부표준물질을 기준으로 GC의 TCD에서 검출되는 수소의 양을 정량한 후 촉매의 그램당 분당 수소의 생성속도.
The rate of hydrogen production (cc / gcat.min) = the rate of hydrogen production per minute per gram of catalyst after quantifying the amount of hydrogen detected in the TCD of the GC, based on the internal standard of nitrogen.

에틸렌글리콜의 Of ethylene glycol 수상개질Water reform 반응에서 촉매의 성능 평가 Evaluation of catalyst performance in reaction 구 분division 사용한 촉매의 종류 Type of catalyst used 수소 기체의 전환율
(%)
Conversion of hydrogen gas
(%)
수소의 수율
(%)
The yield of hydrogen
(%)
수소의 생성속도
(cc/gcat.min)
Hydrogen production rate
(cc / gcat.min)
실시예 1Example 1 7 wt% Pt/나노-CMK-37 wt% Pt / nano-CMK-3 73.473.4 75.275.2 50.150.1 실시예 2Example 2 7 wt% Pt/나노-CMK-57 wt% Pt / nano-CMK-5 88.088.0 86.386.3 57.557.5 비교예 1Comparative Example 1 7 wt% Pt/마이크로-CMK-37 wt% Pt / micro-CMK-3 70.470.4 72.672.6 45.145.1 비교예 2Comparative Example 2 7 wt% Pt/마이크로-CMK-57 wt% Pt / Micro-CMK-5 79.579.5 77.077.0 53.353.3

글리세롤의 Glycerol 수상개질Water reform 반응에서 촉매의 성능 평가 Evaluation of catalyst performance in reaction 구 분division 사용한 촉매의 종류 Type of catalyst used 수소 기체의 전환율 (%)Conversion of hydrogen gas (%) 수소의 수율
(%)
The yield of hydrogen
(%)
수소의 생성속도
(cc/gcat.min)
Hydrogen production rate
(cc / gcat.min)
실시예 1Example 1 7 wt% Pt/나노-CMK-37 wt% Pt / nano-CMK-3 55.455.4 50.150.1 35.635.6 실시예 2Example 2 7 wt% Pt/나노-CMK-57 wt% Pt / nano-CMK-5 73.873.8 62.962.9 44.744.7 비교예 1Comparative Example 1 7 wt% Pt/마이크로-CMK-37 wt% Pt / micro-CMK-3 47.847.8 38.138.1 27.127.1 비교예 2Comparative Example 2 7 wt% Pt/마이크로-CMK-57 wt% Pt / Micro-CMK-5 56.056.0 53.953.9 38.338.3

그 결과 상기 표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 동일한 함량의 백금 촉매활성금속을 담지시켰음에도 불구하고 담지체의 종류에 따라 수소 기체의 전환율, 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
As a result, as shown in Tables 2 and 3, although the same amount of the platinum catalytically active metal was loaded, the conversion rate of hydrogen gas, the yield of hydrogen, and the rate of hydrogen generation differ depending on the type of the carrier Can be confirmed.

구체적으로, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 2의 나노크기의 메조다공성 CMK-3 및 CMK-5 탄소담지체 촉매의 경우 대응하는 마이크로 크기의 탄소담지체 촉매에 비해 수소기체의 전환율, 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 높음을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 2의 촉매 담지체의 마이크로가 아닌 나노사이즈의 입자크기로 인한 표면적 증가 및 담지체의 메조포러스 구조가 마이크로크기의 담지체에 비해 더 잘 발달 되어 있는 특성에 기인하여, 활성금속의 분산정도를 향상시키고, 물질이동 및 확산속도가 더 빨라질 뿐만 아니라 높은 수열안정성을 가지기 때문인 것으로 사료된다.
Specifically, the nano-sized mesoporous CMK-3 and CMK-5 carbon support catalysts of Examples 1 and 2 according to the present invention exhibited a higher conversion rate of hydrogen gas, hydrogen And the production rate of hydrogen is high. This is because the surface area increase due to the nano-sized particle size of the microcavities of the catalyst carrier of Examples 1 and 2 according to the present invention and the mesoporous structure of the carrier are more developed than the micro-sized carrier It is believed that this is because the degree of dispersion of the active metal is improved and the material migration and diffusion rate is not only faster but also has high hydrothermal stability.

한편, 실시예 2와 비교예 2의 튜브형 담지체 촉매의 경우 대응하는 막대형 담지체 촉매에 비하여 수소 기체의 전환율, 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 높음을 확인할 수 있다. 이는 튜브형의 담지체가 막대형의 담지체에 비하여 보다 넓은 표면적을 가지고, 추가적인 메조기공을 가지기 때문에 촉매활성금속이 탄소 담지체에 고르게 분산되고 반응물과 생성물의 확산이 잘되기 때문인 것으로 사료된다.
On the other hand, in the case of the tubular support catalyst of Example 2 and Comparative Example 2, it can be confirmed that the conversion rate of hydrogen gas, the yield of hydrogen and the generation rate of hydrogen are higher than that of the corresponding rod-shaped support catalyst. This is considered to be because the tubular support has a larger surface area than the rod-like support and has additional mesopores, so that the catalytically active metal is uniformly dispersed in the carbon support and diffusion of the reactants and products is good.

상기 실험결과로부터 본 발명에 따른 나노크기의 메조다공성 탄소 담지체 촉매는 종래 마이크로크기의 메조다공성 탄소 담지체 촉매에 비해 수소기체의 전환율, 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 더 향상되는 효과가 있으므로, 함산소탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매로서 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다. From the above experimental results, the nanosized mesoporous carbon support catalyst according to the present invention has the effect of further improving the conversion rate of hydrogen gas, the yield of hydrogen and the production rate of hydrogen, compared with the conventional mesoporous mesoporous carbon catalyst , It can be used as a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons.

Claims (10)

메조다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금이 담지되고, 상기 탄소 담지체의 구조는 2차원 막대형 또는 2차원 튜브형이고, 상기 탄소 담지체의 평균 입자 크기는 50 nm 이상 1000 nm 미만인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매.
Platinum as a catalytically active metal is supported on the mesoporous carbon support, the structure of the carbon support is a two-dimensional rod-like or two-dimensional tube, and the average particle size of the carbon support is not less than 50 nm and less than 1000 nm A catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons.
제1항에 있어서, 상기 메조다공성 탄소 담지체는 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 CMK-3 또는 CMK-5(CMK; Carbon Mesostructured by KAIST)인 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매.
The catalyst for an aqueous modification reaction according to claim 1, wherein the mesoporous carbon support is CMK-3 or CMK-5 (CMK: Carbon Mesostructured by KAIST) having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm.
제1항에 있어서, 상기 메조다공성 탄소 담지체는 평균 세공 크기가 2 - 10 nm 인 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매.
The catalyst for an aquatic reforming reaction according to claim 1, wherein the mesoporous carbon support has an average pore size of 2 - 10 nm.
제1항에 있어서, 상기 메조다공성 탄소 담지체는 평균 세공 부피가 1.0 - 2.5 cm3/g 인 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매.
The catalyst for an aqueous reforming reaction according to claim 1, wherein the mesoporous carbon support has an average pore volume of 1.0 - 2.5 cm 3 / g.
제1항에 있어서, 상기 촉매활성 금속인 백금의 함량은 담지체 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매.
The catalyst for an aquatic reforming reaction according to claim 1, wherein the content of platinum as the catalytically active metal is 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the carrier.
제1항에 있어서, 상기 함산소 탄화수소는 에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 솔비톨, 수크로스, 당, 당 알코올 및 자일리톨로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매.
The catalyst for an aqueous reforming reaction according to claim 1, wherein the oxygen-containing hydrocarbon is at least one selected from the group consisting of ethylene glycol, glycerol, propylene glycol, sorbitol, sucrose, sugar, sugar alcohol and xylitol.
평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형을 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 주형의 기공 내에 탄수화물 수용액과 산의 혼합물 또는 탄소 고분자 전구체를 흡착시키고 건조 및 중합반응을 수행하는 단계(단계 2);
상기 단계 2의 주형의 기공 내에서 중합된 탄소 화합물을 열분해하여 탄화시키는 단계(단계 3);
상기 단계 3의 주형을 제거하여 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 메조 다공성 탄소 담지체를 제조하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4의 규칙적인 메조 다공성 탄소 담지체에 촉매활성 금속으로 백금을 함침시키는 단계(단계 5);
를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법.
Preparing a two-dimensional cylindrical mesoporous silica mold having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm (step 1);
(Step 2) of adsorbing a mixture of an aqueous carbohydrate solution and an acid or a carbon polymer precursor in the pores of the mold of step 1 and performing drying and polymerization reaction;
Pyrolyzing and carbonizing the carbon compound polymerized in the pores of the mold of step 2 (step 3);
Removing the template in step 3 to prepare a mesoporous carbon support having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm (step 4); And
Impregnating the regular mesoporous carbon support of step 4 with platinum as a catalytically active metal (step 5);
Wherein the hydrogen-containing hydrocarbon is a hydrogen-containing hydrocarbon.
제7항에 있어서, 단계 1의 평균 입자 크기가 50 nm 이상 1000 nm 미만인 2차원 실린더형 메조 다공성 실리카 주형을 제조하는 단계는,
EO20PO70EO20, EO27PO61EO27, EO17PO85EO17, EO20PO30EO20, EO26PO39EO26, EO13PO70EO13 및 EO19PO33EO19 중 어느 하나의 삼중블록 공중합체, 염산, 물 및 암모늄플로라이드의 혼합 용액으로부터 실리카 주형을 위한 구조유도체를 제조하는 단계(단계 a);
상기 단계 a의 혼합 용액에 실리케이트와 헵탄을 첨가하여 구조유도체와 실리케이트의 복합체를 형성하는 단계(단계 b); 및
상기 단계 b의 복합체를 소성하여 구조유도체를 제거하는 단계(단계 c);
를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 수상개질 반응용 촉매의 제조방법.
(제8항에 있어서, EO는 에틸렌 글리글리콜이고, PO는 프로필렌글리콜이다.)
8. The method of claim 7, wherein the step of preparing a two-dimensional cylindrical mesoporous silica mold having an average particle size of 50 nm or more and less than 1000 nm,
EO 20 PO 70 EO 20 , EO 27 PO 61 EO 27 , EO 17 PO 85 EO 17 , EO 20 PO 30 EO 20 , EO 26 PO 39 EO 26 , EO 13 PO 70 EO 13 and EO 19 PO 33 EO 19 Preparing a structural derivative for a silica template from a mixed solution of one triblock copolymer, hydrochloric acid, water and ammonium fluoride (step a);
Adding a silicate and heptane to the mixed solution of step a to form a complex of a structural derivative and a silicate (step b); And
Firing the composite of step b) to remove the structural derivative (step c);
Wherein the catalyst is prepared by a method comprising the steps of:
(EO is ethylene glyglycol and PO is propylene glycol).
제7항의 제조방법에 의하여 제조되는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매.
A catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon produced by the process of claim 7.
제1항 또는 제9항의 촉매를 함산소 탄화수소와 접촉시키는 단계를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조방법. A process for the production of hydrogen via an aquatic reforming reaction from an oxygen-containing hydrocarbon comprising contacting the catalyst of claim 1 or 9 with an oxygen-containing hydrocarbon.
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