KR20140104636A - Cobalt catalyst for fischer tropsh synthesis, preparation method of the same, and method of liqiud hydrocarbon using the same - Google Patents
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- C10G2/332—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen with the use of catalysts characterised by the catalyst used containing group VIII-metals of the iron-group
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
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Abstract
Description
본원발명은 천연가스, 석탄 또는 바이오매스 등의 가스화에 의해 생성되는 합성가스를 이용하여 액체 탄화수소를 제조하기 위한 피셔-트롭시 합성용 코발트 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cobalt catalyst for Fischer-Tropsch synthesis for producing liquid hydrocarbons using synthesis gas produced by gasification such as natural gas, coal or biomass, and a process for producing the same.
최근의 급변하는 유가 상승 문제에 대처하기 위한 대안책으로서 각광받고 있는 GTL 기술의 개발에 있어서 F-T 합성용 촉매의 개선은 GTL 기술의 경쟁력 향상과 직결되고 있다. 특히, F-T 반응용 촉매의 개선에 따라서 GTL 공정의 열효율 및 카본 활용 효율을 향상할 수 있으며 F-T 반응 공정을 최적화하여 설계할 수도 있게 된다. 이와 같은 F-T 반응을 위해서는 철 및 코발트 계열 등의 촉매가 주로 사용되는데, 코발트 계열 촉매의 특징은 고가인 단점이 있으나, 높은 활성과 긴 수명 그리고 CO2 생성이 낮으면서 액체 파라핀계 탄화수소의 생성 수율이 높은 장점을 지니고 있다. 또한, 고온에서는 CH4을 다량 생산하는 문제가 있어 저온 촉매로만 사용이 가능하며, 고가의 코발트를 사용하기 때문에 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 고표면적의 안정적인 지지체 위에 잘 분산시켜야 하며 소량의 Pt, Ru, Re 등의 귀금속 조촉매가 추가로 첨가된 형태로 사용되고 있는 실정이다.In the development of GTL technology, which is being watched as an alternative to cope with recent rapid changes in oil prices, the improvement of FT synthesis catalysts is directly related to the enhancement of GTL technology's competitiveness. In particular, according to the improvement of the catalyst for FT reaction, thermal efficiency and carbon utilization efficiency of the GTL process can be improved and the FT reaction process can be optimized and designed. In order for such FT reaction there is a catalyst, such as iron and cobalt-based mainly used, the characteristics of the cobalt-based catalyst but are expensive disadvantage, flew low, high activity and long life and CO 2 generated the yield of liquid paraffinic hydrocarbon It has a high advantage. In addition, since it can be used only as a low-temperature catalyst because of the problem of producing a large amount of CH 4 at a high temperature, it must be dispersed well on a stable support having a high surface area such as alumina, silica and titania because expensive cobalt is used. , Re, and the like are additionally added.
GTL 공정은 천연가스의 개질(reforming) 반응, 합성가스의 F-T 합성반응 및 생성물의 개질 반응과 같이 3단계의 주요 공정으로 구성되어 있으며, 이 중에서 철 및 코발트를 촉매로 사용하여 200℃ 내지 350℃의 반응 온도와 10기압 내지 30기압의 압력에서 수행되는 F-T 반응은 다음과 같이 4개의 주요 반응으로 설명될 수 있다.The GTL process consists of three main processes, such as reforming of natural gas, FT synthesis of syngas, and reforming of product. Among these processes, iron and cobalt are used as catalysts at 200 to 350 ° C And the FT reaction performed at a pressure of 10 atm to 30 atm can be explained by four main reactions as follows.
(a) 사슬성장 F-T 합성(Chain growth in F-T synthesis)(a) Chain growth in F-T synthesis
CO + 2H2 -CH2- + H2O H(227 ℃) = -165 kJ/molCO + 2H 2 --CH 2 - + H 2 OH (227 ° C) = -165 kJ / mol
(b) 메탄화(Methanation)(b) Methanation.
CO + 3H2 CH4 + H2O H(227 ℃) = -215 kJ/molCO + 3H 2 CH 4 + H 2 OH (227 ° C) = -215 kJ / mol
(c) 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)(c) Water gas shift reaction
CO + H2O CO2 + H2 H(227 ℃) = -40 kJ/molCO + H 2 O CO 2 + H 2 H (227 ° C) = -40 kJ / mol
(d) 부다 반응(Boudouard reaction)(d) Boudouard reaction.
2CO C + CO2 H(227 ℃) = -134 kJ/mol
2CO C + CO 2 H (227 ° C) = -134 kJ / mol
일반적으로 FT 합성용 촉매는 산화물 촉매이다. 따라서, FT 합성용 촉매의 환원 특성은 촉매 반응을 결정하는 매우 중요한 요소 중 하나이다. 촉매의 환원성은 촉매 표면의 산소결핍과 관련이 있으며, 표면의 산소결핍이 많을수록 환원성이 좋아지고, 낮은 온도에서 환원이 가능해진다. 이러한 환원성이 높은 촉매를 피셔 트롭시 합성반응에 사용하는 경우, 일산화탄소의 전환율이 높아지며 액체 탄화수소로의 선택성이 개선된다.
Generally, the catalyst for FT synthesis is an oxide catalyst. Therefore, the reducing property of the catalyst for FT synthesis is one of the most important factors for determining the catalytic reaction. The reducibility of the catalyst is related to the oxygen deficiency on the surface of the catalyst. The greater the oxygen deficiency on the surface, the better the reducibility and the lower the temperature. When such a highly reducible catalyst is used in the Fischer-Tropsch synthesis reaction, the conversion of carbon monoxide is increased and the selectivity to liquid hydrocarbons is improved.
이에 본 발명자들은 메조포러스 탄소 물질을 주형으로 하는 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매 입자 제조방법에 대하여 연구하던 중, 분해되면 산화가스가 생성되는 코발트 함유 전구체를 사용하면 저온에서도 코발트 함유 입자를 형성시킬 수 있다는 것을 발견하였으며, 이로 인해 촉매 제조시 저온 열처리를 통해 코발트계 촉매 입자의 화학적, 물리적 변화를 막을 수 있을 뿐만 아니라, 탄소 물질 주형에 의한 환원작용으로 촉매 입자 표면에 산소결핍이 유도되어 환원성이 높은 코발트계 촉매 입자가 제조되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 상기 촉매를 피셔 트롭시 합성 반응에 적용하는 경우, 일산화탄소의 전환율이 높아지며 액체 탄화수소의 선택성이 개선됨을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention have been studying a process for producing cobalt-based catalyst particles for Fischer-Tropsch synthesis using a mesoporous carbon material as a template. When a cobalt-containing precursor which decomposes when an oxidizing gas is decomposed is used, cobalt- In addition, not only the chemical and physical changes of the cobalt-based catalyst particles can be prevented by the low-temperature heat treatment during the production of the catalyst, but also the oxygen deficiency is induced on the surface of the catalyst particles by the reduction action by the carbon material template, It was confirmed that high cobalt-based catalyst particles were produced. In addition, when the catalyst is applied to a Fischer-Tropsch synthesis reaction, the conversion of carbon monoxide is increased and the selectivity of liquid hydrocarbons is improved. Thus, the present invention has been completed.
본 발명의 제1양태는 분해되면 산화가스가 생성되는 코발트계 전구체가 기공 내 적용된 다공성 탄소 물질을 준비하는 제1 단계; 산화분위기 하에서 상기 준비된 다공성 탄소 물질을 상기 코발트계 전구체의 분해 온도 또는 그 이상으로 열처리함으로써, 다공성 탄소 물질의 기공을 주형으로 하여 상기 코발트계 전구체로부터 코발트계 촉매 입자를 형성시키면서 동시에 탄소물질을 제거하는 제2 단계를 포함하는, 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매의 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is a method for preparing a porous carbon material, comprising the steps of: preparing a porous carbon material to which a cobalt-based precursor, The prepared porous carbon material is heat-treated at an decomposition temperature or higher of the cobalt-based precursor in an oxidizing atmosphere to form cobalt-based catalyst particles from the cobalt-based precursor using the pores of the porous carbon material as a template, Based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis, which comprises a first step and a second step.
본 발명의 제2양태는 코발트계 전구체가 기공 내 적용된 다공성 탄소 물질을 준비하는 제1 단계; 불활성 분위기 하에서 상기 준비된 다공성 탄소 물질을 상기 코발트계 전구체의 분해 온도 이상 내지 탄소 물질의 열분해 온도 미만의 온도로 열처리함으로써, 다공성 탄소물질 제거 없이 다공성 탄소 물질의 기공을 주형으로 하여 상기 기공 내에 상기 코발트계 전구체로부터 코발트계 촉매 입자를 형성시키는 제2단계를 포함하는, 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매의 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention is a method for preparing a porous carbon material, comprising: a first step of preparing a porous carbon material to which a cobalt-based precursor is applied in pores; Treating the prepared porous carbon material in an inert atmosphere at a temperature higher than a decomposition temperature of the cobalt precursor to a temperature lower than a pyrolysis temperature of the carbon material by using the pores of the porous carbon material as a template without removing the porous carbon material, And a second step of forming a cobalt-based catalyst particle from the precursor. The present invention also provides a method for producing a cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis.
본 발명의 제3양태는, 본 발명에 따라 제조된 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매를 제공한다. A third aspect of the present invention provides a cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis prepared according to the present invention.
상기 촉매는 X선 광전자 분광법에 의한 Co3 +/Co2 + 피크의 비율이 3 미만일 수 있다. 또한, 상기 촉매는 H2-TPR 분석시 180℃ 내지 250℃에서 1차 환원 피크, 260℃ 내지 450℃에서 2차 환원 피크가 나타난다. The catalyst may have a ratio of Co 3 + / Co 2 + peak by X-ray photoelectron spectroscopy to less than 3. In addition, the catalyst exhibits a first reduction peak at 180 ° C to 250 ° C and a second reduction peak at 260 ° C to 450 ° C in H 2 -TPR analysis.
본 발명의 제4양태는 피셔-트롭시 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법에 있어서, 본 발명에 따른 피셔-트롭시 합성용 촉매를 피셔-트롭시 합성반응기에 적용하는 a) 단계; 상기 촉매를 환원시켜 피셔-트롭시 합성용 촉매로 활성화시키는 b) 단계; 및 상기 활성화된 피셔-트롭시 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭시 합성반응을 수행하는 c) 단계를 포함하는 것이 특징인 제조방법을 제공한다.
A fourth aspect of the present invention is a method for producing liquid hydrocarbons from a synthesis gas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction, comprising the steps of: a) introducing a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis according to the present invention into a Fischer- ) step; B) activating the catalyst with a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis; And c) performing a Fischer-Tropsch synthesis reaction by the activated Fischer-Tropsch synthesis catalyst.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 분해되면 산화가스가 생성되는 코발트계 전구체를 사용하여 산화 분위기 하에서 열처리하면, 상기 코발트계 전구체로부터 발생되는 산화가스에 의해 탄소물질이 기존 온도, 즉 탄소물질의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 제거되며 생성된 코발트 입자의 표면산소결핍이 높아 환원이 쉽게 일어나는 것을 발견한 것에 기초한다.
When the cobalt-based precursor is decomposed and then heat-treated in an oxidizing atmosphere, an oxidizing gas generated from the cobalt precursor removes the carbon material at a temperature lower than the existing temperature, that is, the thermal decomposition temperature of the carbon material And that the generated cobalt particles have a high surface oxygen deficiency and therefore can easily be reduced.
본 발명에서 "산화가스"는 다른 물질을 산화시키는 산화력을 갖는 가스이다. 산화가스의 비제한적인 예로는 산소 또는 산소 함유 혼합물 뿐만아니라 산소를 발생시키는 물질, F2, Cl2, Br2, I2와 같은 할로겐 가스가 있다. 산소를 발생하는 물질의 비제한적인 예로는 HNO3, H2SO4, KMnO4, H2O2 등이 있다. 또한 FeCl3, SnCl4과 같은 원자가가 큰 금속 이온에 의해 산화가스가 형성될 수 있다.
In the present invention, "oxidizing gas" is a gas having an oxidizing power for oxidizing other substances. Non-limiting examples of oxidizing gases include oxygen or oxygen-containing materials as well as oxygen-containing materials, halogen gases such as F 2 , Cl 2 , Br 2 , and I 2 . Non-limiting examples of oxygen generating materials include HNO 3 , H 2 SO 4 , KMnO 4 , and H 2 O 2 . In addition, oxidizing gas can be formed by metal ions having a large valence such as FeCl 3 and SnCl 4 .
분해되면 산화가스가 생성되는 코발트계 전구체는, 분해시 산화가스를 발생시킬 수 있는 모든 코발트계 수용성 전구체 또는 지용성 전구체를 포함한다. 분해되면 산화가스가 생성되는 코발트계 전구체는 코발트의 산화물염, 옥시수산화물염, 염화물염, 탄산염, 초산염, 시트르산염, 니토로실질산염, 질산염. 수산화염. 옥살산염, 카르복시산염, 황산염 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 수용성 전구체, 또는 탄화수소가 포함된 알콕시 전구체. 암모늄 전구체 등의 지용성 전구체일 수 있다. 상기 코발트계 촉매 전구체의 비제한적인 예로는 nitrate (NO3), acetate(CH3COO), chloride (Cl), carbonate (CO3), sulfate (SO4), nitrosylnitrate(NO(NO3)2), Ammonium (NH4) 일 수 있으며, 코발트 전구체로 1 종 또는 2종 이상의 전구체를 사용할 수 있다.
The cobalt-based precursor from which the oxidizing gas is generated when decomposed includes all cobalt-based water-soluble precursors or oil-soluble precursors capable of generating oxidizing gas upon decomposition. The cobalt-based precursor, which is decomposed when decomposed, is an oxide salt, an oxyhydroxide salt, a chloride salt, a carbonate salt, a nitrate salt, a citrate salt, a nitrosyl nitrate salt and a nitrate salt of cobalt. Firefighting. A water-soluble precursor selected from the group consisting of oxalates, carboxylates, sulfates and the like, or an alkoxy precursor containing hydrocarbons. Ammonium precursors, and the like. The non-limiting examples of cobalt-containing catalyst precursor is nitrate (NO 3), acetate (
다공성 물질은 물질 기공(pore) 크기에 따라 마이크로포러스(microporous), 메조포러스(mesoporous) 물질로 나뉘는데, 통상 기공 크기가 2 nm 이하인 경우 마이크로포러스, 기공 크기가 2 내지 50 nm 사이인 경우를 메조포러스라고 한다. 본 발명의 다공성 탄소 물질은 기공의 크기에 제한되지 아니하나, 나노수준의 코발트 촉매 제조를 위해 메조포러스 탄소 물질인 것이 바람직하다.
The porous material is divided into microporous and mesoporous materials depending on the pore size. Typically, when the pore size is 2 nm or less, micropores and when the pore size is between 2 and 50 nm, . The porous carbon material of the present invention is not limited to the pore size, but is preferably a mesoporous carbon material for producing a nano-level cobalt catalyst.
본 발명의 다공성 탄소 물질은 기공 평균 입경이 1 내지 50nm 이고, 표면적이 100 m2g-1 내지 2000 m2g-1 사이일 수 있으나 표면적이 넓을수록 코발트 입자의 함유량은 더 커진다.
The porous carbon material of the present invention may have a pore average particle size of 1 to 50 nm and a surface area of 100 m 2 g -1 to 2000 m 2 g -1 , but the larger the surface area, the larger the content of cobalt particles.
본 발명에서, 상기 다공성 물질은 탄소나노튜브, CMK-3, CMK-8, MSU-F-C, 활성탄(acticated carbon), 흑연 섬유, 활성 탄소 섬유 또는 이의 혼합물일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
In the present invention, the porous material may be carbon nanotubes, CMK-3, CMK-8, MSU-FC, activated carbon, graphite fiber, activated carbon fiber or a mixture thereof.
"탄소나노튜브"는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루어 만들어진, 지름 0.5 nm 내지 10 nm의 원통형 탄소 결정체일 수 있다. 본 발명에 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. The "carbon nanotube" may be a cylindrical carbon crystal having a diameter of 0.5 nm to 10 nm, in which carbon atoms connected in a hexagonal ring are formed in a long dangle shape. The carbon nanotubes of the present invention may be single wall carbon nanotubes or multi wall carbon nanotubes.
"CMK-3"는 메조포러스 실리카인 SBA-15로부터 합성된 것으로, 육각모양의 기공과 축 방향으로 긴 실린더 모양을 갖는 다공성 탄소물질이다. "CMK-8"은 실리카 메조포러스 실리카인 KIT-6으로부터 합성된 것으로, 두 종류의 메조 기공들이 서로 독립적으로 삼차원적으로 연결된 입방 구조의 다공성 탄소물질이다. 또한, "MSU-F-C"는 메조포러스 실리카인 "MSU-F-silica"로부터 합성된 것으로서, 약 30 nm의 큰 기공과 기공 구조 사이에 4 내지 8 nm의 작은 기공을 갖는 메조셀룰러 구조의 다공성 탄소 물질이다. "CMK-3" is a porous carbon material synthesized from mesoporous silica, SBA-15, having hexagonal pores and an axially long cylinder shape. "CMK-8" is a porous carbon material synthesized from silica-mesoporous silica, KIT-6, which has cubic structure in which two kinds of mesopores are three-dimensionally connected independently of each other. "MSU-FC" was synthesized from "MSU-F-silica" which is mesoporous silica. It has a mesocellular structure porous carbon having small pores of 4 to 8 nm between large pores of about 30 nm and pore structure Material.
"활성탄"은 흡착성이 강하고, 대부분의 구성물질이 탄소질로 된 물질이다. 흑연(Graphite)형상의 평면결정자가 복잡하게 조합된 무정형탄소로 되어 있고 다공질이며, 세공의 평균 반경이 1 mm 내지 2 mm, 비표면적은 800 m2/g 내지 1500 m2/g이다.
"Activated carbon" is a substance having a strong adsorption property, and most constituent substances are carbonaceous substances. The graphite-shaped planar crystallizers are complex amorphous carbons and are porous and have an average pore radius of 1 mm to 2 mm and a specific surface area of 800 m 2 / g to 1500 m 2 / g.
본 발명에서 분해되면 산화가스가 생성되는 코발트계 촉매 전구체가 기공 내 적용된 다공성 탄소 물질은, 코발트계 촉매 전구체 용액을 다공성 탄소 물질의 기공 내 함침시킨 후 건조시켜 준비될 수 있다.
In the present invention, the porous carbon material to which the cobalt-based catalyst precursor in which the oxidizing gas is decomposed is applied in the pores may be prepared by impregnating the cobalt-based catalyst precursor solution in the pores of the porous carbon material, followed by drying.
코발트계 전구체 용액에 사용되는 용매는 코발트계 전구체와 화학반응이 일어나지 않으면서 코발트계 전구체로부터 산화가스가 분해되는 온도 이하에서 증발할 수 있는 한 그 종류는 제한되지 않는다. 상기 용매의 비제한적인 예로는 C1~C6 알콜(예, 에탄올), 물, 에테르 계열, 케톤(예, 아세톤), 사슬형 탄화수소(예, n-헥산) 등이 있다.
The solvent used for the cobalt precursor solution is not limited as long as it can evaporate below the temperature at which the oxidizing gas is decomposed from the cobalt precursor without chemical reaction with the cobalt precursor. Non-limiting examples of the solvent include C1-C6 alcohol (e.g., ethanol), water, ether series, ketones (e.g., acetone), and chain hydrocarbons (e.g., n-hexane).
이때, 상기 함침은 상온에서 실시될 수 있다. 함침시, 모세관 힘을 최대한 이용하며, 함침이 잘 되지 않는 경우 필요에 따라 진공분위기를 적용하거나 초음파처리 등의 방법을 병행할 수 있다. 함침시 진공 분위기를 적용하는 경우, 진공으로 인해 물질에 함유되어 있는 공기나 수분 등이 완전히 제거되므로 함침량을 증가시킬 수 있다.
At this time, the impregnation may be performed at room temperature. When the impregnation is carried out, the capillary force is utilized as much as possible. If the impregnation does not work well, a vacuum atmosphere may be applied or a method such as ultrasonic treatment may be performed in parallel. When the vacuum atmosphere is applied at the time of impregnation, the amount of impregnation can be increased since the air or moisture contained in the material is completely removed by the vacuum.
상기 함침 시, 코발트 전구체 용액은 다공성 탄소 물질에 대해 코발트 전구체 중 코발트의 질량비가 1% 내지 500%일 수 있다. 원하는 질량비로 함침시키기 위해, 함침은 한번의 단계로 실시되거나 또는 2번 이상의 함침 단계를 통해 함침될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Upon impregnation, the cobalt precursor solution may have a mass ratio of cobalt to cobalt precursor of 1% to 500% relative to the porous carbon material. To impregnate at the desired mass ratio, impregnation may be carried out in one step or may be impregnated through more than one impregnation step, but is not limited thereto.
상기 제1 단계에서, 함침 후 건조온도는 100 내지 150℃일 수 있다. 상기 건조 온도는 코발트 전구체 용액에서 사용된 용매에 따라 달라진다.
In the first step, the drying temperature after impregnation may be 100 to 150 ° C. The drying temperature depends on the solvent used in the cobalt precursor solution.
상기 제1 단계에서, 코발트계 촉매 전구체에 조촉매 성분을 함께 혼합하여 제조함으로서 촉매 성능을 용이하게 조절할 수 있다. 상기 코발트계 전구체 용액은 구리, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은 및 백금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 조촉매 성분으로 포함할 수 있다. 이때 1종의 금속을 단독으로 사용할 수도 있으며, 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 조촉매 성분은 코발트계 촉매 전구체 1몰에 대하여 0.001 내지 0.999 몰비를 유지하는 것이 바람직하다.
In the first step, the cobalt-based catalyst precursor is mixed with the cocatalyst component, so that the catalyst performance can be easily controlled. The cobalt-based precursor solution may include at least one metal selected from the group consisting of copper, ruthenium, rhodium, palladium, silver, and platinum as a co-catalyst component. At this time, one metal may be used alone, or two or more metals may be used in combination. The cocatalyst component preferably maintains the mole ratio of 0.001 to 0.999 relative to 1 mole of the cobalt-based catalyst precursor.
제1양태의 제2 단계는 산화분위기 하에서 상기 준비된 다공성 탄소 물질을 상기 코발트계 전구체의 분해 온도 또는 그 이상으로 열처리함으로써, 다공성 탄소 물질의 기공을 주형으로 하여 상기 코발트계 전구체로부터 산화 상태의 산화코발트 입자를 합성함과 동시에, 코발트계 전구체의 열분해에 의해 생성되는 잔여 산화가스(residual gas) 및 주입해 준 산화가스에 의해 탄소 물질을 촉매 산화를 거쳐 제거하는 단계이다.
In the second step of the first embodiment, the prepared porous carbon material is heat-treated at a decomposition temperature or higher of the cobalt-based precursor in an oxidizing atmosphere to form porous cobalt oxide precursor And the carbon material is removed by catalytic oxidation by the residual gas generated by pyrolysis of the cobalt precursor and the oxidizing gas injected.
상기 제 2단계에서, 산화분위기는 산화가스, 또는 산화가스와 불활성 가스의 조합으로 이루어진 혼합가스로 열처리하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 산화가스는 산소, 산화질소(NO, NO2), 공기 또는 이의 조합일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 주입된 산화가스는, 코발트 전구체의 분해로부터 발생한 산화가스와 함께, 낮은 온도에서 탄소물질을 제거하는데 기여한다. In the second step, the oxidizing atmosphere may be an oxidizing gas, or a mixed gas consisting of a combination of an oxidizing gas and an inert gas, but is not limited thereto. At this time, the oxidizing gas may be oxygen, nitrogen oxide (NO, NO 2 ), air, or a combination thereof, but is not limited thereto. The injected oxidizing gas, together with the oxidizing gas resulting from the decomposition of the cobalt precursor, contributes to the removal of the carbon material at low temperatures.
상기 불활성가스는, 질소, 헬륨, 아르곤 또는 이의 조합일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 상기 불활성 가스는 혼합가스의 이동을 촉진하는 캐리어 가스로서의 역할을 함과 동시에, 산화가스의 농도를 조절하는 역할을 한다.
The inert gas may be, but is not limited to, nitrogen, helium, argon, or combinations thereof. The inert gas serves as a carrier gas for promoting the movement of the mixed gas and also serves to adjust the concentration of the oxidizing gas.
상기 제 2단계에서, 열처리 온도는 250℃ 내지 450℃일 수 있다. 이는 일반적인 탄소물질의 열분해 온도인 550℃에 비하여 낮은 온도이다. 코발트계 전구체의 분해로부터 발생한 산화가스와 주입된 산화가스의 상호작용으로, 탄소 물질은 기존 열분해 온도보다 낮은 온도인 250℃ 내지 450℃에서 제거될 수 있다. 본 발명에 따라 분해되면 산화가스가 생성되는 코발트계 전구체를 사용하고 산화 분위기하에서 소성하면, 탄소의 열분해 온도보다 낮은 온도에서 탄소 물질을 제거할 수 있기 때문에, 고온의 제거과정에서 일어날 수 있는 코발트 입자의 신터링 및 지지체와의 상호작용, 화학적, 물리적 변화를 막을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제조방법은 코발트 입자 생성 단계 및 탄소 물질 제거 단계를 동시에 이루어지도록 하여 비용 및 시간을 절감할 수 있다.
In the second step, the heat treatment temperature may be 250 to 450 ° C. This is lower than the thermal decomposition temperature of general carbon material of 550 캜. Due to the interaction of the oxidizing gas and the injected oxidizing gas resulting from the decomposition of the cobalt precursor, the carbon material can be removed at a temperature lower than the conventional pyrolysis temperature of 250 ° C to 450 ° C. When the cobalt precursor is decomposed according to the present invention, the carbon material can be removed at a temperature lower than the pyrolysis temperature of the carbon when the cobalt precursor is used in an oxidizing atmosphere. Therefore, the cobalt particles Chemical and physical changes with the sintering and support of the catalyst. Also, the manufacturing method according to the present invention can reduce the cost and time by simultaneously performing the cobalt particle generating step and the carbon material removing step.
상기 제 2단계에서, 열처리시 처리되는 산화가스의 유속은 가스 시간당 공간속도(GHSV)로 측정되며 0 hr-1 내지 10000 hr- 1 인 것이 바람직하다. 이때, 0 hr-1는 일정 유속을 갖지 않는 상태의 분위기 및 정체된 산화가스 분위기를 의미한다. 이러한 정체되어 있는 분위기에서도 산화상태의 코발트 입자 및 탄소 지지체의 제거가 가능하다.
It is preferred that the first flow rate of the oxidizing gas in the second step, the heat treatment process is measured as the gas hourly space velocity (GHSV) is 0 hr -1 to about 10000 hr. At this time, 0 hr -1 means an atmosphere in a state in which there is no constant flow velocity and a static oxidizing gas atmosphere. Even in such a static atmosphere, it is possible to remove the oxidized cobalt particles and the carbon support.
상기 제 2단계에서, 산화가스 처리는 250℃ 내지 450℃의 온도범위에서 30분 내지 4시간 동안 수행되는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 산화가스 처리 시간이 30분 보다 짧은 경우, 탄소 물질의 불완전하게 제거되어 잔여 탄소물질이 남게 된다.
In the second step, the oxidizing gas treatment is preferably performed for 30 minutes to 4 hours at a temperature ranging from 250 ° C to 450 ° C, but is not limited thereto. If the oxidizing gas treatment time is shorter than 30 minutes, the carbon material is incompletely removed and the remaining carbon material remains.
본 발명에서, 상기 제 2단계에서 사용되는 코발트 전구체는 저온 열처리에 의한 탄소물질 제거에 가장 큰 영향을 미친다. 즉 탄소물질의 제거는 코발트 전구체의 열분해에 의해 생기는 잔류 산화가스(NO, NO2, SO2, SO3)가 탄소 물질과 반응하면서 열분해 되는 것에 기인한다.
In the present invention, the cobalt precursor used in the second step has the greatest influence on the carbon material removal by the low temperature heat treatment. That is, the removal of the carbon material is caused by the thermal decomposition of the residual oxidizing gas (NO, NO 2 , SO 2 , SO 3 ) generated by the thermal decomposition of the cobalt precursor in reaction with the carbon material.
본 발명에서 상기 제1단계 및 제2단계는 각각 다른 반응기에서 수행될 수 있다. 상기 제1단계 후 시간이 경과하더라도 제2단계의 반응 수행에는 영향을 미치지 않기 때문에 제1단계의 상태에서 보관이 가능하다. 또한, 제1 단계에서 다공성 탄소 물질의 기공 내에 코발트계 전구체를 적용시키는 공정과 제2단계에서 산화분위기 하에 열처리하는 공정은 같은 반응기 내에서 수행될 수도 있다.
In the present invention, the first step and the second step may be performed in different reactors, respectively. Even if the time elapses after the first step does not affect the reaction of the second step, it can be stored in the state of the first step. In addition, the step of applying the cobalt precursor in the pores of the porous carbon material in the first step and the step of heat-treating in the oxidizing atmosphere in the second step may be performed in the same reactor.
상기 제 2단계에서 형성된 입자는 코발트 산화물이고, 이후 코발트 산화물을 환원처리 하여 코발트 촉매를 형성할 수 있다. 상기 환원처리는 선택적 과정으로, 환원은 당업자에게 알려진 통상의 방법을 사용할 수 있다.
The particles formed in the second step may be cobalt oxide, and then the cobalt oxide may be reduced to form a cobalt catalyst. The reduction treatment may be an optional process, and the reduction may be performed by a conventional method known to those skilled in the art.
본 발명에서 상기 제조된 코발트계 촉매는 산화가스에 의해 산화된 상태로서, 그 크기는 다공성 탄소물질의 기공크기에 의해 결정된다.
In the present invention, the produced cobalt-based catalyst is oxidized by an oxidizing gas, and the size thereof is determined by the pore size of the porous carbon material.
또한, 본 발명의 제2양태는 제2 단계를 산화분위기가 아닌 불활성 분위기 하에서 수행하는 것을 제외하고는 제1양태와 동일하다. 이 경우 메조포러스 탄소 주형은 제거되지 않은 상태에서 주형의 기공 내에 산화코발트 입자를 형성할 수 있다.
The second aspect of the present invention is also the same as the first aspect except that the second step is performed under an inert atmosphere instead of an oxidizing atmosphere. In this case, the cobalt oxide particles can be formed in the pores of the mold without removing the mesoporous carbon template.
본 발명의 제1양태 또는 제2양태의 제조방법으로 제조된 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매는 다공성 탄소물질의 기공 사이즈에 의해 결정된 입자 사이즈를 얻을 수 있다.
The cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis prepared by the production method of the first or second aspect of the present invention can obtain a particle size determined by the pore size of the porous carbon material.
한편, 본 발명의 제1양태 또는 제2양태의 제조방법으로 제조된 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매는 X선 광전자 분광법에 의한 Co3 +/Co2 +의 피크의 비율이 3 미만일 수 있다. Co2 +의 피크의 비율이 높을수록 촉매의 표면산소결핍이 더 높은 것을 의미한다. 기존 공지된 제조방법에 의한 코발트 촉매의 Co3 +/Co2 + 비율이 3 이상인 것에 비해, 본 발명의 코발트계 촉매는 표면산소결핍이 높아 Co3 +/Co2 + 값이 3 미만으로 나타난다. 즉 본 발명의 코발트 촉매는 기존 함침, 공침 및 증착등에 의해 얻어진 코발트 촉매보다 격자산소(lattice oxygen) 대비 표면산소(surface adsorbed oxygen)의 비율이 높으며, 이는 제2 단계의 소성 과정에서 산화코발트 표면 일부가 환원되었기 때문이다. 이와 같은 표면 산소 비율의 감소는 촉매의 환원성을 개선하고, 보다 낮은 온도에서 촉매의 환원을 가능하게 한다.
Meanwhile, the cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis prepared by the production method of the first or second aspect of the present invention may have a ratio of the peak of Co 3 + / Co 2 + by X-ray photoelectron spectroscopy to less than 3. The higher the ratio of the peak of Co 2 +, the higher the surface oxygen deficiency of the catalyst. Compared to less than Co 3 + / Co 2 + ratio of
본 발명에 따른 코발트계 촉매는, 180℃ 내지 250℃에서 1차 환원 피크, 260℃ 내지 450℃에서 2차 환원 피크가 나타날 수 있다. 1차 환원 피크는 Co3O4에서 CoO로 환원이 일어날 때 나타나는 피크이며, 2차 환원 피크는 CoO에서 코발트 금속으로 환원이 일어날 때 나타나는 피크이다. 이러한 피크는 수소를 이용한 승온 환원 실험(H2-TPR)으로 확인 가능하다. 일반적인 알루미나 지지체에 담지된 코발트 촉매의 경우, 환원피크가 나타나는 온도가, 1차 환원피크는 300℃ 내지 560℃, 2차 환원피크는 700℃ 이상임과 비교하여 볼 때, 본 발명의 코발트계 촉매는 낮은 온도에서 환원이 일어남을 알 수 있다. 이러한 촉매의 높은 환원성은, 촉매를 피셔 트롭시 반응에 적용하였을 경우 일산화탄소의 높은 전환율 및 액체 탄화수소의 높은 선택성을 가능하게 한다.
The cobalt-based catalyst according to the present invention may exhibit a primary reduction peak at 180 ° C to 250 ° C and a secondary reduction peak at 260 ° C to 450 ° C. The primary reduction peak is the peak that appears when reduction from Co 3 O 4 to CoO occurs, and the secondary reduction peak is the peak that appears when the reduction from CoO to cobalt metal occurs. These peaks can be confirmed at a heating-reduction test (H 2 -TPR) with hydrogen. In the case of the cobalt catalyst supported on a general alumina support, the temperature at which the reduction peak appears is 300 ° C. to 560 ° C. at the first reduction peak and 700 ° C. or more at the second reduction peak, Reduction occurs at low temperatures. The high reducibility of these catalysts enables high conversion of carbon monoxide and high selectivity of liquid hydrocarbons when the catalyst is applied to the Fischer-Tropsch reaction.
본 발명의 제4양태는 피셔-트롭시 합성반응을 이용하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법에 관한 것으로, 본원발명 제3양태의 피셔-트롭시 합성용 촉매를 피셔-트롭시 합성반응기에 적용하는 a) 단계; 상기 촉매를 환원시켜 피셔-트롭시 합성용 촉매로 활성화시키는 b) 단계; 및 상기 활성화된 피셔-트롭시 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭시 합성반응을 수행하는 c) 단계를 포함한다.
A fourth aspect of the present invention relates to a process for the production of liquid hydrocarbons from syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction, wherein the Fischer-Tropsch synthesis catalyst of the third aspect of the present invention is introduced into a Fischer- A) applying step; B) activating the catalyst with a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis; And c) performing the Fischer-Tropsch synthesis reaction by the activated Fischer-Tropsch synthesis catalyst.
본 발명에 따른 액체 탄화수소 제조방법은 적어도 c) 단계 이전에, 천연가스를 개질하여 합성가스(CO/H2)를 준비할 수 있다.The method for producing liquid hydrocarbons according to the present invention may prepare a synthesis gas (CO / H 2 ) by reforming natural gas at least before step c).
한편, 피셔-트롭시 합성반응기는 고정층, 유동층 또는 슬러리 반응기일 수 있다.On the other hand, the Fischer-Tropsch synthesis reactor may be a fixed bed, fluidized bed or slurry reactor.
본 발명에서, 상기 b) 단계는 수소 분위기 하에서 피셔-트롭시 합성용 촉매를 환원시키는 단계이다. 상기 b) 단계는 100 내지 500℃의 수소분위기에서 수행될 수 있다. In the present invention, the step b) is a step of reducing the Fischer-Tropsch synthesis catalyst under a hydrogen atmosphere. The step b) may be performed in a hydrogen atmosphere at 100 to 500 ° C.
본 발명에서, 상기 c) 단계의 피셔 트롭시 합성 반응은 200 내지 350℃, 반응 압력 5 내지 30 kg/cm3, 공간속도 1000 - 10000 h-1에서 수행될 수 있다. In the present invention, the Fischer-Tropsch synthesis reaction in the step c) may be carried out at a temperature of 200 to 350 ° C, a reaction pressure of 5 to 30 kg / cm 3 , and a space velocity of 1000 to 10000 h -1 .
피셔 트롭시 합성 반응은 수소/일산화탄소 반응비는 1.5 내지 2.5 몰비를 유지하면서 수행하는 것이 바람직하다.The Fischer-Tropsch synthesis reaction is preferably carried out while maintaining the hydrogen / carbon monoxide reaction ratio at 1.5 to 2.5 molar ratio.
또한, 본 발명에 따른 액체 탄화수소 제조방법은 c) 단계 이후 피셔 트롭시 합성 반응 생성물의 개질 반응 단계를 추가로 포함할 수 있다.
In addition, the method for producing a liquid hydrocarbon according to the present invention may further comprise a step of reforming the Fischer-Tropsch synthesis reaction product after step c).
상기와 같이 본 발명의 피셔 트롭시 합성용 코발트 촉매를 사용하여 피셔 트롭시 합성 반응을 수행하는 경우, 본 발명 코발트 촉매의 표면 산소 결핍에 기인한 높은 환원성으로 낮은 온도에서 코발트 촉매의 환원이 가능하고, 피셔 트롭시 합성반응의 일산화탄소 전환율 및 액체 탄화수소 선택성이 증가한다. 또한 본 발명의 피셔 트롭시 합성용 코발트 촉매는 비교적 저온에서 제조되기 때문에, 나노 입자 형성시 고온에 의한 물리적, 화학적 변화를 막을 수 있다.
When the Fischer-Tropsch synthesis reaction is carried out using the Fischer-Tropsch synthesis catalyst of the present invention as described above, the cobalt catalyst can be reduced at a low temperature due to the high reducibility due to the oxygen deficiency of the cobalt catalyst of the present invention , The carbon monoxide conversion of the Fischer-Tropsch synthesis reaction and the liquid hydrocarbon selectivity are increased. Further, since the cobalt catalyst for Fischer-Tropsch synthesis according to the present invention is produced at a relatively low temperature, it is possible to prevent physical and chemical changes due to high temperature when nanoparticles are formed.
본 발명에 의해 제조된 피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매는 저온에서 코발트 나노입자가 형성되어 촉매 입자의 화학적, 물리적 변화를 막을 수 있을 뿐만 아니라, 촉매 입자 표면에 산소결핍이 유도되어 환원성이 높아지므로 피셔 트롭시 합성에 적용하는 경우 일산화탄소의 전환율 및 액체탄화수소의 선택성이 개선된다.
The cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis prepared according to the present invention can prevent the chemical and physical changes of the catalyst particles due to the formation of cobalt nano-particles at low temperature, and the oxygen deficiency is induced on the surface of the catalyst particles, When applied to Fischer-Tropsch synthesis, the conversion of carbon monoxide and the selectivity of liquid hydrocarbons are improved.
도 1a는 CMK-3을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 1)의 전자주사 현미경 사진(TEM), 도 1b는 MSU-F-C을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 2)의 전자주사 현미경 사진(TEM)을 나타낸 것이다.
도 2는 CMK-3을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 1)의 X-ray 회절분석 그래프(위) 및 MSU-F-C을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 2)의 X-ray 회절분석 그래프(아래)를 나타낸 것이다.
도 3a는 MK-3을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 1)의 고분해능 전자주사 현미경 사진(HRTEM), 도 3b는 MSU-F-C을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 2)의 고분해능 전자주사 현미경 사진(HRTEM)을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1, 2에서 제조된 코발트 나노촉매(도 4a, 4b)와 비교예 1에서 제조된 코발트 담지 촉매(도 4c)의 X-ray 광전자 분광법(XPS) 결과를 나타낸 것이다.
도 5a는 CMK-3을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 1)의 수소를 이용한 승온 환원 실험(H2-TPR)결과, 도 5b는 MSU-F-C을 주형으로 사용한 코발트 나노촉매(실시예 2)의 수소를 이용한 승온 환원 실험(H2-TPR)결과를 나타낸 것이다.
도 6은 알루미나 지지체에 담지된 코발트 촉매(비교예 1)의 수소를 이용한 승온 환원 실험(H2-TPR)결과를 나타낸 것이다. 1A is a scanning electron micrograph (TEM) of a cobalt nano catalyst (Example 1) using CMK-3 as a template and Fig. 1B is a scanning electron microphotograph of a cobalt nano catalyst (Example 2) using MSU-FC as a template (TEM).
2 is an X-ray diffraction analysis (top) of a cobalt nano catalyst (Example 1) using CMK-3 as a template and an X-ray diffraction analysis of a cobalt nano catalyst (Example 2) using MSU- Graph (below).
FIG. 3A shows a high resolution electron microscope (HRTEM) image of a cobalt nano catalyst (Example 1) using MK-3 as a template and FIG. 3B shows a high resolution electron injection (HRTEM) image of a cobalt nano catalyst using MSU- (HRTEM). ≪ / RTI >
FIG. 4 shows X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results of the cobalt nano catalysts (FIGS. 4A and 4B) prepared in Examples 1 and 2 and the cobalt supported catalyst (FIG. 4C) prepared in Comparative Example 1.
5A is a graph showing the results of the temperature increase and reduction experiments (H 2 -TPR) using hydrogen of the cobalt nano catalyst (Example 1) using CMK-3 as a template, (H 2 -TPR) test using hydrogen of hydrogen peroxide.
6 shows the results of the temperature raising and reducing test (H 2 -TPR) using hydrogen of the cobalt catalyst supported on the alumina support (Comparative Example 1).
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example 1: One: CMKCMK -3를 다공성 탄소 물질로 이용한 코발트계 촉매 제작-3 as Porous Carbon Material
메조포러스 탄소 물질로는 SBA-15 틀로부터 합성된 CMK-3을 사용하였다. 기공 크기는 3~6 nm, BET 표면적은 1496 m2/g 이다. CMK-3는 육각모양의 기공과 축 방향으로 긴 실린더 모양을 갖는다. 코발트 전구체는 코발트질산염(Cobalt nitrate hexahydrate, Co(NO3)2 6H2O)을 사용하였으며, 용매로는 에탄올을 사용하였다. CMK-3 탄소 주형을 사용하기 전, 표면에 잔존하는 이물질과 기공 안에 존재할 수 있는 습기를 제거하기 위해 오븐에서 150℃, 12시간 동안 건조하였다. CMK-3의 질량은 1.0g, 코발트 전구체는 1.235g을 사용하였다(탄소 주형 질량 대비 코발트 금속 질량 20% 환산). CMK-3와 코발트 전구체 용액을 충분히 섞은 후, 진공 증발기에서 2 시간 이상, 내부온도 70 내지 90℃에서 용매를 충분히 증발시켰다. 만들어진 혼합물을 110℃의 전기오븐에서 12시간 이상 건조하였다. 건조된 혼합물을 100 sccm 유속의 공기가 주입되는 소성로에서 반응온도 400℃에서 5시간 동안 가열하였다.
As the mesoporous carbon material, CMK-3 synthesized from SBA-15 frame was used. The pore size is 3 to 6 nm and the BET surface area is 1496 m 2 / g. CMK-3 has hexagonal pores and an axially long cylinder shape. Cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O) was used as a cobalt precursor and ethanol was used as a solvent. Prior to using the CMK-3 carbon mold, it was dried in an oven at 150 ° C for 12 hours to remove moisture that might be present in the foreign materials and pores remaining on the surface. The mass of CMK-3 was 1.0 g and the cobalt precursor was 1.235 g (calculated as 20% of the mass of the cobalt metal). The CMK-3 and cobalt precursor solutions were thoroughly mixed, and then the solvent was sufficiently evaporated at an internal temperature of 70 to 90 DEG C for 2 hours or more in a vacuum evaporator. The resulting mixture was dried in an electric oven at < RTI ID = 0.0 > 110 C < / RTI > The dried mixture was heated at a reaction temperature of 400 DEG C for 5 hours in a firing furnace where air at a flow rate of 100 sccm was injected.
실시예Example 2: 2: MSUMSU -F-C를 다공성 탄소 물질로 이용한 코발트계 촉매 제작-Cobalt-based catalyst using -F-C as a porous carbon material
메조포러스 탄소 물질로 MSU-F-silica 틀로부터 합성된 MSU-F-C를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 코발트계 촉매를 제조하였다. MSU-F-C의 기공 크기는 3~6 nm, BET 표면적은 1496 m2/g이다. MSU-F-C는 육각모양의 기공과 축 방향으로 긴 실린더 모양을 갖는다.
A cobalt-based catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that MSU-FC synthesized from a MSU-F-silica framework was used as a mesoporous carbon material. The pore size of MSU-FC is 3-6 nm and the BET surface area is 1496 m 2 / g. The MSU-FC has hexagonal pores and an axially long cylinder shape.
비교예Comparative Example 1: 알루미나 지지체를 이용한 촉매 제작 1: Catalyst preparation using alumina support
상기 실시예에서 제조된 코발트계 촉매와의 비교를 위해, 종래 널리 사용되는 방법인 알루미나 지지체를 코발트 전구체 용액 상에 담지하는 방법으로 촉매를 제작하였다. 사용한 알루미나 지지체는 사솔사의 PURALOX로, 촉매를 제작하기 전 500℃에서 5시간 동안 열처리하여 사용하였다. 지지체는 incipient wetness impregnation 방법을 이용하여 제작하였다. 코발트 전구체는 코발트질산염(Cobalt nitrate hexahydrate, Co(NO3)2 6H2O)을 사용하였으며, 용매로는 에탄올을 사용하였다. 알루미나 지지체는 1.0g, 코발트 전구체는 1.235g을 사용하였다. 알루미나 지지체와 코발트 전구체 용액을 충분히 섞은 후, 진공 증발기에서 2 시간 이상, 내부온도 70 내지 90℃에서 용매를 충분히 증발시켰다. 만들어진 혼합물을 110℃의 전기오븐에서 12시간 이상 건조하였다. 건조된 혼합물을 100 sccm 유속의 공기가 주입되는 소성로에서 반응온도 400℃에서 5시간 동안 가열하였다.
For comparison with the cobalt-based catalyst prepared in the above example, a catalyst was prepared by carrying an alumina support, which is a widely used method, on a cobalt precursor solution. The alumina support used was PURALOX manufactured by Sasol Corporation and used for heat treatment at 500 ° C for 5 hours before the catalyst was produced. The support was fabricated using the incipient wetness impregnation method. Cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O) was used as a cobalt precursor and ethanol was used as a solvent. 1.0 g of alumina support and 1.235 g of cobalt precursor were used. After sufficiently mixing the alumina support and cobalt precursor solution, the solvent was sufficiently evaporated at an internal temperature of 70 to 90 DEG C for 2 hours or more in a vacuum evaporator. The resulting mixture was dried in an electric oven at < RTI ID = 0.0 > 110 C < / RTI > The dried mixture was heated at a reaction temperature of 400 DEG C for 5 hours in a firing furnace where air at a flow rate of 100 sccm was injected.
실험예Experimental Example 1: 촉매 크기 및 구조 분석 1: Analysis of catalyst size and structure
상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 코발트계 촉매 입자의 투과 전자현미경(TEM) 사진을 도 1에 나타내었다. 도 1a에 나타난 실시예 1의 산화코발트의 크기는 6-10 nm 이었으며, 도 1b에 나타난 실시예 2의 산화코발트의 크기는 10-16 nm 이었다. Transmission electron microscopic (TEM) photographs of the cobalt-based catalyst particles prepared in Examples 1 and 2 are shown in FIG. The size of the cobalt oxide of Example 1 shown in FIG. 1A was 6-10 nm, and the size of the cobalt oxide of Example 2 shown in FIG. 1B was 10-16 nm.
또한, 상기 제조된 코발트 나노입자의 X-선 회절분석(XRD)을 도 2에 나타내었다. 도 2의 XRD 패턴을 통해, Co3O4의 조성을 갖는 코발트 산화물 나노입자가 생성된 것을 확인할 수 있었다.The X-ray diffraction analysis (XRD) of the cobalt nanoparticles prepared above is shown in FIG. It was confirmed from the XRD pattern of FIG. 2 that cobalt oxide nanoparticles having a composition of Co 3 O 4 were produced.
상기 제조된 코발트 나노입자의 고분해능 TEM(HRTEM)을 도 3에 나타내었다(도 3a: 실시예 1, 도 3b: 실시예 2). 이를 통해 Co3O4의 대표적인 결정면인 (311) 및 (220) 결정구조를 갖는 입자들이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
The high-resolution TEM (HRTEM) of the cobalt nanoparticles prepared above is shown in Fig. 3 (Fig. 3A: Example 1, Fig. 3B: Example 2). As a result, it was confirmed that particles having crystal structures of (311) and (220) which are typical crystal planes of Co 3 O 4 were produced.
실험예Experimental Example 2: 촉매의 표면산소 결핍 측정 2: Measurement of surface oxygen deficiency of catalyst
상기 제조된 촉매 입자의 표면산소결핍 정도를 측정하기 위해, 각 촉매 입자를 X-선 광전자분광법(XPS)에 의하여 분석하고 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to measure the degree of surface oxygen deficiency of the prepared catalyst particles, each catalyst particle was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the results are shown in FIG.
도 4(a) Co 2p3 /2 피크의 경우, 779.8 eV, 782.2 eV 두 개의 피크가 나타난다. 779.8 eV, 782.2 eV는 각각 Co3 +, Co2 +에 의해 생기는 피크로, Co2 + 피크의 비율이 높을수록 표면산소결핍이 더 높은 것을 의미한다. CMK-3 주형에 의해 제작된 산화코발트 Co2p3 /2 피크에서 Co3 +/Co2 + 비가 2.45로 나타났다. 또한, MSU-F-C 주형에 의해 제작된 산화코발트 Co2p3 /2 피크에서 Co3 +/Co2 + 비가 2.43으로 나타났다. 반면 Co3O4/γ-Alumina 촉매의 Co2p3 /2 피크에서 Co3 +/Co2 + 비는 3.07으로 나타났다. 실시예 1, 2의 결과와 비교를 해보면 Co2 + 피크의 상대적인 intensity가 작은 것을 알 수 있는데, 이를 통해 Co3O4/γ-Alumina의 경우, 실시예 1, 2에서 제작된 촉매에 비해 표면의 산소결핍정도가 낮다는 것을 확인할 수 있었다. Figure 4 (a) In the case of Co 2p 3/2 peak, when the two peaks 779.8 eV, 782.2 eV. 779.8 eV, 782.2 eV means that each Co + 3, a peak caused by Co 2 +, the more the more surface anoxia higher the ratio of Co 2 + peak. CMK-3 The cobalt oxide produced by the mold shown in Co2p 3/2 + 3 peaks to Co / Co + 2 ratio is 2.45. Further, Co 3 + / 2 + Co ratio was 2.43 in the oxidized cobalt Co2p 3/2 peak produced by the MSU-FC mold. Whereas in Co2p 3/2 peak of Co 3 O 4 / γ-Alumina catalyst Co 3 + / Co 2 + ratio was in 3.07. Compared with the results of Examples 1 and 2, it can be seen that the relative intensity of the Co 2 + peak is small. In the case of Co 3 O 4 / γ-Alumina, The degree of oxygen deficiency was low.
또한, O 1s 피크에서 표면산소와 관련 있는 531.3 eV 피크에서 실시예 1 및 실시예 2의 intensity가 낮게 나타난 반면, 비교예 1의 intensity는 실시예 1, 2의 나노촉매에 비해 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이를 통해서도, 실시예 1,2의 코발트계 나노입자의 산소결핍정도가 기존 Co3O4/γ-Alumina에 비하여 높다는 것을 확인할 수 있었다.In addition, the intensities of Examples 1 and 2 were low at 531.3 eV peaks related to surface oxygen at the
상기 결과를 정리하여 표로 나타내면 하기와 같다.The results are summarized as follows.
표면산소의 결핍은 촉매의 환원성에 영향을 미치며, 표면산소의 결핍이 크게 나타날수록 촉매의 환원성은 더 좋아진다. 따라서, 표면산소의 결핍이 높게 나타난 실시예 1 및 실시예 2의 나노입자 촉매의 환원성이 더 좋음을 확인할 수 있다.
Depletion of surface oxygen affects the reducibility of the catalyst, and the greater the surface oxygen deficiency, the better the reduction of the catalyst. Therefore, it can be confirmed that the reduction of the nanoparticle catalyst of Examples 1 and 2, in which surface oxygen deficiency is high, is better.
실험예Experimental Example 3: 촉매의 환원성 평가 3: Evaluation of reducing property of catalyst
상기 제조된 촉매의 환원성을 측정하기 위해, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매에 대하여 수소를 이용한 승온 환원 실험(H2-TPR)을 하고 그 결과를 도 5(실시예 1,2) 및 도 6(비교예 1)에 나타내었다. 도 5의 경우, 실시예 1의 코발트 나노입자(a) 및 실시예 2의 코발트 나노입자(b)에서, 233-235℃, 260-450℃에서 환원이 일어나는 2개의 피크가 관찰되었다. 첫 번째 피크는 Co3O4에서 CoO로 환원이 일어날 때 나타나는 피크이며, 두 번째 피크는 CoO에서 코발트 금속으로 환원이 일어날 때 소모되는 수소의 소모 피크이다. 환원이 일어나는 온도가 대체적으로 낮았으며, 이는 실험예 2의 XPS에서 나타난 Co3 +/Co2 + 비의 경향성과 일치함을 확인할 수 있었다. In order to measure the reducibility of the prepared catalysts, the catalysts prepared in the above Examples and Comparative Examples were subjected to a temperature raising reduction test (H 2 -TPR) using hydrogen and the results are shown in FIG. 5 (Examples 1 and 2) and 6 (Comparative Example 1). In the case of Fig. 5, in the cobalt nanoparticles (a) of Example 1 and the cobalt nanoparticles (b) of Example 2, two peaks at 233-235 ° C and 260-450 ° C were observed. The first peak is a peak that appears when the lead to reduced to CoO in the Co 3 O 4, the second peak is the peak consumption of hydrogen that is consumed when reduction occur from CoO to Co metal. The temperature at which the reduction occurred was generally low, which is consistent with the tendency of the Co 3 + / Co 2 + ratio in the XPS of Experimental Example 2.
반면, 비교예 1의 Co3O4/γ-Alumina의 경우 300-560℃, 700℃이상에서 환원이 일어나는 2개의 피크가 관찰되었다. 이는 실시예의 피크온도에 비해 대체적으로 높으며, 환원이 잘 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. 환원이 잘 일어나지 않는 이유는 코발트 알루미네이트 화합물이 형성에 기인한 것으로 보인다. 비교예 1의 Co3O4/γ-Alumina의 높은 환원온도는, 실험예 2의 XPS에서 나타난 Co3 +/Co2 + 비의 경향성과 일치한다.
On the other hand, in the case of the Co 3 O 4 / γ-Alumina of Comparative Example 1, two peaks at 300-560 ° C and above 700 ° C were observed. It was confirmed that this was generally higher than the peak temperature of the examples and that the reduction did not occur well. Cobalt aluminate compounds appear to be due to the formation because the reduction is not likely to occur. Comparative Co 3 O high reduction temperature of 4 / γ-Alumina of Example 1 is consistent with the tendency of the 3 + Co / Co + 2 in the ratio shown in the
실험예Experimental Example 4: 촉매 활성평가 4: Evaluation of catalytic activity
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매를 이용하여, 합성가스 조성 H2/CO/CO2/Ar = 57.3/28.4/9.3/5(부피%), 반응온도 220℃, 반응압력은 2.0 MPa, 공간속도는 2000 h-1에서 50 시간 이상 피셔-트롭시 합성 반응을 진행하였다. 피셔-트롭시 합성 반응을 개시하기 전에 5 vol.% H2 (He balance)를 이용하여 100 sccm 400℃에서 5시간 동안 환원시켰다. 반응이 일정 시간 진행되고 촉매의 활성이 안정화된 후에 CO 전환율, 피셔-트롭시 활성 (FT activity), 탄화수소 선택도를 측정하였다. 그 결과는 표 2에 나타내었다.The synthesis gas composition H 2 / CO / CO 2 / Ar = 57.3 / 28.4 / 9.3 / 5 (volume%),
template
(%)CO conversion rate
(%)
(10-5molg-1s-1)FT activity
(10 -5 molg -1 s -1 )
그 결과, 실시예 1에서 제조된 촉매가 가장 높은 CO 전환율(91.0%)과 피셔-트롭시 활성(3.20)을 보였다. 실시예 2에서 제조된 촉매의 경우, CO 전환율 64,5%, 피셔-트롭시 활성이 2.27로 실시예 1과 촉매의 활성이 차이를 보였다. 이는 촉매 입자의 크기 차이에 기인한 것으로 보인다. 피셔-트롭시 반응에서 최적의 활성을 보이는 코발트 나노입자의 크기는 6-8 nm이며, 이 크기의 나노입자에서 최적의 활성점을 만든다. 따라서 상기 크기에 가까운 실시예 1에서 코발트 나노촉매의 활성이 더 크게 나온 것으로 판단된다.As a result, the catalyst prepared in Example 1 showed the highest CO conversion (91.0%) and Fischer-Tropsch activity (3.20). In the case of the catalyst prepared in Example 2, the CO conversion was 64.5% and the Fischer-Tropsch activity was 2.27, indicating that the activity of the catalyst of Example 1 was different. This seems to be due to the size difference of the catalyst particles. The optimal activity of the cobalt nanoparticles in the Fischer-Tropsch reaction is 6-8 nm, which is the optimal activity point for nanoparticles of this size. Therefore, it is judged that the activity of the cobalt nano-catalyst is larger in Example 1 close to the above-mentioned size.
비교예 1의 경우, CO 전환율 및 피셔 트롭시 활성이 실시예 1 및 2에 비하여 낮게 나타났다. 생성물의 선택도는 다소 개선되었으나, 촉매 질량당 생산량의 측면에서 Co3O4/γ-Alumina 촉매는 나노촉매에 비해서 전체적으로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기존 방법으로 제작된 촉매의 경우, 촉매활성 물질과 지지체의 화학적 결합에 의해 환원이 어려울 물질이 생성되고, 환원성을 떨어뜨려 촉매의 활성이 저하되는 것으로 보인다.
In the case of Comparative Example 1, the CO conversion and the Fischer-Tropsch activity were lower than those of Examples 1 and 2. The selectivity of the product was somewhat improved, but it was confirmed that the Co 3 O 4 / γ-Alumina catalyst was lower overall than the nanocatalyst in terms of the yield per catalyst mass. This is because, in the case of the catalyst prepared by the conventional method, a substance which is difficult to be reduced by the chemical bonding between the catalytic active material and the support is generated, and the reduction activity is lowered, and the activity of the catalyst is lowered.
Claims (18)
산화분위기 하에서 상기 준비된 다공성 탄소 물질을 상기 코발트계 전구체의 분해 온도 또는 그 이상으로 열처리함으로써, 다공성 탄소 물질의 기공을 주형으로 하여 상기 코발트계 전구체로부터 코발트계 촉매 입자를 형성시키면서 동시에 탄소물질을 제거하는 제2 단계를 포함하는,
피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매의 제조방법.
A first step of preparing a porous carbon material to which a cobalt-based precursor in which an oxidizing gas is decomposed is applied in pores;
The prepared porous carbon material is heat-treated at an decomposition temperature or higher of the cobalt-based precursor in an oxidizing atmosphere to form cobalt-based catalyst particles from the cobalt-based precursor using the pores of the porous carbon material as a template, Comprising a second step,
A method for preparing a cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis.
The method according to claim 1, wherein the heat treatment temperature in the second step is 250 to 450 ° C.
The manufacturing method according to claim 1, wherein the oxidizing atmosphere in the second step is heat treatment with an oxidizing gas, or a mixed gas composed of an oxidizing gas and an inert gas.
The production method according to claim 1, wherein the porous carbon material to which the cobalt-based catalyst precursor in which the oxidizing gas is decomposed is applied in the pores is prepared by impregnating the cobalt-based catalyst precursor solution in the pores of the porous carbon material, followed by drying.
The method of claim 1, wherein the cobalt-based catalyst precursor is selected from the group consisting of oxide salts of cobalt, oxyhydroxide salts, chloride salts, carbonates, nitrates, citrates, nitrosyl nitrates and nitrates. Firefighting. A water-soluble precursor selected from the group consisting of oxalates, carboxylates, sulfates and the like, or an alkoxy precursor containing hydrocarbons. An ammonium precursor, and the like.
5. The method of claim 4, wherein the cobalt precursor solution comprises at least one metal selected from the group consisting of copper, ruthenium, rhodium, palladium, silver, and platinum as a co-catalyst.
The method according to claim 1, wherein the porous carbon material is a mesoporous carbon material, and the cobalt-based catalyst particles are nano-sized particles.
The method of claim 1, wherein the porous carbon material has pores having an average particle size of 1 ~ 50nm, and the specific surface area of 100 m 2 g -1 ~ 2000 m 2 g - 1 of the production method is characterized.
The method according to claim 1, wherein the porous carbon material is a carbon nanotube, CMK-3, CMK-8, MSU-FC, activated carbon, graphite fiber, activated carbon fiber or a mixture thereof.
The method according to claim 2, wherein the oxidizing gas is oxygen, nitrogen oxide (NO, NO 2 ), air, or a combination thereof.
불활성 분위기 하에서 상기 준비된 다공성 탄소 물질을 상기 코발트계 전구체의 분해 온도 이상 내지 탄소 물질의 열분해 온도 미만의 온도로 열처리함으로써, 다공성 탄소물질 제거 없이 다공성 탄소 물질의 기공을 주형으로 하여 상기 기공 내에 상기 코발트계 전구체로부터 코발트계 촉매 입자를 형성시키는 제2단계를 포함하는,
피셔 트롭시 합성용 코발트계 촉매의 제조방법.
A first step of preparing a porous carbon material to which a cobalt precursor is applied in pores;
Treating the prepared porous carbon material in an inert atmosphere at a temperature higher than a decomposition temperature of the cobalt precursor to a temperature lower than a pyrolysis temperature of the carbon material by using the pores of the porous carbon material as a template without removing the porous carbon material, And a second step of forming cobalt-based catalyst particles from the precursor.
A method for preparing a cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis.
A cobalt-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis prepared by the method of any one of claims 1 to 11.
The method of claim 12, wherein the catalyst has X-ray photoelectron spectroscopy according to the Co 3 + / 2 + Co is characterized by the Fischer Tropsch synthesis cobalt catalyst for the ratio of the peak is less than 3.
The catalyst for synthesis of Fischer-Tropsch synthesis according to claim 12, wherein the catalyst exhibits a first reduction peak at 180 ° C to 250 ° C and a second reduction peak at 260 ° C to 450 ° C in H 2 -TPR analysis.
제12항의 피셔-트롭시 합성용 촉매를 피셔-트롭시 합성반응기에 적용하는 a) 단계;
상기 촉매를 환원시켜 피셔-트롭시 합성용 촉매로 활성화시키는 b) 단계; 및
상기 활성화된 피셔-트롭시 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭시 합성반응을 수행하는 c) 단계를 포함하는 것이 특징인 제조방법.
A method for producing liquid hydrocarbons from syngas using a Fischer-Tropsch synthesis reaction,
A) applying the Fischer-Tropsch synthesis catalyst of claim 12 to a Fischer-Tropsch synthesis reactor;
B) activating the catalyst with a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis; And
And performing the Fischer-Tropsch synthesis reaction by the activated Fischer-Tropsch synthesis catalyst.
16. The process according to claim 15, wherein step b) comprises reducing the catalyst for Fischer-Tropsch synthesis in a hydrogen atmosphere.
16. The process according to claim 15, wherein step b) is carried out in a hydrogen atmosphere at 100 to 500 캜.
16. The method of claim 15, c) steps 200 ℃ to 350 ℃, a reaction pressure of 5 to 30 kg / cm 3, a space velocity of 1000 - The method is characterized in that is carried out at 10000 h -1.
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