KR20210051179A - Catalyst for steam methane reforming having an active metal concentration gradient in an spinel structured inorganic oxide support, a method for preparing the same, and a method for preparing a synthesis gas using the catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체에 활성금속이 농도구배를 가지며 담지된 수증기 메탄 개질 반응용 촉매, 이의 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 합성가스 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst for a steam methane reforming reaction in which an active metal has a concentration gradient and supported on an inorganic oxide support having a spinel structure, a method for preparing the same, and a method for preparing a syngas using the catalyst.
수증기 메탄 개질(steam methane reforming, SMR) 반응은 아래의 식과 같이 메탄(CH4)에 물(H2O)를 반응시켜 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합물인 합성가스(synthetic gas)를 생성하는 반응이다.Steam methane reforming (SMR) reaction is a synthetic gas that is a mixture of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) by reacting water (H 2 O) with methane (CH 4) as shown below. Is a reaction that generates.
CH4 + H2O → CO + 3H2 (SMR)CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (SMR)
일반적으로 대용량의 수소를 생산하는 SMR 반응에서는 니켈(Ni), 귀금속(Pt, Pd, Ag, Au 및 Ru) 등을 촉매 활성물질로 사용하며 이 중 가격이 저렴한 전이금속인 니켈이 적당하다. [D. E. Ridler, M. V. Twigg, in: MV Twigg (Ed.), Catalyst Handbook, 2nd Edition, Wolfe, London, 1989, p. 225.] 한편 SMR 반응 중에 생성된 CO가 활성금속 표면에 흡착되어서 다음의 식과 같이 탄소가 침적되는 Boudouard 반응이 일어날 수 있다. In general, in SMR reactions that produce large amounts of hydrogen, nickel (Ni), noble metals (Pt, Pd, Ag, Au, and Ru) are used as catalytic active materials, among which nickel, a transition metal, which is inexpensive, is suitable. [D. E. Ridler, M. V. Twigg, in: MV Twigg (Ed.), Catalyst Handbook, 2nd Edition, Wolfe, London, 1989, p. 225.] Meanwhile, as CO generated during the SMR reaction is adsorbed on the surface of the active metal, a Boudouard reaction in which carbon is deposited as shown in the following equation can occur.
2CO ↔ CO2 + C (coke)2CO ↔ CO 2 + C (coke)
따라서 이러한 탄소침적 반응을 막기 위해서 과량의 수증기를 공급하며 [steam (H2O) 대 methane (CH4) 비율 3 초과 (S/C > 3)], 염기성 금속산화물 (BaO, MgO 등)을 넣기도 한다. Therefore, to prevent this carbon deposition reaction, excess water vapor is supplied and [steam (H 2 O) to methane (CH 4 ) ratio exceeds 3 (S/C> 3)], and basic metal oxides (BaO, MgO, etc.) are also added. do.
상용 SMR 반응은 펠렛형태의 촉매를 사용하는데 반응물의 확산속도에 비해서 매우 높은 반응속도를 나타내므로 SMR 반응이 펠렛의 겉면에서만 반응이 일어나며 이를 정량화한 유효계수(effectiveness factor)는 0.03 이다. [J. Xu, G.F. Froment, Methane steam reforming: II. Diffusional limitations and reactor simulation, AIChE Journal, 35 (1989) 97-103.] 이는 펠렛 전체에 담지된 활성금속의 활용도가 매우 적다는 것을 의미한다. 이를 극복하기 위해 펠렛의 겉면에만 촉매 활성물질을 담지하여 농도구배를 지닌 형태의 촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.The commercial SMR reaction uses a pellet-type catalyst, which exhibits a very high reaction rate compared to the diffusion rate of the reactant, so that the SMR reaction occurs only on the outer surface of the pellet, and the quantified effectiveness factor is 0.03. [J. Xu, G.F. Froment, Methane steam reforming: II. Diffusional limitations and reactor simulation, AIChE Journal, 35 (1989) 97-103.] This means that the utilization of the active metal carried on the entire pellet is very small. In order to overcome this, research on a catalyst in a form having a concentration gradient by supporting the catalytic active material only on the outer surface of the pellet is being actively conducted.
본 발명은 수소 충전소에서 수소 생산용 개질기에 사용되는 SMR 반응용 촉매 개발에 관한 것이다. SMR 반응용 촉매는 일반적으로 니켈, 귀금속 등이 활성금속으로 사용되며 펠렛 형태이다. 이러한 촉매는 높은 활성, 고온에서의 열적 안정성과 탄소침적에 강한 내성이 요구된다. 또한, SMR 반응은 반응물의 확산속도에 비해서 매우 높은 반응속도를 나타내어 SMR 반응이 펠렛 겉면에서만 반응이 일어나 촉매 활성물질을 100% 활용하지 못하는 단점을 가지고 있다. The present invention relates to the development of a catalyst for SMR reaction used in a reformer for hydrogen production in a hydrogen filling station. The catalyst for SMR reaction is generally used as an active metal such as nickel and noble metal and is in the form of a pellet. These catalysts are required to have high activity, thermal stability at high temperatures, and strong resistance to carbon deposition. In addition, the SMR reaction exhibits a very high reaction rate compared to the diffusion rate of the reactant, and the SMR reaction has a disadvantage in that the reaction occurs only on the surface of the pellet, so that 100% of the catalytically active material is not utilized.
따라서 고온에서 열적 안정성이 뛰어난 스피넬구조를 가지는 무기산화물로 이루어진 펠렛형 지지체를 사용하고 펠렛의 겉면에만 선택적으로 활성금속을 담지하여 농도구배를 지닌 형태의 촉매 개발을 통해 상기한 과제를 해결하고자 한다. Therefore, it is intended to solve the above problems by developing a catalyst in a form having a concentration gradient by using a pellet-type support made of inorganic oxide having a spinel structure having excellent thermal stability at high temperature and selectively supporting the active metal only on the surface of the pellet.
일 구현예는 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체; 및 활성금속을 포함하고, 상기 무기산화물 지지체는 상기 활성금속의 농도구배를 가지는 것을 특징으로 하는 수증기 메탄 개질용 촉매를 제공한다.One embodiment is an inorganic oxide support having a spinel structure; And an active metal, wherein the inorganic oxide support has a concentration gradient of the active metal.
상기 활성금속은 니켈, 백금, 팔라듐, 은, 금 및 루테늄 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. The active metal may include one or two or more selected from the group consisting of nickel, platinum, palladium, silver, gold, and ruthenium metals.
상기 활성금속은 NiAl2O4, NiO, 및 Ni으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 상을 포함할 수 있다. The active metal may include one or two or more phases selected from the group consisting of NiAl 2 O 4, NiO, and Ni.
상기 활성금속의 농도구배는, 상기 무기 산화물 지지체의 중심으로부터 표면방향으로 증가하는 형태일 수 있다. The concentration gradient of the active metal may increase in a surface direction from the center of the inorganic oxide support.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는, 중심으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하의 영역에서, 활성금속 총 중량에 대하여 10 중량% 이하의 활성금속을 담지하는 것일 수 있다.The inorganic oxide support having a spinel structure may support 10% by weight or less of active metal with respect to the total weight of the active metal in a region of 30 length% or less of the radius of the support from the center.
상기 스피넬 구조의 무기산화물 지지체는, 표면으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하의 영역에서, 활성금속 총 중량에 대하여 50 중량% 이상의 활성금속을 담지하는 것일 수 있다.The inorganic oxide support having a spinel structure may support 50% by weight or more of active metal with respect to the total weight of the active metal in a region of 30 length% or less of the radius of the support from the surface.
상기 활성금속은 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 총 중량에 대하여 1 내지 10중량%로 포함되는 것일 수 있다. The active metal may be included in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst for steam methane reforming.
상기 활성금속은 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 총 중량에 대하여 1 내지 5중량%로 포함되는 것일 수 있다. The active metal may be included in an amount of 1 to 5% by weight based on the total weight of the steam methane reforming catalyst.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는 MgAl2O4, NiAl2O4, 및 MgAl2O4-NiAl2O4으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. The inorganic oxide support having the spinel structure may be one or two or more selected from the group consisting of MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , and MgAl 2 O 4 -NiAl 2 O 4.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는 펠렛형, 실린더형, 튜브형 및 구형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.The inorganic oxide support having the spinel structure may be one or two or more selected from the group consisting of a pellet type, a cylinder type, a tube type, and a spherical shape.
다른 일 구현예는 a) 소수성 제1 용매를 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체에 함침하여 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체를 제조하는 제1 침지단계; b) 친수성 제2 용매 및 활성금속 전구체가 혼합된 금속 전구체 용액을 상기 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체에 함침하는 제2 침지단계; 및 c) 상기 금속 전구체 용액으로 함침된 무기산화물 지지체를 873 내지 1273K에서 열처리하여 촉매를 제조하는 단계;를 포함하는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법을 제공한다.In another embodiment, a) a first immersion step of impregnating an inorganic oxide support having a spinel structure with a hydrophobic first solvent to prepare an inorganic oxide support filled with a hydrophobic first solvent; b) a second immersion step of impregnating a metal precursor solution in which a hydrophilic second solvent and an active metal precursor are mixed into the inorganic oxide support filled with the hydrophobic first solvent; And c) heat-treating the inorganic oxide support impregnated with the metal precursor solution at 873 to 1273K to prepare a catalyst.
상기 a)단계는 상기 소수성 제1용매를 감압증류법으로 무기산화물 지지체에 함침하는 것일 수 있다. The step a) may be impregnating the inorganic oxide support with the hydrophobic first solvent by vacuum distillation.
상기 b)단계는 상기 금속 전구체 용액을 회전교반 및 감압증류법으로 무기산화물 지지체에 함침하는 것일 수 있다. In the step b), the metal precursor solution may be impregnated into the inorganic oxide support by rotary stirring and distillation under reduced pressure.
상기 소수성 제1 용매는 상기 친수성 제2 용매보다 높은 점도를 가지는 것일 수 있다.The hydrophobic first solvent may have a higher viscosity than the hydrophilic second solvent.
상기 소수성 제1 용매는 탄소수 2 내지 6의 다가 알코올일 수 있다. The first hydrophobic solvent may be a polyhydric alcohol having 2 to 6 carbon atoms.
상기 금속 전구체는 수용성 금속염일 수 있다.The metal precursor may be a water-soluble metal salt.
상기 c)단계는 323 내지 423K에서 0.5 내지 2시간 건조 후, 873 내지 1273K에서 1 내지 3시간 열처리하는 것을 포함할 수 있다.Step c) may include drying at 323 to 423K for 0.5 to 2 hours and then heat treatment at 873 to 1273K for 1 to 3 hours.
또 다른 일 구현예는 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 존재 하에, 메탄 및 수증기를 1:1 내지 1:3 몰비로 주입하면서 반응시키는 것을 특징으로 하는 메탄의 수증기 개질반응을 통한 합성가스 제조방법을 제공한다.Another embodiment provides a method for producing syngas through steam reforming of methane, characterized in that in the presence of the catalyst for steam methane reforming, methane and steam are injected and reacted at a molar ratio of 1:1 to 1:3. .
상기 합성가스 제조방법은 973 내지 1273K에서 반응시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The synthesis gas manufacturing method may be characterized by reacting at 973 to 1273K.
상기 합성가스 제조방법은 수증기 및 메탄을 공간속도 6,000 내지 24,000 mL/(h·gcat)로 주입하면서 반응시키는 것을 특징으로 할 수 있다.The synthesis gas manufacturing method may be characterized by reacting while injecting steam and methane at a space velocity of 6,000 to 24,000 mL/(h·g cat).
스피넬 구조를 가지는 무기산화물을 촉매 지지체로 사용함으로써 높은 반응온도에서 촉매의 열적 안정성이 우수하며 탄소침적에 내구성을 가지고 활성금속의 뭉침을 방지할 수 있다. By using an inorganic oxide having a spinel structure as a catalyst support, the catalyst has excellent thermal stability at a high reaction temperature, has durability against carbon deposition, and can prevent agglomeration of active metals.
지지체 표면에 선택적으로 활성금속을 담지시킴으로써 적은 함량의 활성금속으로도 기존 촉매와 동등한 수준의 활성을 나타내고 SMR 반응 원료물질의 빠른 공간속도에서 성능을 향상시킬 수 있으며, 탄소침적도와 내구성을 개선할 수 있다.By selectively supporting the active metal on the surface of the support, even with a small amount of active metal, it exhibits the same level of activity as the existing catalyst, and it can improve the performance at a fast space velocity of the raw material for SMR reaction, and improve carbon deposition and durability. have.
또한, SMR 반응에서 촉매 내부에는 활성물질이 존재하지 않아 탄소가 내부에 침적되는 것을 억제하고 촉매 표면에 선택적으로 탄소성장이 일어남에 따라 촉매의 파괴를 막을 수 있다.In addition, in the SMR reaction, there is no active material inside the catalyst, so that carbon deposits therein can be suppressed, and destruction of the catalyst can be prevented as carbon growth selectively occurs on the catalyst surface.
이에, 본 발명에서 제조된 활성금속이 농도구배를 가지는 촉매는 그렇지 않은 촉매보다 열적 안정성이 우수하며 탄소침적에 강한 내구성을 가진 촉매로 SMR 반응에 매우 적합한 촉매이다.Accordingly, the catalyst having the concentration gradient of the active metal prepared in the present invention is a catalyst having superior thermal stability and strong durability against carbon deposition, and is a very suitable catalyst for the SMR reaction.
도 1은 비교예 3 및 실시예 2에서 제조된 촉매의 소성 후 환원 전 촉매 단면 사진, 및 환원 후 촉매의 단면 사진,
도 2a 및 도 2b는 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 단면 사진 및 SEM-EDS(Scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석 사진,
도 3은 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 X선 회절분석(X-ray diffraction) 그래프,
도 4는 H2-Temperature programmed reduction (TPR) 분석을 통한 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 환원온도 분석 그래프,
도 5는 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 Transmission electron microscopy (TEM) 분석 사진,
도 6은 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 5에서 제조된 촉매에 있어서, 반응온도에 따른 SMR(steam methane reforming) 반응특성을 나타낸 그래프,
도 7은 실시예 2, 비교예 2, 비교예 3 및 비교예 5에서 제조된 촉매에 있어서, 반응물의 공간속도에 따른 SMR 반응특성을 나타낸 그래프,
도 8은 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 5에서 제조된 촉매에 있어서, 가혹한환경에 따른 SMR 반응특성을 나타낸 그래프,
도 9는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 촉매의 SMR 반응 후 탄소침적 내성을 평가하기 위한 촉매입자 사진이다. 1 is a cross-sectional photograph of the catalyst prepared in Comparative Examples 3 and 2, and a cross-sectional photograph of the catalyst before reduction after calcination, and a cross-sectional photograph of the catalyst after reduction,
2A and 2B are cross-sectional photographs of the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, and SEM-EDS (Scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy) analysis photographs,
3 is an X-ray diffraction graph of the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3,
4 is a graph of the reduction temperature analysis of the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 through H 2 -Temperature programmed reduction (TPR) analysis,
5 is a transmission electron microscopy (TEM) analysis photograph of the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3,
6 is a graph showing the reaction characteristics of steam methane reforming (SMR) according to the reaction temperature in the catalysts prepared in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 5;
7 is a graph showing SMR reaction characteristics according to the space velocity of reactants in the catalysts prepared in Example 2, Comparative Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 5;
8 is a graph showing SMR reaction characteristics according to harsh environments in the catalysts prepared in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 5;
9 is a photograph of catalyst particles for evaluating carbon deposition resistance after SMR reaction of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms different from each other, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to the possessor, and the invention is only defined by the scope of the claims. With reference to the accompanying drawings below will be described in detail for the implementation of the present invention. Regardless of the drawings, the same reference numerals refer to the same elements, and "and/or" includes each and all combinations of one or more of the recited items.
다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used with meanings that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. When a part of the specification "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. Also, the singular form includes the plural form unless specifically stated in the text.
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, when a part such as a layer, film, region, or plate is said to be “on” or “on” another part, this includes not only the case where the other part is “directly above”, but also the case where there is another part in the middle. do.
이하, 일 구현예에 따른 수증기 메탄 개질용 촉매에 대해 설명한다. Hereinafter, a catalyst for reforming steam methane according to an embodiment will be described.
상기 수증기 메탄 개질용 촉매는 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체; 및 활성금속을 포함하고, 상기 무기산화물 지지체는 상기 활성금속의 농도구배를 가지는 것을 특징으로 한다.The steam methane reforming catalyst includes an inorganic oxide support having a spinel structure; And an active metal, wherein the inorganic oxide support has a concentration gradient of the active metal.
상기 활성금속은 상기 무기 산화물 지지체의 중심으로부터 표면방향으로 농도구배를 가지며 상기 무기 산화물 지지체에 담지됨에 따라, 반응물의 확산속도에 비해서 높은 반응속도를 나타내는 수증기 메탄 개질반응에서 촉매 활성물질을 100% 활용할 수 있는 장점이 있으므로, 종래 촉매 대비 적은 함량으로 활성금속을 담지하더라도 충분한 활성을 나타낼 수 있다. 따라서 농도구배를 지닌 촉매는 그렇지 않은 촉매보다 열적 안정성이 우수하며 탄소침적에 강한 내구성을 가지고 SMR 반응에 매우 적합할 수 있다. The active metal has a concentration gradient from the center of the inorganic oxide support to the surface direction and, as it is supported on the inorganic oxide support, 100% of the catalytic active material is utilized in the steam methane reforming reaction showing a high reaction rate compared to the diffusion rate of the reactant. Since there is an advantage that can be achieved, it can exhibit sufficient activity even if the active metal is supported in a small amount compared to the conventional catalyst. Therefore, a catalyst having a concentration gradient has better thermal stability than a catalyst that does not have a concentration gradient, has strong durability against carbon deposition, and can be very suitable for SMR reaction.
일 구현예에 따른 수증기 메탄 개질용 촉매에서, 상기 활성금속의 농도구배는, 상기 무기 산화물 지지체의 중심으로부터 표면방향으로 증가하는 형태일 수 있다. In the catalyst for steam methane reforming according to an embodiment, the concentration gradient of the active metal may increase in a surface direction from the center of the inorganic oxide support.
예를 들어, 상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는, 중심으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하의 영역에서, 활성금속 총 중량에 대하여 10 중량% 이하, 예를 들어 9 중량% 이하 또는 8.5 중량% 이하의 활성금속을 담지하는 것일 수 있다. 즉, 지지체 표면에 선택적으로 활성금속을 담지시킴으로써 적은 함량의 활성금속으로도 기존 촉매와 동등한 수준의 활성을 나타내고 SMR 반응 원료물질의 빠른 공간속도에서 성능을 향상시킬 수 있으며, 탄소침적도와 내구성을 개선할 수 있다.For example, the inorganic oxide support having a spinel structure is 10% by weight or less, for example, 9% by weight or less, or 8.5% by weight or less with respect to the total weight of the active metal, in a region of 30 length% or less of the radius of the support from the center. It may be to support the active metal of. That is, by selectively supporting the active metal on the surface of the support, even with a small amount of active metal, it exhibits the same level of activity as the existing catalyst, and the performance can be improved at a fast space velocity of the SMR reaction raw material, and carbon deposition and durability are improved. can do.
또한, 상기 스피넬 구조의 무기산화물 지지체는, 표면으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하의 영역에서, 활성금속 총 중량에 대하여 50 중량% 이상, 예를 들어 55 중량% 이상, 60 중량% 이상 또는 65 중량% 이상의 활성금속을 담지하는 것일 수 있다. 상기 촉매는 내부영역에서 활성금속을 적은 함량으로 담지함으로써 SMR 반응 중 탄소가 촉매 내부에 침적되는 것을 억제하고 촉매 표면에 선택적 탄소성장을 유도함에 따라 촉매 파괴를 막을 수 있으므로, 촉매 내구성 향상 측면에서 바람직하다.In addition, the inorganic oxide support having a spinel structure is 50% by weight or more, for example, 55% by weight or more, 60% by weight or more, or 65% by weight, based on the total weight of the active metal, in a region of 30 length% or less of the radius of the support from the surface. % Or more of the active metal may be supported. The catalyst is preferable in terms of improving catalyst durability because it can inhibit carbon from depositing inside the catalyst during the SMR reaction by supporting a small amount of the active metal in the internal region and prevent catalyst destruction by inducing selective carbon growth on the catalyst surface. Do.
상기 활성금속은 니켈, 백금, 팔라듐, 은, 금 및 루테늄 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것일 수 있다. SMR 반응용 촉매는 일반적으로 니켈, 귀금속 등이 촉매 활성물질로 사용되는 것으로서 상기 기재된 활성금속 종류를 제한 없이 사용할 수 있고, 일반적으로 대용량의 수소를 생산하는 SMR 반응에서는 가격이 저렴한 전이금속인 니켈을 촉매로 사용하는 경우 경제성 측면에서 좋을 수 있다. 다만, SMR 반응 중 생성된 CO가 특히 니켈 표면에 잘 흡착되어 활성금속 표면에 탄소가 다량 침적될 수 있으나, 본 발명의 경우 상술한 바와 같이 지지체 표면 또는 촉매 표면에 활성금속을 선택적으로 담지시킴에 따라 상기한 탄소침적 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. The active metal may include one or two or more selected from the group consisting of nickel, platinum, palladium, silver, gold, and ruthenium metals. As the catalyst for the SMR reaction, nickel, noble metal, etc. are generally used as catalytic active materials, and the types of active metals described above can be used without limitation. In general, SMR reactions that produce large amounts of hydrogen use nickel, which is an inexpensive transition metal. When used as a catalyst, it can be good in terms of economy. However, CO generated during the SMR reaction is particularly well adsorbed on the nickel surface, so that a large amount of carbon may be deposited on the surface of the active metal, but in the case of the present invention, since the active metal is selectively supported on the support surface or the catalyst surface as described above. Accordingly, the above carbon deposition problem can be effectively solved.
한편, 상기 활성금속은 NiAl2O4, NiO, 및 Ni으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 상으로 존재할 수 있고, 좋게는 NiAl2O4, NiO, 및 Ni의 상으로 존재할 수 있다.On the other hand, the active metal may be present in the at least one or two selected from the group consisting of NiAl 2 O 4, NiO, and Ni, may be present in the well of the NiAl 2 O 4, NiO, and Ni.
상기 활성금속은 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 총 중량에 대하여 1 내지 10중량%로 포함되는 것일 수 있고, 예를 들어 1 중량%이상 9 중량%이하, 또는 1 중량%이상 7 중량%이하, 좋게는 1 중량%이상 5 중량%이하, 가장 좋게는 2 중량%이상 4 중량%이하로 포함되는 것일 수 있다. 이에, 적은 함량의 활성금속으로도 기존 촉매와 동등한 수준의 활성을 충분히 낼 수 있으며, 촉매의 탄소침적도와 내구성을 개선할 수 있다. The active metal may be included in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the steam methane reforming catalyst, for example, 1% by weight or more and 9% by weight or less, or 1% by weight or more and 7% by weight or less, preferably It may be included in an amount of 1% by weight or more and 5% by weight or less, and most preferably 2% by weight or more and 4% by weight or less. Accordingly, even with a small amount of active metal, the same level of activity as the existing catalyst can be sufficiently achieved, and carbon deposition and durability of the catalyst can be improved.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는 구체적으로 스피넬 구조의 MgAl2O4일 수 있고, 상기 지지체는 MgAl2O4, NiAl2O4, 및 MgAl2O4-NiAl2O4으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 상으로 존재할 수 있다. 특히 상기 지지체 내 스피넬 구조를 갖는 무기산화물은 내열성이 우수하고, 스피넬 구조가 산소 캐리어(carrier) 역할을 하므로 SMR 반응 중 활성금속 및 지지체 표면에 흡착된 CO의 산화를 방지하여 탄소침적을 억제할 수 있다. 그 결과 내구성이 강하고 열적 안정성이 뛰어난 촉매를 제공할 수 있다.The inorganic oxide support having a spinel structure may be specifically a spinel structure of MgAl 2 O 4 , and the support is selected from the group consisting of MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , and MgAl 2 O 4 -NiAl 2 O 4 It may exist in one or two or more phases. In particular, the inorganic oxide having a spinel structure in the support has excellent heat resistance, and the spinel structure acts as an oxygen carrier, so it is possible to inhibit carbon deposition by preventing oxidation of the active metal and CO adsorbed on the surface of the support during the SMR reaction. have. As a result, it is possible to provide a catalyst having strong durability and excellent thermal stability.
일반적으로 수증기 개질 촉매는 활성금속의 전구체를 담지하고 환원하여 금속상태의 활성금속 입자를 형성한 후 사용한다. 이때 높은 온도에서 반응을 시키면 활성금속 입자들이 응집되는 경향이 있다. 이때 지지체가 활성금속의 응집을 막아주는 역할을 하기도 한다. 특히, 스피넬 구조의 MgAl2O4는 촉매 활성금속의 응집을 보다 효과적으로 억제하는 것으로 알려져 있다(J. Guo, et. al., Dry reforming of methane over nickel catalysts supported on magnesium aluminate spinels, Appl.Catal.A., 273 (2004) 75-82.). 또한, 활성금속의 응집이 억제된다는 것은 촉매 제조 초기에 높게 형성된 분산도가 반응이 진행되면서 계속 유지됨을 의미하므로, 활성 비표면적이 높게 유지됨에 따라 적은 활성금속 담지량으로도 높은 활성을 나타낼 수 있는 장점이 있다. 또한, 촉매 활성금속 표면에서 탄소침적이 억제되어 촉매의 내구성도 강화될 수 있다. In general, a steam reforming catalyst is used after supporting and reducing a precursor of an active metal to form metallic particles of an active metal. At this time, when the reaction is performed at a high temperature, active metal particles tend to be aggregated. At this time, the support also serves to prevent the aggregation of the active metal. In particular, the spinel structure of MgAl 2 O 4 is known to more effectively inhibit the aggregation of catalytically active metals (J. Guo, et. al., Dry reforming of methane over nickel catalysts supported on magnesium aluminate spinels, Appl. Catal. A., 273 (2004) 75-82.). In addition, the inhibition of the aggregation of the active metal means that the high dispersion degree formed at the beginning of the catalyst production is maintained as the reaction proceeds, so as the active specific surface area is maintained high, the advantage of exhibiting high activity even with a small amount of active metal supported. There is this. In addition, carbon deposition on the surface of the catalytically active metal is suppressed, so that durability of the catalyst may be enhanced.
한편, 상기 스피넬 구조의 무기산화물 지지체는 펠렛형, 실린더형, 튜브형 및 구형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.Meanwhile, the inorganic oxide support having a spinel structure may be one or two or more selected from the group consisting of a pellet type, a cylinder type, a tube type, and a spherical shape, but the present invention is not limited thereto.
이하, 다른 일 구현예에 따른 상기 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of preparing the catalyst for steam methane reforming according to another embodiment will be described.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 촉매의 제조방법은 소수성 용매와 친수성 용매간의 반발력을 이용해서 촉매 활성물질을 펠렛형, 실린더형, 튜브형 및 구형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 입자로 형성된 촉매 지지체 표면 혹은 표면과 연결된 외부와 가까운 영역의 기공들에만 선택적으로 담지 또는 함침시키는 방법에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention relates to a method for preparing the catalyst for steam methane reforming, wherein the method for preparing the catalyst comprises pelleting, cylindrical, tubular, and spherical catalytically active materials by using a repulsive force between a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent. The present invention relates to a method of selectively supporting or impregnating only pores on the surface of a catalyst support formed of one or more particles selected from the group consisting of or in a region close to the outside connected to the surface.
상기 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법은, a) 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체를 소수성 제1 용매에 함침하여 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체를 제조하는 제1 침지단계; b) 친수성 제2 용매 및 활성금속 전구체가 혼합된 금속 전구체 용액을 상기 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체에 함침하는 제2 침지단계; 및 c) 상기 금속 전구체 용액으로 함침된 무기산화물 지지체를 873 내지 1273K에서 열처리하여 촉매를 제조하는 단계;를 포함한다. The manufacturing method of the steam methane reforming catalyst includes: a) a first immersion step of impregnating an inorganic oxide support having a spinel structure in a hydrophobic first solvent to prepare an inorganic oxide support filled with a hydrophobic first solvent; b) a second immersion step of impregnating a metal precursor solution in which a hydrophilic second solvent and an active metal precursor are mixed into the inorganic oxide support filled with the hydrophobic first solvent; And c) preparing a catalyst by heat-treating the inorganic oxide support impregnated with the metal precursor solution at 873 to 1273K.
먼저, 구형 혹은 실린더 형태를 갖는 다양한 종류의 스피넬 구조를 갖는 다공성 무기 산화물을 촉매 지지체로 준비한다. 본 발명에 사용되는 스피넬 구조를 갖는 다공성 무기 산화물 지지체는 표면 및/또는 내부에 미세 기공이 형성된 것으로, MgAl2O4, NiAl2O4, 및 MgAl2O4-NiAl2O4으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 사용될 수 있으며, 그 형태는 특별히 한정되지 아니하나, 펠렛형, 실린더형, 튜브형 또는 구형인 경우 적절하다. First, a porous inorganic oxide having various types of spinel structures having a spherical or cylindrical shape is prepared as a catalyst support. The porous inorganic oxide support having a spinel structure used in the present invention has micropores formed on the surface and/or inside, and in the group consisting of MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , and MgAl 2 O 4 -NiAl 2 O 4 Any one or two or more selected may be used, and the shape is not particularly limited, but it is suitable in the case of a pellet type, a cylinder type, a tube type, or a spherical shape.
이어, 상기 a) 제1 침지단계에서, 상기 소수성 제1 용매를 상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체에 함침하여 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체를 제조한다. Subsequently, in the a) first immersion step, the inorganic oxide support filled with the hydrophobic first solvent is prepared by impregnating the inorganic oxide support having the spinel structure with the hydrophobic first solvent.
이때, 감압증류법을 이용함으로써, 상기 소수성 제1 용매가 상기 스피넬 구조를 갖는 다공성 촉매 지지체 입자의 내부까지 유입될 수 있도록 제조하는 것이 바람직하다. 종래에는 용매 침지 시 초음파 처리를 수행하였으나, 대량의 용매를 침지하는 경우에는 생산성 확보 측면에서 감압증류법이 적절하다. At this time, by using a vacuum distillation method, it is preferable to prepare the hydrophobic first solvent so that it can flow into the porous catalyst support particles having the spinel structure. Conventionally, ultrasonic treatment was performed when immersing the solvent, but in the case of immersing a large amount of solvent, a vacuum distillation method is suitable in terms of securing productivity.
상기 소수성 제1 용매는 상기 친수성 제2 용매보다 높은 점도를 가지는 것에 특징이 있을 수 있고, 구체적으로 상기 소수성 제1 용매의 밀도는 상기 친수성 제2 용매의 밀도와 동일하거나 더 높을 수 있다. 상기 소수성 제1 용매로는 탄소수 2 내지 6의 다가 알코올인 경우 바람직하며, 구체적으로는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 펜틸렌글리콜, 헥실렌글리콜과 이들의 유도체 및 이성질체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. The hydrophobic first solvent may be characterized in that it has a higher viscosity than the hydrophilic second solvent, and specifically, the density of the hydrophobic first solvent may be equal to or higher than the density of the hydrophilic second solvent. The hydrophobic first solvent is preferably a polyhydric alcohol having 2 to 6 carbon atoms, specifically selected from the group consisting of ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, pentylene glycol, hexylene glycol, and derivatives and isomers thereof. It is more preferable to use any one or two or more.
소수성 제1 용매로 벤젠, 톨루엔, 헥산 등을 사용하는 경우 다공성 촉매 지지체와 제1 용매들 사이의 상호작용력이 상대적으로 약하다. 따라서, 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체 물질을 포함하는 친수성 금속 전구체 용액을 다공성 촉매 지지체에 함침하는 경우 상기 친수성 금속 전구체 용액이 벤젠, 톨루엔, 헥산을 밀어내면서 다공성 촉매 지지체 입자의 내부 기공까지 침투할 수 있다. 즉, 벤젠, 톨루엔, 헥산 등과 같이 다공성 촉매 지지체 입자와 상호작용력이 약한 용매들은 본 발명의 촉매 활성 물질의 다공성 촉매 지지체 표면 선택적 함침에 적절하지 않다.When benzene, toluene, hexane, or the like is used as the hydrophobic first solvent, the interaction force between the porous catalyst support and the first solvents is relatively weak. Therefore, when a catalytically active material or a hydrophilic metal precursor solution containing a catalytically active material precursor is impregnated into the porous catalyst support, the hydrophilic metal precursor solution repels benzene, toluene, and hexane and penetrates into the pores of the porous catalyst support particles. can do. That is, solvents with weak interaction power with the porous catalyst support particles, such as benzene, toluene, and hexane, are not suitable for selective impregnation of the catalytically active material of the present invention on the surface of the porous catalyst support.
한편, 알킬기의 탄소수가 2 - 6 사이인 알코올류(예를 들면, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 등)와 다가 알코올류인 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, 펜틸렌글리콜, 헥실렌글리콜 등의 경우, 알코올들의 작용기인 -OH기가 다공성 실리카 또는 다공성 알루미나와 같은 촉매 지지체의 기공 표면과 적절하게 강한 상호작용력을 가지므로, 상기 제1 침지단계와 하기 서술한 제1 건조단계 동안 기공 내부에 고정될 수 있다. On the other hand, alcohols having 2 to 6 carbon atoms in the alkyl group (e.g., ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, etc.) and polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, pentylene glycol, hexyl In the case of silene glycol, since the -OH group, which is a functional group of alcohols, has an appropriately strong interaction force with the pore surface of a catalyst support such as porous silica or porous alumina, the pores during the first immersion step and the first drying step described below. Can be fixed inside.
그러나, 하기 서술한 제2 침지단계에서 상기 금속 전구체 용액을 단순 초음파처리가 아닌, 회전교반과 감압증류법으로 무기산화물 지지체에 함침하는 것을 특징으로 하는 경우에는, 1가 알코올류 대비 더욱 강한 상호작용력을 가지는 다가 알코올류, 적어도 2가 이상의 알코올류가 소수성 제1 용매로 요구된다. However, in the second immersion step described below, when the metal precursor solution is impregnated into the inorganic oxide support by rotating agitation and reduced pressure distillation instead of simple ultrasonic treatment, a stronger interaction force compared to monohydric alcohols is obtained. Eggplant polyhydric alcohols and at least dihydric or higher alcohols are required as the hydrophobic first solvent.
또한, 다가 알코올류의 알킬기의 탄소수가 2 - 6 사이에서 증가하는 경우 제1 용매의 점도와 밀도가 높아지므로, 친수성 금속 전구체 용액이 다공성 촉매 지지체 입자의 내부 기공까지 침투하기가 더 어려워지고, 이에 따라 친수성 금속 전구체 용액의 촉매 지지체 입자 내부 기공으로 접근을 효과적으로 차단하는 동시에, 대량의 금속 전구체 용액을 성공적으로 촉매 지지체 내에 선택적인 담지 또는 함침할 수 있다. 반면에 다가 알코올류의 알킬기의 탄소수가 상기 범위를 초과하는 경우 소수성 제1 용매의 점도와 밀도가 과도하게 높아져서 촉매 제조 후 용매 제거가 용이하지 않을 수 있다. In addition, when the number of carbon atoms of the alkyl group of the polyhydric alcohol increases between 2 and 6, the viscosity and density of the first solvent increase, so that it becomes more difficult for the hydrophilic metal precursor solution to penetrate to the inner pores of the porous catalyst support particle. Accordingly, while effectively blocking access of the hydrophilic metal precursor solution to pores inside the catalyst support particles, a large amount of the metal precursor solution can be selectively supported or impregnated in the catalyst support. On the other hand, when the number of carbon atoms in the alkyl group of the polyhydric alcohol exceeds the above range, the viscosity and density of the hydrophobic first solvent may become excessively high, so that it may not be easy to remove the solvent after preparing the catalyst.
한편, 촉매 지지체 입자의 내부 기공까지 충분히 소수성 제1 용매가 도입된 후, 상기 소수성 제1 용매가 입자 내부의 특정 영역에만 잔류하도록 적절한 건조 조건을 사용하는 제1 건조 단계를 수행할 수 있으나, 본 발명이 이에 필수적으로 제한되는 것은 아니다. 제1 건조 단계를 수행하는 경우, 건조 온도는 상기 소수성 제1 용매의 끓는점보다 50 ℃ 낮거나 50 ℃ 높은 온도가 바람직하고, 건조 시간은 1분 내지 120분인 것이 바람직하다. 하지만, 제1 건조단계를 거쳐 다공성 촉매 지지체 입자의 기공 내부에 잔류되는 소수성 제1 용매의 양을 조절하거나, 사용되는 소수성 제1 용매의 종류에 따라 상기 제1 건조 단계의 건도 온도와 시간은 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 상기 제1 건조 단계를 거침으로써, 촉매 지지체 표면의 소수성 제1 용매와, 촉매 지지체 표면으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하 영역, 좋게는 50 길이% 이하 영역, 더 좋게는 70 길이% 이하 영역의 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매를 제거할 수 있다. 이러한 건조 단계를 통해서 소수성 제1 용매가 촉매 지지체 내부 기공에만 잔류할 수 있다. On the other hand, after sufficiently introducing the hydrophobic first solvent to the internal pores of the catalyst support particles, the first drying step using appropriate drying conditions may be performed so that the hydrophobic first solvent remains only in a specific area inside the particles. The invention is not necessarily limited thereto. When performing the first drying step, the drying temperature is preferably 50° C. lower or 50° C. higher than the boiling point of the hydrophobic first solvent, and the drying time is preferably 1 minute to 120 minutes. However, the dryness temperature and time of the first drying step vary depending on the amount of the first hydrophobic solvent remaining in the pores of the porous catalyst support particles through the first drying step, or depending on the type of the hydrophobic first solvent used. Of course, it can be adjusted accordingly. For example, by passing through the first drying step, a hydrophobic first solvent on the surface of the catalyst support and an area of 30 length% or less of the support radius from the surface of the catalyst support, preferably 50 length% or less, more preferably 70 length% The hydrophobic first solvent filled in the inner pores of the following regions may be removed. Through this drying step, the first hydrophobic solvent may remain only in the pores inside the catalyst support.
계속해서, b)단계에서, 친수성 제2 용매 및 활성금속 전구체가 혼합된 금속 전구체 용액을 상기 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체에 함침한다.Subsequently, in step b), a metal precursor solution in which a hydrophilic second solvent and an active metal precursor are mixed is impregnated into the inorganic oxide support filled with the hydrophobic first solvent.
이때, 다공성 촉매 지지체 내부의 특정 영역, 즉 내부 영역에 채워진 소수성 제1 용매는 친수성 제2 용매보다 높은 점도, 및 동일하거나 더 높은 밀도를 가지는 것에 특징이 있다. 따라서, 상기 친수성인 금속 전구체 용액은 상기 소수성 제1 용매로 채워진 다공성 촉매 지지체의 내부 영역까지 함침되기 어려워 촉매 지지체의 표면 영역과 표면 부근의 바깥쪽 기공 영역에만 채워지게 된다. At this time, a specific region inside the porous catalyst support, that is, the hydrophobic first solvent filled in the inner region is characterized by having a higher viscosity and the same or higher density than the hydrophilic second solvent. Accordingly, the hydrophilic metal precursor solution is difficult to impregnate to the inner region of the porous catalyst support filled with the hydrophobic first solvent, and thus is filled only in the surface region of the catalyst support and the outer pore region near the surface.
상기 b)단계는 상기 금속 전구체 용액을 회전교반 및 감압증류법으로 무기산화물 지지체에 함침하는 것일 수 있다. 대량의 금속 전구체 용액을 상기 무기산화물 지지체에 선택적으로 침지 또는 함침하는 경우에는 생산성 확보 측면에서 회전교반 및 감압증류법이 적절할 수 있다. In the step b), the metal precursor solution may be impregnated into the inorganic oxide support by rotary stirring and distillation under reduced pressure. When a large amount of metal precursor solution is selectively immersed or impregnated in the inorganic oxide support, rotational stirring and vacuum distillation may be appropriate in terms of securing productivity.
상기 회전교반은 동일 기술영역의 공지 기술을 적용할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 회전교반 및 감압증류법으로 금속 전구체 용액을 무기산화물 지지체에 함침하는 경우 금속 전구체 용액의 응고를 억제하고 촉매 입자의 균질화 및 미세화, 온도 균질화 등을 달성할 수 있으며, 생산성을 확보하는 동시에 본 발명의 선택적 침지 또는 함침을 효과적으로 수행할 수 있으므로 바람직하다. The rotary agitation may apply a known technique in the same technical area, and the present invention is not limited thereto. When the metal precursor solution is impregnated into the inorganic oxide support by rotary stirring and reduced pressure distillation, it is possible to suppress the solidification of the metal precursor solution, achieve homogenization and refinement of catalyst particles, and temperature homogenization. It is preferable because immersion or impregnation can be effectively performed.
상기 b)단계에서 사용되는 금속 전구체 용액은 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체가 친수성 제2 용매에 녹아 있는 것으로, 상기 금속 전구체는 수용성 금속염인 것을 특징으로 한다. The metal precursor solution used in step b) is characterized in that the catalytically active material or the catalytically active material precursor is dissolved in a hydrophilic second solvent, and the metal precursor is a water-soluble metal salt.
상기 수용성 금속염은 니켈, 백금, 팔라듐, 은, 금 및 루테늄 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 금속의 수용성 염인 경우 바람직하고, 니켈의 수용성 염을 포함하는 경우 더욱 바람직하다. The water-soluble metal salt is preferably a water-soluble salt of a metal containing one or two or more selected from the group consisting of nickel, platinum, palladium, silver, gold and ruthenium metal, and more preferably a water-soluble salt of nickel.
상기 친수성 제2 용매는 극성 용매가 바람직하고, 대표적인 극성 용매인 물을 사용하는 것이 바람직하다.As the hydrophilic second solvent, a polar solvent is preferable, and water, which is a representative polar solvent, is preferably used.
이어서, c) 단계에서 상기 금속 전구체 용액으로 함침된 무기산화물 지지체를 873 내지 1273K에서 열처리하여 촉매를 제조한다. 예를 들어, 상기 c)단계는 323 내지 423K에서 0.5 내지 2시간 건조 후, 873 내지 1273K에서 1 내지 3시간 열처리하는 것을 특징으로 할 수 있다. Subsequently, in step c), the inorganic oxide support impregnated with the metal precursor solution is heat-treated at 873 to 1273 K to prepare a catalyst. For example, step c) may be characterized in that after drying at 323 to 423K for 0.5 to 2 hours, heat treatment at 873 to 1273K for 1 to 3 hours.
상기 건조는, 제2 침지 단계를 거친 다공성 촉매 지지체 입자를 건조를 통해 다공성 촉매 지지체의 표면과 내부 기공에 잔류하는 소수성 제1 용매와 친수성 제2 용매를 제거하면, 상기 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체가 다공성 촉매 지지체의 표면과 표면 부근의 친수성 금속 전구체 용액이 존재했던 영역에만 잔류하게 되어, 제형된 촉매 지지체의 표면 부분에만 선택적으로 활성금속을 잔류시킬 수 있다.The drying is performed by drying the porous catalyst support particles that have passed through the second immersion step to remove the hydrophobic first solvent and the hydrophilic second solvent remaining on the surface and internal pores of the porous catalyst support, and the catalytically active material or the catalytically active material The precursor of the porous catalyst support remains only in a region where the hydrophilic metal precursor solution was present on the surface of the porous catalyst support and the active metal can be selectively left only on the surface portion of the formulated catalyst support.
상기 열처리는 공기분위기에서 973 내지 1173K, 좋게는 1023 내지 1123K, 더 좋게는 1050 내지 1100K에서, 승온시간 4 내지 6시간 및 유지시간 1 내지 3시간의 조건으로 열처리하여 촉매를 제조하는 것일 수 있다. The heat treatment may be to prepare a catalyst by heat treatment under conditions of 973 to 1173K, preferably 1023 to 1123K, more preferably 1050 to 1100K in an air atmosphere, a heating time of 4 to 6 hours and a holding time of 1 to 3 hours.
본 발명의 다른 일 구현예는, 상기 수증기 메탄 개질용 촉매를 이용하여, 메탄의 수증기 개질반응을 통한 합성가스 제조방법을 제공한다. Another embodiment of the present invention provides a method for producing a syngas through a steam reforming reaction of methane using the steam methane reforming catalyst.
상기 메탄의 수증기 개질반응을 통한 합성가스 제조방법은 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 존재 하에, 메탄 및 수증기를 1:1 내지 1:3 몰비로 주입하면서 반응시키는 것을 특징으로 한다. The synthesis gas production method through the steam reforming reaction of methane is characterized in that in the presence of the steam methane reforming catalyst, methane and water vapor are injected at a molar ratio of 1:1 to 1:3 while reacting.
상기 수증기 메탄 개질용 촉매는 상술한 바와 같고, 상기 메탄 및 수증기는 1:1 내지 1:3 몰비로 주입되는 것에 특징이 있으며, 좋게는 1:2 내지 1:3의 몰비로 주입될 수 있다. 지지체 내에 농도구배 없이 활성금속이 담지된 촉매의 경우 활성금속 표면에 CO 흡착에 의한 탄소침적으로 촉매 붕괴의 문제가 발생되었고, 이를 해결하기 위해 메탄 대비 수증기를 더욱 높은 비율로 주입하였으나, 이에 따라 촉매 활성이 저하되고 합성가스 생산량이 저하되었다. 본 발명의 경우 지지체 표면에 선택적으로, 농도구배를 가지는 활성금속을 담지하므로 메탄 대비 수증기 주입 비율을 상기 수치범위로 낮출 수 있어서 합성가스의 생산량 증가로 이어질 수 있다. The steam methane reforming catalyst is as described above, and the methane and steam are injected in a molar ratio of 1:1 to 1:3, and preferably in a molar ratio of 1:2 to 1:3. In the case of a catalyst in which an active metal was supported without a concentration gradient in the support, the problem of catalyst collapse occurred due to carbon deposition due to the adsorption of CO on the surface of the active metal, and to solve this problem, water vapor was injected at a higher ratio compared to methane. The activity was lowered and the production of syngas was lowered. In the case of the present invention, since the active metal having a concentration gradient is selectively supported on the surface of the support, the ratio of water vapor injection to methane can be reduced to the above numerical range, which may lead to an increase in the production of syngas.
상기 메탄의 수증기 개질반응은 973 내지 1273K의 온도에서, 1 내지 5시간 반응시키는 것일 수 있고, 좋게는 973 내지 1200K, 또는 973 내지 1073K 의 온도에서, 1 내지 5시간 반응하는 것일 수 있다. 상기 메탄의 수증기 개질반응은 반응온도가 증가할수록 촉매에 담지된 활성금속의 양에 영향을 크게 받는 것으로 분석되었으며, 상기 반응온도 범위에서 본 발명의 무기 산화물 지지체 표면에 선택적으로 담지된 촉매의 활성이 가장 효과적이었다. 또한, 반응온도가 과도하게 높으면 수증기 개질과 부분 산화반응의 조합인 자열개질반응이 일어나므로 본 발명의 메탄의 수증기 개질 반응 측면에서 바람직하지 않으며, 반면 반응온도가 너무 낮으면 충분한 개질반응이 진행되지 않는다. 한편, 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체, 특히 MgAl2O4, NiAl2O4, 및 MgAl2O4-NiAl2O4으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 지지체를 사용함으로써 상기 메탄의 수증기 개질반응이 진행되는 고온 범위에서 내열성이 우수하여 촉매 내구성을 향상시킬 수 있으며, 상기 무기산화물 지지체의 스피넬 구조에 의해 탄소침적을 더욱 효과적으로 억제할 수 있으므로 바람직하다.The steam reforming reaction of methane may be to react at a temperature of 973 to 1273K for 1 to 5 hours, preferably at a temperature of 973 to 1200K, or 973 to 1073K, to react for 1 to 5 hours. The steam reforming reaction of methane was analyzed to be greatly influenced by the amount of active metal supported on the catalyst as the reaction temperature increased, and the activity of the catalyst selectively supported on the surface of the inorganic oxide supporter of the present invention in the reaction temperature range It was the most effective. In addition, when the reaction temperature is excessively high, an autothermal reforming reaction, which is a combination of steam reforming and partial oxidation, occurs, which is not preferable in terms of the steam reforming reaction of methane of the present invention. Does not. On the other hand, the inorganic oxide support, in particular, MgAl 2 O 4, NiAl 2 O 4, MgAl 2 O 4 and -NiAl steam reforming of methane by using the one or more than one support selected from the group consisting of 2 O 4 having a spinel structure It is preferable because it has excellent heat resistance in a high temperature range in which the reaction proceeds, thereby improving catalyst durability, and more effectively suppressing carbon deposition due to the spinel structure of the inorganic oxide support.
상기 메탄의 수증기 개질반응은 메탄 및 수증기를 공간속도(WHSV) 6,000 내지 24,000 mL/(h·gcat)로 주입하면서 반응시키는 것일 수 있고, 좋게는 12,000 내지 24,000 mL/(h·gcat) 또는 6,000 내지 12,000 mL/(h·gcat), 더 좋게는 14,000 내지 24,000 mL/(h·gcat) 또는 18,000 내지 24,000 mL/(h·gcat)의 공간속도로 주입하는 것일 수 있다. 본 발명의 촉매는 고온 안정성 및 내구성이 개선됨에 따라 종래 촉매 대비 빠른 공간속도에서 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있다. The steam reforming reaction of methane may be to react while injecting methane and steam at a space velocity (WHSV) of 6,000 to 24,000 mL/(h·g cat ), preferably 12,000 to 24,000 mL/(h·g cat ) or It may be injected at a space velocity of 6,000 to 12,000 mL/(h·g cat ), more preferably 14,000 to 24,000 mL/(h·g cat ) or 18,000 to 24,000 mL/(h·g cat ). As the catalyst of the present invention improves high temperature stability and durability, it is possible to further improve catalytic activity at a faster space velocity compared to a conventional catalyst.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example
비교예 1 내지 비교예 4Comparative Examples 1 to 4
감압증류법을 사용하여 MgAl2O4 펠렛에 니켈 전구체(Nickel nitrate hexahydrate(Sigma aldrich, 98%)를 다양한 농도로 함침시킨 후 373 K에서 1 시간 건조 후, 공기하에 1073 K(승온 5시간, 유지 2시간)에서 소성시켜 촉매를 제조하였다. After impregnating a nickel precursor (Nickel nitrate hexahydrate (Sigma aldrich, 98%) at various concentrations into MgAl 2 O 4 pellets using a vacuum distillation method, drying for 1 hour at 373 K, 1073 K under air (5 hours heating, 2 maintenance) Time) to prepare a catalyst.
비교예 1 내지 비교예 4는 각각 니켈금속이 MgAl2O4 펠렛 및 니켈금속 총 중량에 대하여 3.5 중량%, 5 중량%, 10중량%, 및 2 중량%로 포함되도록 제조하였다. Comparative Examples 1 to 4 were prepared so that the nickel metal was included in 3.5% by weight, 5% by weight, 10% by weight, and 2% by weight, respectively, based on the total weight of the MgAl 2 O 4 pellet and the nickel metal.
비교예 5Comparative Example 5
MgAl2O4 펠렛에 니켈금속이 15 중량% 담지된 상용촉매(Com-R, 제조사:Clariant, HyProGen® R-70)를 사용하였다. MgAl 2 O 4 pellet nickel metal is 15 wt% (Com-R, manufacturer: Clariant, HyProGen ® R-70 ) A commercial catalyst supported on the used.
실시예 1 내지 실시예 3Examples 1 to 3
MgAl2O4 펠렛을 소수성 용매(hydrophobic solvent, ethylene glycol)에 담근 후 감압증류법을 이용해서 펠렛 내부에 소수성용매를 담지하였다. After immersing the MgAl 2 O 4 pellet in a hydrophobic solvent (ethylene glycol), a hydrophobic solvent was supported inside the pellet using a vacuum distillation method.
체에 거른 펠렛은 감압증류법을 사용하여 니켈전구체(Nickel nitrate hexahydrate, Sigma aldrich, 98%)를 다양한 농도로 함침시킨 후 373 K에서 1 시간 건조 후, 공기하에 1073 K(승온 5시간, 유지 2시간)에서 소성시켜 촉매를 제조하였다.The sifted pellets were impregnated with nickel precursors (Nickel nitrate hexahydrate, Sigma aldrich, 98%) at various concentrations using a vacuum distillation method, dried at 373 K for 1 hour, and then dried at 373 K for 1 hour, followed by 1073 K in air (
실시예 1 내지 실시예 3은 각각 니켈금속이 MgAl2O4 펠렛 및 니켈금속 총 중량에 대하여 2 중량%, 3.5 중량%, 및 5 중량%로 포함되도록 제조하였다.Examples 1 to 3 were prepared so that nickel metal was contained in an amount of 2% by weight, 3.5% by weight, and 5% by weight based on the total weight of the MgAl 2 O 4 pellet and the nickel metal.
평가예Evaluation example
평가예 1: 제조된 촉매의 단면 사진 촬영과 Scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) 분석Evaluation Example 1: Cross-sectional photographing of the prepared catalyst and Scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) analysis
비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 단면 촬영과 SEM-EDS 분석을 통해 촉매의 펠렛 내부의 각 지점마다 니켈 농도의 분포를 확인하였다.The distribution of nickel concentration at each point inside the pellet of the catalyst was confirmed through cross-sectional photographing and SEM-EDS analysis of the catalysts prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3.
Scanning Electron Microscopy-Energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) 분석을 통해 지지체의 각 지점마다의 농도를 비교하였고, 구체적으로 파란색 점 부분을 포인트로 하여 니켈의 담지량을 분석하였고 그 결과 그래프와 단면이미지를 겹쳐서 도2a에 나타내었다. 제조된 모든 촉매의 결과는 도 2b에 나타내었다. The concentration at each point of the scaffold was compared through Scanning Electron Microscopy-Energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) analysis. Specifically, the amount of nickel supported was analyzed using the blue point as the point. As a result, graphs and cross-sectional images It is shown in Figure 2a by overlapping. The results of all the prepared catalysts are shown in Figure 2b.
도 2a 및 도 2b를 참고하면 농도구배가 없는 비교예 1 내지 3의 촉매와 농도구배를 지닌 실시예 1 내지 3의 촉매별로 니켈 농도 분포에 큰 차이를 확인할 수 있었다. 농도구배가 없는 형태로 제조된 촉매는 펠렛 내부의 니켈농도 분포도가 거의 일정함을 보여주고 농도구배를 지닌 형태로 제조된 촉매는 펠렛 양쪽 바깥부분에만 니켈의 농도가 높음을 확인하였다. 이를 통해 농도구배를 지닌 촉매가 잘 제조되었음을 확인할 수 있었다.Referring to FIGS. 2A and 2B, it was possible to confirm a large difference in the nickel concentration distribution for each of the catalysts of Comparative Examples 1 to 3 without a concentration gradient and the catalysts of Examples 1 to 3 having a concentration gradient. The catalyst prepared in a form without a concentration gradient showed that the distribution of nickel concentration inside the pellet was almost constant, and the catalyst prepared in a form with a concentration gradient confirmed that the concentration of nickel was high only in both outer portions of the pellet. Through this, it was confirmed that the catalyst having a concentration gradient was well prepared.
평가예 2: 제조된 촉매의 구조적 특성 분석Evaluation Example 2: Analysis of Structural Characteristics of the Prepared Catalyst
(1)실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 X-ray diffraction (XRD) 분석(1) X-ray diffraction (XRD) analysis of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3
제조된 촉매를 각각 막자사발에 갈아 샘플링하였다. 도 3의 (a)에서 비교예 1 내지 3의 농도구배가 없는 형태로 제조된 촉매, 도 3의 (b)에서 실시예 1 내지 3의 농도구배를 지닌 형태로 제조된 촉매의 소성 후 XRD 패턴을 나타내었다. Each prepared catalyst was sampled by grinding in a mortar. XRD pattern after firing of the catalyst prepared in the form without the concentration gradient of Comparative Examples 1 to 3 in FIG. 3 (a), and the catalyst prepared in the form with the concentration gradient of Examples 1 to 3 in FIG. 3 (b) Shown.
도 3을 참고하면, XRD 분석을 통해 제조된 촉매는 MgAl2O4, NiAl2O4, NiO 상이 제조된 촉매를 구성하는 주요 상임을 확인하였고, 농도구배가 없는 촉매와 농도구배를 지닌 촉매의 XRD 패턴에서 구조상의 다른 점이 없음을 확인하였다.Referring to Figure 3, the catalyst prepared through XRD analysis was confirmed that the MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , NiO phase is the main phase constituting the prepared catalyst, and the catalyst without a concentration gradient and the catalyst with a concentration gradient. It was confirmed that there were no structural differences in the XRD pattern.
(2)H(2)H 22 -Temperature programmed reduction(TPR) 분석을 통한 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 촉매의 환원온도 분석-Analysis of the reduction temperature of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 through Temperature Programmed Reduction (TPR) analysis
제조된 촉매를 각각 막자사발에 갈아 샘플링하였다. 제조된 촉매의 환원온도를 알아보기 위한 H2-TPR 분석의 결과를 도 4에 나타내었다. Each prepared catalyst was sampled by grinding in a mortar. The results of H 2 -TPR analysis to determine the reduction temperature of the prepared catalyst are shown in FIG. 4.
도 4를 참고하면, MgAl2O4 지지체 자체는 환원 피크가 매우 작고 제조된 촉매의 환원 온도보다 낮은 온도에서 피크가 위치한다. 이를 통해 지지체는 제조된 촉매의 환원 온도에 영향을 주지 않음을 확인하였다. 제조된 촉매의 환원 피크는 1000 K 이상에서 형성을 하였고 이 온도는 NiAl2O4의 환원온도에 해당하며, 제조된 촉매에서의 환원에 영향을 끼치는 주된 구조는 NiAl2O4임을 확인하였다. 또한 피크의 정도는 니켈이 함침된 양에 의존하여 니켈의 함침된 양이 많을수록 피크의 세기는 증가하였으며, 농도구배가 없는 촉매와 농도구배를 지닌 촉매의 환원 피크의 거동은 비슷하였다.Referring to FIG. 4, the MgAl 2 O 4 support itself has a very small reduction peak and a peak is located at a temperature lower than the reduction temperature of the prepared catalyst. Through this, it was confirmed that the support did not affect the reduction temperature of the prepared catalyst. Reduction peak of the prepared catalyst was formed in a more than 1000 K the temperature is equivalent to reducing the temperature of the NiAl 2 O 4, the main structure to affect the reduction in the produced catalyst was identified as NiAl 2 O 4. In addition, the degree of peak depended on the amount of nickel impregnated. As the amount of nickel impregnated increased, the intensity of the peak increased, and the behavior of the reduction peak of the catalyst without concentration gradient and the catalyst with concentration gradient was similar.
(3)Transmission electron microscopy (TEM) 분석을 통한 니켈 입자 크기 확인(3) Confirmation of nickel particle size through transmission electron microscopy (TEM) analysis
제조된 촉매를 각각 막자사발에 갈아준 후, 10 vol.% H2/N2 조건하에(총유량 = 100 mL/min) 1073K에서 2시간 동안 환원을 진행하였고(승온 2시간30분, 유지 2시간), TEM 분석 결과 및 니켈 입자사이즈를 각각 도 5와 하기 표 1에 나타내었다. Each of the prepared catalysts was ground in a mortar, and reduction was performed at 1073K for 2 hours under 10 vol.% H 2 /N 2 conditions (total flow rate = 100 mL/min) (
도 5의 TEM 결과와 표 1의 니켈 입자사이즈를 참고하면, 니켈의 함량이 높아질수록 니켈의 입자사이즈가 커짐을 확인하였다. 이는 농도구배가 없는 촉매와 농도구배를 지닌 촉매에서 거동이 유사하였다. Referring to the TEM results of FIG. 5 and the nickel particle size in Table 1, it was confirmed that the larger the nickel content, the larger the nickel particle size. This behavior was similar for the catalyst without concentration gradient and the catalyst with concentration gradient.
그러나 도 2b와 연계하여 검토할 때, 비교예 2와 실시예 2의 지지체 표면의 니켈 농도를 살펴보면 각각 5 wt%로 유사한 것을 알 수 있으나, 도 6에서는 비교예 2가 실시예 2 대비 니켈의 입자사이즈가 크고, 분포도는 적은 것을 알 수 있었다. 즉, 농도구배가 없는 촉매의 경우 촉매 환원 후 니켈금속 입자의 뭉침 현상이 발생됨을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 농도구배를 지닌 촉매는 적은 함량으로 니켈을 담지함에도 불구하고 지지체 표면에 니켈 함량이 높고, 아울러 지지체 표면 니켈 함량이 높음에도 불구하고 니켈금속 입자 뭉침 현상이 억제됨에 따라, 촉매 활성이 매우 좋은 것으로 확인된다. However, when reviewed in connection with FIG. 2B, when examining the nickel concentration on the surface of the support of Comparative Example 2 and Example 2, it can be seen that they are similar at 5 wt%, respectively, but in FIG. 6, Comparative Example 2 is a nickel particle compared to Example 2 It was found that the size was large and the distribution was small. That is, in the case of a catalyst without a concentration gradient, it was confirmed that agglomeration of nickel metal particles occurred after catalyst reduction. From these results, the catalyst with a concentration gradient has a high nickel content on the surface of the support despite supporting nickel in a small amount, and as the agglomeration of nickel metal particles is suppressed despite the high nickel content on the support surface, the catalytic activity is reduced. It turns out to be very good.
결론적으로 상용촉매는 니켈의 담지량이 10 중량% 이상 20 중량% 이하로 상대적으로 높으나, 본 발명은 니켈을 표면에만 선택적으로 담지시켜서 효과적으로 사용하므로 니켈 담지량은 3.5 중량%일 때 가장 바람직하였고, 최대 5 중량% 최소 1 중량%이면 수증기 개질 반응을 진행하는데 충분하였다. In conclusion, the supported amount of nickel in the commercial catalyst is relatively high, such as 10% by weight or more and 20% by weight or less, but the present invention selectively supports nickel only on the surface and effectively uses it. A minimum of 1% by weight was sufficient to proceed with the steam reforming reaction.
평가예 3: 촉매의 SMR 반응 특성Evaluation Example 3: SMR reaction characteristics of the catalyst
(1)제조된 펠렛 촉매를 분말화하여 SMR 반응에 적용(1) The manufactured pellet catalyst is pulverized and applied to the SMR reaction.
실시예 2, 비교예 3 및 비교예 5에서 제조된 촉매를 막자사발에 간 후 입자 사이즈가 100~212 ㎛인 촉매입자들만 선택해서 사용하였다. After the catalysts prepared in Example 2, Comparative Example 3, and Comparative Example 5 were placed in a mortar, only catalyst particles having a particle size of 100 to 212 µm were selected and used.
촉매는 1/4-inch fixed bed 반응기에서 SMR 반응을 진행하였다. 반응 전 10 vol.% H2/N2 조건하에(총유량 = 100 mL/min) 1073K(승온 2시간30분, 유지 2시간) 환원 과정을 거친 후 steam (H2O)과 carbon (methane)의 비율을 3:1로 하여 SMR 반응을 진행하였고 (반응온도: 973 K, 1073 K, weight hourly space velocity (WHSV) = 7,200 mL·gcat -1·h-1), 그 결과를 도 6에 나타내었다. The catalyst was subjected to SMR reaction in a 1/4-inch fixed bed reactor. Under the condition of 10 vol.% H 2 /N 2 before the reaction (total flow = 100 mL/min) 1073K (
도 6을 참고하면, 상용촉매인 비교예 5(15wt%)는 니켈의 함량이 제조된 촉매들보다 많아 각각의 반응 온도에서 메탄 전환율이 가장 높았으며 제조된 촉매는 높은 반응온도에서 니켈의 함량이 높은 비교예 3(10 wt%)의 메탄 전환율이 상대적으로 니켈 함량이 적은 실시예 2(3.5 wt%)촉매의 메탄 전환율보다 높았다. 하지만 낮은 반응온도에서 촉매의 메탄 전환율은 두 촉매 모두 비슷하였다. 결론적으로 고온에서의 메탄 전환율은 니켈의 함량에 보다 큰 영향을 받는다는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 6, Comparative Example 5 (15wt%), a commercial catalyst, had the highest nickel content than the prepared catalysts, and thus had the highest methane conversion rate at each reaction temperature, and the prepared catalyst had a nickel content at a high reaction temperature. The high methane conversion rate of Comparative Example 3 (10 wt%) was higher than that of the catalyst of Example 2 (3.5 wt%) having a relatively low nickel content. However, at lower reaction temperatures, the catalyst's methane conversion rate was similar for both catalysts. In conclusion, it was confirmed that the conversion rate of methane at high temperature was more influenced by the nickel content.
(2)제조된 펠렛 촉매의 SMR 반응에 적용(2) Applied to the SMR reaction of the manufactured pellet catalyst
비교예 5(상용촉매), 실시예 2, 비교예 2 및 3에서 제조된 촉매를 펠렛 형태 그대로 실험을 진행하였다. The catalysts prepared in Comparative Example 5 (commercial catalyst), Example 2, and Comparative Examples 2 and 3 were tested in the form of pellets.
1-inch fixed bed 반응기에서 SMR 반응을 진행하였고, 반응 전 20 vol.% H2/N2 조건하에 1073 K(승온 2시간30분, 유지 2시간) 환원 과정을 거친 후 steam (H2O)과 carbon (methane)의 비율을 3:1로 하여 SMR 반응을 진행하였으며 (반응온도: 973, 1073 K, WHSV = 6,000~24,000 mL·gcat -1·h-1), 그 결과를 도 7에 나타내었다. SMR reaction was carried out in a 1-inch fixed bed reactor, and steam (H 2 O) after 1073 K (
도 7은 비교예 5(상용촉매), 실시예 2, 비교예 2 및 3에서 제조된 펠렛 촉매를 다양한 공간속도에서 SMR 반응 실험 후 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하면 모든 촉매의 메탄 전환율은 공간속도가 증가하면 감소하였다. 또한 상용촉매보다 제조된 촉매들의 메탄 전환율이 높았다. 농도구배가 없는 촉매들끼리만 비교하자면 니켈의 함량이 높아질수록 메탄의 전환율은 증가한다. 그러나 농도구배를 지닌 촉매인 실시예 2(니켈금속 함량 3.5wt%) 촉매는 비교예 2(니켈금속 함량 5wt%) 촉매보다 니켈 함량이 낮지만 전체 공간속도에서 메탄 전환율이 높음을 보였고, 비교예 3(니켈금속 함량 10wt%)보다는 메탄 전환율이 낮았다. 전술한 분말 촉매의 실험 결과에서는 니켈의 함량이 메탄 전환율에 영향을 주는 인자인 것을 고려하면 본 실험은 전혀 다른 양상을 보인다는 점을 알 수 있었다. 하지만 도 2b와 연계하였을 때, 제조된 촉매의 양쪽 바깥부분의 니켈의 함량이 높은 순으로 촉매를 나열하면 비교예 3, 실시예 2, 비교예 2 순서이다. 이는 SMR 반응이 펠렛 촉매의 겉면에서만 반응이 일어난다는 이론을 적용하면 의미 있는 결과임이 확실하다. 7 is a graph showing the results after SMR reaction experiments of the pellet catalysts prepared in Comparative Example 5 (commercial catalyst), Example 2, Comparative Examples 2 and 3 at various space velocities. Referring to FIG. 7, the methane conversion rates of all catalysts decreased as the space velocity increased. In addition, the methane conversion rate of the prepared catalysts was higher than that of the commercial catalyst. Comparing only catalysts without a concentration gradient, the higher the nickel content, the higher the methane conversion rate. However, the catalyst of Example 2 (nickel metal content 3.5 wt%), which is a catalyst having a concentration gradient, has a lower nickel content than the catalyst in Comparative Example 2 (
본 실험의 결과, SMR 반응은 펠렛 촉매의 겉면에서만 반응이 일어나며 농도구배를 지닌 촉매의 니켈 분포가 적은 양의 니켈 사용으로도 SMR 반응에서 영향력이 있음을 확인하였다.As a result of this experiment, it was confirmed that the SMR reaction occurred only on the outer surface of the pellet catalyst, and the nickel distribution of the catalyst having a concentration gradient had an influence on the SMR reaction even with the use of a small amount of nickel.
(3)제조된 펠렛 촉매의 가혹한 조건에서의 SMR 반응에 적용(3) Applied to the SMR reaction of the manufactured pellet catalyst under severe conditions
실시예 1 내지 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5에서 제조된 촉매를 펠렛 형태로 실험을 진행하였다. The catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were tested in the form of pellets.
촉매는 1-inch fixed bed 반응기에서 SMR 반응을 진행하였고, 반응 전 20 vol.% H2/N2 조건하에 1073 K(승온 2시간30분, 유지 2시간)에서 환원 과정을 거친 후 steam(H2O)과 carbon(methane)의 비율을 0.5:1로 하여 SMR 반응을 진행하였다 (반응온도 : 973 K, WHSV = 14,000 mL·gcat -1·h-1, 반응시간: 6 h). 이 중 실시예 2, 비교예 3 및 5의 반응결과(메탄 전환율)을 도 8에 나타내었다. The catalyst was subjected to SMR reaction in a 1-inch fixed bed reactor, and after the reduction process at 1073 K (2 hours and 30 minutes of heating, 2 hours of maintenance) under the condition of 20 vol.% H 2 /N 2 before the reaction, steam (H 2 O) and carbon (methane) ratio of 0.5:1 was carried out SMR reaction (reaction temperature: 973 K, WHSV = 14,000 mL·g cat -1 ·h -1 , reaction time: 6 h). Among them, the reaction results (methane conversion rate) of Example 2 and Comparative Examples 3 and 5 are shown in FIG. 8.
또한, 도 9에 가혹조건에서 SMR반응을 진행한 후 펠렛촉매를 회수하여 펠렛의 색깔이나 형태의 변화를 사진으로 나타내었다.In addition, in FIG. 9, after performing the SMR reaction under severe conditions, the pellet catalyst was recovered, and the change in the color or shape of the pellets was shown as a photograph.
도 8을 참고하면, 본 실험은 상용촉매와 제조된 촉매의 탄소침적 내성을 확인하기 위해 steam과 methane의 비율을 0.5:1로 하여 가혹조건에서 실험한 결과를 나타낸 것이다. 그 결과 메탄의 전환율에서는 큰 차이를 보이지 않는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 8, this experiment shows the results of an experiment under severe conditions with a ratio of steam and methane of 0.5:1 in order to confirm the carbon deposition resistance of the commercial catalyst and the prepared catalyst. As a result, it was confirmed that there was no significant difference in the conversion rate of methane.
하지만 반응이 끝난 후 회수한 촉매에서 매우 큰 차이를 보였다. 도 9를 참고하면, 비교예 5와 비교예 3의 촉매는 형태를 알아볼 수 없을 정도로 부서졌고, 비교예 2도 펠렛의 겉면이 일부 부서진 것을 확인하였다. 하지만 농도구배를 지닌 촉매(실시예 1 내지 3)와 니켈의 함량이 낮은 농도구배가 없는 촉매(비교예 4)는 펠렛이 부서지지 않은 것을 확인하였다. 보통의 탄소침적은 니켈 입자 위에서 일어난다. 니켈의 함량이 높고 니켈이 펠렛 내부로 잘 분산된 촉매일수록 펠렛 내부의 니켈입자에서 탄소침적이 일어나 펠렛에 스트레스를 가하면서 펠렛이 깨지는 현상이 일어난다. 그래서 비교예 5 및 비교예 3의 촉매는 도 9와 같이 형태를 알아볼 수 없을 정도로 파쇄되었고, 상대적으로 니켈 함량이 낮은 비교예 2의 촉매는 겉면 일부만 손상됨을 알 수 있었다. 하지만 농도구배를 지닌 촉매들은 펠렛의 겉면에만 니켈이 집중적으로 분포되어 있어 농도구배가 없는 촉매보다 상대적으로 내부에서 받는 스트레스가 없고 바깥에만 탄소가 침적되어 펠렛이 파쇄될 위험이 적다. 이와 같은 현상을 통해 농도구배를 지닌 촉매가 탄소침적에 내성이 강한 촉매이며, SMR 반응에 더 적합함을 확인하였다. However, there was a very large difference in the recovered catalyst after the reaction was over. Referring to FIG. 9, the catalysts of Comparative Example 5 and Comparative Example 3 were broken so that the shape of the catalyst was not recognizable, and Comparative Example 2 also confirmed that the outer surface of the pellet was partially broken. However, it was confirmed that the pellets were not broken in the catalysts having a concentration gradient (Examples 1 to 3) and a catalyst without a concentration gradient having a low nickel content (Comparative Example 4). Normal carbon deposition occurs on nickel particles. The higher the nickel content and the better the nickel is dispersed in the pellet, the more carbon is deposited in the nickel particles inside the pellet, and the pellet is cracked while stress is applied to the pellet. Therefore, the catalysts of Comparative Example 5 and Comparative Example 3 were crushed to such an extent that the shape cannot be recognized as shown in FIG. 9, and it was found that the catalyst of Comparative Example 2 having a relatively low nickel content was partially damaged. However, catalysts with a concentration gradient do not have a relatively internal stress compared to catalysts without a concentration gradient because nickel is concentrated only on the outer surface of the pellet, and there is less risk of pellet crushing due to carbon deposition only on the outside. Through this phenomenon, it was confirmed that the catalyst having a concentration gradient is a catalyst with strong resistance to carbon deposition and is more suitable for SMR reaction.
(4)가혹한 조건의 SMR 반응 후 thermo gravimetric analysis (TGA)를 통한 촉매의 탄소 침적량 분석(4) Analysis of carbon deposition in catalyst through thermo gravimetric analysis (TGA) after SMR reaction under severe conditions
SMR 반응 후 촉매를 각각 막자사발에 갈아 탄소 침적량 분석을 진행하였다. SMR 반응이 끝난 후 회수된 촉매 시료의 중량을 기준으로 공기를 흘려주면서 가열해서 (TGA) 줄어든 중량을 탄소 침적량으로 환산하였으며, 촉매 시료 총 중량에 대해 줄어든 중량을 백분율로 계산하여 하기 표 2에 Coke 총 생성량으로 기재하였다.After the SMR reaction, each catalyst was ground in a mortar to analyze the amount of carbon deposition. After the SMR reaction was completed, the weight reduced by heating (TGA) by flowing air based on the weight of the recovered catalyst sample was converted to the amount of carbon deposited, and the weight reduced to the total weight of the catalyst sample was calculated as a percentage, and the following Table 2 shows Coke. It was described as the total production amount.
한편, Coke 총 생성량이 50 중량%인 경우 SMR 반응 후 회수된 시료 중 50 중량%가 침적된 탄소임을 의미하는 것이고 100 중량%라는 것은 시료 전체가 탄소로 이루어진 물질임을 의미한다. On the other hand, when the total amount of Coke produced is 50% by weight, it means that 50% by weight of the sample recovered after the SMR reaction is deposited carbon, and 100% by weight means that the entire sample is made of carbon.
(중량%)Nickel metal content
(weight%)
(중량%)Total amount of coke produced
(weight%)
표 2와 같이 니켈의 함유량이 많을수록, 그리고 니켈을 지지체 내에 농도구배 없이 담지시키는 경우 탄소 침적량이 더 많았다. 가혹한 조건의 SMR 반응 후 펠렛의 형태에 대한 결과와 탄소 침적량의 결과를 종합해 볼 때, 니켈이 농도구배를 지니며 담지되었을 때 탄소침적에 대한 저항성이 크며, 따라서 농도구배를 지닌 촉매가 SMR 반응에 더 적합함을 확인하였다.As shown in Table 2, the greater the content of nickel, and when nickel is supported in the support without a concentration gradient, the amount of carbon deposition is greater. When the results of the shape of the pellet and the amount of carbon deposition after the SMR reaction under severe conditions are combined, nickel has a concentration gradient and has a high resistance to carbon deposition when supported, so the catalyst with the concentration gradient is the SMR reaction. It was confirmed that it is more suitable for.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains to the technical idea of the present invention. It will be appreciated that it can be implemented in other specific forms without changing any or essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and are not limiting.
Claims (20)
상기 무기산화물 지지체는 상기 활성금속의 농도구배를 가지는 것을 특징으로 하는, 수증기 메탄 개질용 촉매.Inorganic oxide support having a spinel structure; And an active metal,
The inorganic oxide support, characterized in that having a concentration gradient of the active metal, steam methane reforming catalyst.
상기 활성금속은 니켈, 백금, 팔라듐, 은, 금 및 루테늄 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The active metal comprises one or two or more selected from the group consisting of nickel, platinum, palladium, silver, gold and ruthenium metals, steam methane reforming catalyst.
상기 활성금속은 NiAl2O4, NiO, 및 Ni으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 상을 포함하는 수증기 메탄 개질용 촉매. In claim 1,
The active metal is NiAl 2 O 4 , NiO, and a catalyst for steam methane reforming comprising one or more phases selected from the group consisting of Ni.
상기 활성금속의 농도구배는, 상기 무기 산화물 지지체의 중심으로부터 표면방향으로 증가하는 형태인 것인, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The concentration gradient of the active metal is in the form of increasing in the surface direction from the center of the inorganic oxide support, steam methane reforming catalyst.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는,
중심으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하의 영역에서,
활성금속 총 중량에 대하여 10 중량% 이하의 활성금속을 담지하는 것인, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The inorganic oxide support having the spinel structure,
In the area of less than 30% of the length of the radius of the support from the center,
A catalyst for steam methane reforming that supports 10% by weight or less of an active metal based on the total weight of the active metal.
상기 스피넬 구조의 무기산화물 지지체는,
표면으로부터 지지체 반경의 30 길이% 이하의 영역에서,
활성금속 총 중량에 대하여 50 중량% 이상의 활성금속을 담지하는 것인, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The inorganic oxide support of the spinel structure,
In the area of less than 30% of the length of the radius of the support from the surface,
A catalyst for steam methane reforming that supports 50% by weight or more of an active metal based on the total weight of the active metal.
상기 활성금속은 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 총 중량에 대하여 1 내지 10중량%로 포함되는, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The active metal is contained in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the steam methane reforming catalyst.
상기 활성금속은 상기 수증기 메탄 개질용 촉매 총 중량에 대하여 1 내지 5중량%로 포함되는, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The active metal is contained in an amount of 1 to 5% by weight based on the total weight of the steam methane reforming catalyst.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는 MgAl2O4, NiAl2O4, 및 MgAl2O4-NiAl2O4으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The inorganic oxide support having the spinel structure is one or two or more selected from the group consisting of MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 , and MgAl 2 O 4 -NiAl 2 O 4, a catalyst for steam methane reforming.
상기 스피넬 구조를 갖는 무기산화물 지지체는 펠렛형, 실린더형, 튜브형 및 구형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인, 수증기 메탄 개질용 촉매.In claim 1,
The inorganic oxide support having a spinel structure is one or two or more selected from the group consisting of a pellet type, a cylinder type, a tube type, and a spherical shape, a catalyst for steam methane reforming.
b) 친수성 제2 용매 및 활성금속 전구체가 혼합된 금속 전구체 용액을 상기 소수성 제1 용매로 충진된 무기산화물 지지체에 함침하는 제2 침지단계; 및
c) 상기 금속 전구체 용액으로 함침된 무기산화물 지지체를 873 내지 1273K에서 열처리하여 촉매를 제조하는 단계;를 포함하는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법.a) a first immersion step of impregnating an inorganic oxide support having a spinel structure with a hydrophobic first solvent to prepare an inorganic oxide support filled with the hydrophobic first solvent;
b) a second immersion step of impregnating a metal precursor solution in which a hydrophilic second solvent and an active metal precursor are mixed into the inorganic oxide support filled with the hydrophobic first solvent; And
c) preparing a catalyst by heat-treating the inorganic oxide support impregnated with the metal precursor solution at 873 to 1273K.
상기 a)단계는 상기 소수성 제1용매를 감압증류법으로 무기산화물 지지체에 함침하는 것을 특징으로 하는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법.In clause 11,
In the step a), the hydrophobic first solvent is impregnated into the inorganic oxide support by vacuum distillation.
상기 b)단계는 상기 금속 전구체 용액을 회전교반 및 감압증류법으로 무기산화물 지지체에 함침하는 것을 특징으로 하는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법.In clause 11,
In the step b), the metal precursor solution is impregnated into the inorganic oxide support by rotary stirring and distillation under reduced pressure.
상기 소수성 제1 용매는 상기 친수성 제2 용매보다 높은 점도를 가지는 것에 특징이 있는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법.In clause 11,
The first hydrophobic solvent has a viscosity higher than that of the second hydrophilic solvent.
상기 소수성 제1 용매는 탄소수 2 내지 6의 다가 알코올인 것을 특징으로 하는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법.In clause 11,
The first hydrophobic solvent is a method for producing a catalyst for steam methane reforming, characterized in that a polyhydric alcohol having 2 to 6 carbon atoms.
상기 금속 전구체는 수용성 금속염인 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법.In clause 11,
The metal precursor is a water-soluble metal salt, a method for producing a catalyst for steam methane reforming.
상기 c)단계는 323 내지 423K에서 0.5 내지 2시간 건조 후, 873 내지 1273K에서 1 내지 3시간 열처리하는 것을 포함하는 수증기 메탄 개질용 촉매의 제조방법. In clause 11,
The step c) is a method for producing a catalyst for steam methane reforming comprising drying at 323 to 423 K for 0.5 to 2 hours and then heat treatment at 873 to 1273 K for 1 to 3 hours.
상기 반응은 973 내지 1273K에서 반응시키는 것을 특징으로 하는 메탄의 수증기 개질반응을 통한 합성가스 제조방법.In paragraph 18,
The reaction is a method for producing syngas through steam reforming of methane, characterized in that the reaction is carried out at 973 to 1273K.
상기 수증기 및 메탄을 공간속도 6,000 내지 24,000 mL/(h·gcat)로 주입하면서 반응시키는 것을 특징으로 하는 메탄의 수증기 개질반응을 통한 합성가스 제조방법.
In paragraph 18,
Synthetic gas production method through a steam reforming reaction of methane, characterized in that the reaction while injecting the steam and methane at a space velocity of 6,000 to 24,000 mL/(h·g cat).
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