KR20210155311A - Perovskite oxide composite catalyst, method of preparing same and water gas shift method using same - Google Patents

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KR20210155311A
KR20210155311A KR1020200093703A KR20200093703A KR20210155311A KR 20210155311 A KR20210155311 A KR 20210155311A KR 1020200093703 A KR1020200093703 A KR 1020200093703A KR 20200093703 A KR20200093703 A KR 20200093703A KR 20210155311 A KR20210155311 A KR 20210155311A
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transition metal
composite catalyst
lanthanum
oxide composite
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한정우
황루이
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a perovskite oxide composite catalyst, a method for preparing the same and a water gas shift method using the same catalyst. The composite catalyst includes: a core including a perovskite oxide represented by chemical formula 1 of L_xM^1_yM^2_1-yO_3; and nanoparticles disposed on the surface of the core and including a third transition metal. In chemical formula 1, L represents an element of lanthanides, M^1 and M^2 represent different transition metals, M^1 is a first transition metal, M^2 is a second transition metal, and x and y satisfy following inequalities: 0 < x <= 1, 0 < y < 1. In the composite catalyst according to the present invention, the metals are exsolved from the inside of the lattice of the oxide support to the surface by reduction treatment, and thus the metals are anchored strongly with the support to prevent migration of the metals at high temperature and agglomeration of the metals, thereby providing long-term stability. In addition, in the composite catalyst according to the present invention, the metals are anchored strongly to the support and are formed homogeneously on the surface of the support to provide high catalytic activity and high hydrogen production efficiency when the composite catalyst is applied to a water gas shift reaction.

Description

페로브스카이트 산화물 복합촉매, 그의 제조방법 및 그를 이용한 수성가스 전환방법{PEROVSKITE OXIDE COMPOSITE CATALYST, METHOD OF PREPARING SAME AND WATER GAS SHIFT METHOD USING SAME}Perovskite oxide composite catalyst, manufacturing method thereof, and water gas conversion method using the same

본 발명은 복합촉매, 그의 제조방법 및 그를 이용한 수성가스 전환방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수성가스 전환반응에 사용할 수 있는 페로브스카이트 산화물 복합촉매, 그의 제조방법 및 그를 이용한 수성가스 전환방법에 관한 것이다.The present invention relates to a complex catalyst, a method for producing the same, and a water gas conversion method using the same, and more particularly, a perovskite oxide complex catalyst that can be used for a water gas conversion reaction, a method for preparing the same, and a water gas conversion method using the same is about

일산화탄소를 수소로 전환하는 수성가스 전환반응(Water Gas Shift Reaction, WGSR)은 수소 생산, 연료 개질 시스템뿐만 아니라 암모니아 제조, 제철소 제련 과정 등 일선 산업현장에서 널리 활용되고 있다. 수성가스 전환반응은 일산화탄소와 수증기가 반응하여 수소와 이산화탄소를 생성하는 반응이다.Water Gas Shift Reaction (WGSR), which converts carbon monoxide into hydrogen, is widely used in front-line industrial sites such as hydrogen production and fuel reforming systems, as well as ammonia production and steel mill smelting processes. Water gas conversion reaction is a reaction in which carbon monoxide and water vapor react to produce hydrogen and carbon dioxide.

상용 공정에서 수성가스 전환반응에 사용되는 촉매는 금속을 지지체에 함침 또는 침전하여 제작하는데 이렇게 제조된 촉매에는 금속과 지지체 사이에 강한 결합을 형성시키는 것이 제한적이었다. 이로 인해, 반응 조건(보통 고온 또는 고압)에 따라 금속 원자들이 쉽게 응집되어 활성 사이트의 손실이 발생하고, 활성이 저하되는 문제점이 있었다. 또한 반응물과 강한 흡착 세기를 갖는 금속들은 카본, 황 등 독성가스의 흡착도 선호되기 때문에 피독(poisoning)을 피할 수 없다는 문제점이 있었다. 재생을 시키려면 고온을 수반한 산화 분위기에서 활성 사이트 밖에 둘러 쌓이는 카본 또는 황을 태워 제거하는 과정을 추가적으로 진행해야 한다. 그러나, 이 과정에서 금속 사이트의 손실이 발생하여 촉매의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.The catalyst used for the water gas conversion reaction in a commercial process is manufactured by impregnating or precipitating a metal on a support, and the formation of a strong bond between the metal and the support is limited in the catalyst prepared in this way. For this reason, depending on the reaction conditions (usually high temperature or high pressure), metal atoms are easily agglomerated to cause loss of active sites, and there is a problem in that activity is reduced. In addition, there is a problem in that poisoning cannot be avoided because the reactants and metals having strong adsorption strength also prefer adsorption of toxic gases such as carbon and sulfur. For regeneration, an additional process of burning and removing carbon or sulfur surrounding the active site in an oxidizing atmosphere accompanied by a high temperature is required. However, there is a problem in that the loss of metal sites occurs in this process, and the performance of the catalyst is deteriorated.

본 발명의 목적은 환원 처리에 의해 산화물 지지체의 격자 내부에서 표면으로 금속이 용출(exsolution)되어 지지체와 금속이 강하게 앵커링(anchoring)됨으로써 고온에서의 금속의 이동을 방지하여 응집현상을 방지할 수 있어 장기적으로 안정한 복합촉매를 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to prevent agglomeration by preventing metal movement at high temperatures by eluting metal from the inside of the lattice of the oxide support to the surface by reduction treatment, thereby strongly anchoring the support and the metal. It is to provide a long-term stable complex catalyst.

또한 본 발명의 목적은 지지체와 금속이 강하게 결합될 뿐만 아니라 금속이 지지체의 표면에 균일하게 형성되어 촉매 활성이 높고, 수성가스 전환반응에 적용했을 때 수소 생산 효율이 높은 복합촉매를 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide a complex catalyst with high catalytic activity and high hydrogen production efficiency when applied to water gas conversion reaction because the metal is uniformly formed on the surface of the support as well as the support and the metal are strongly bonded. .

본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 산화물을 포함하는 코어; 및 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 제3 전이금속을 포함하는 나노입자;를 포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매가 제공된다.According to an aspect of the present invention, a core comprising a perovskite oxide represented by the following Chemical Formula 1; And it is located on the surface of the core, nanoparticles comprising a third transition metal; is provided a perovskite oxide composite catalyst comprising a.

[화학식 1][Formula 1]

LxM1 yM2 1-yO3 L x M 1 y M 2 1-y O 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

L는 란타넘족 원소(Lanthanides)이고,L is a lanthanide element,

M1과 M2는 서로 다른 전이금속이고,M 1 and M 2 are different transition metals,

M1은 제1 전이금속이고,M 1 is a first transition metal,

M2는 제2 전이금속이고,M 2 is a second transition metal,

x는 0<x≤1이고, y는 0<y<1이다.x is 0<x≤1, and y is 0<y<1.

또한 상기 페로브스카이트 산화물이 상기 제2 전이금속이 상기 제1 전이금속의 격자위치에 도핑된 것일 수 있다.In addition, in the perovskite oxide, the second transition metal may be doped at a lattice position of the first transition metal.

또한 상기 나노입자의 제3 전이금속이 상기 페로브스카이트 산화물의 상기 제2 전이금속과 동일한 종류일 수 있다.In addition, the third transition metal of the nanoparticles may be the same type as the second transition metal of the perovskite oxide.

또한 상기 전이금속 M2의 공-분리 에너지(co-segregation energy)가 상기 전이금속 M1의 공-분리 에너지 보다 크고, 상기 나노입자가 전이금속 M2를 포함하고, 상기 공-분리 에너지는 환원 조건에서 소결시 상기 페로브스카이트 산화물 내의 M1 또는 M2가 상기 페로브스카이트 산화물의 표면으로 분리(co-segregation)되어 용출되는 것에 필요한 에너지일 수 있다.In addition, the transition metals M 2 in the co-separation energy (co-segregation energy) is the transition metal M 1 of a ball-greater than the separation energy, wherein the nanoparticle comprises a transition metal M 2, the ball-separation energy is reduced When sintering under the conditions, M 1 or M 2 in the perovskite oxide may be energy required for co-segregation and eluting to the surface of the perovskite oxide.

또한 상기 나노입자의 상기 제3 전이금속이 상기 페로브스카이트 산화물의 상기 제2 전이금속이 용출(exsolution)되어 형성된 것일 수 있다.In addition, the third transition metal of the nanoparticles may be formed by eluting the second transition metal of the perovskite oxide.

또한 상기 란타넘족 원소가 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 데르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에루븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르뮴(Yb) 및 루테륨(Lu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the lanthanum elements are lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), derbium ( It may include at least one selected from the group consisting of Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), yttermium (Yb), and luterium (Lu).

또한 상기 제1, 제2 또는 제3 전이금속이 각각 독립적으로 스칸튬(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.In addition, the first, second, or third transition metal is each independently scantium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co) ), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), and may include any one selected from the group consisting of zirconium (Zr).

또한 상기 화학식 1에서, L은 란타넘 원소(La)이고, M1은 철(Fe)이고, M2는 니켈(Ni)일 수 있다.Also, in Formula 1, L may be lanthanum element (La), M 1 may be iron (Fe), and M 2 may be nickel (Ni).

또한 상기 페로브스카이트 산화물 촉매가 아래 반응식 1로 표시되는 수성가스 전환반응(Water Gas Shift reaction, WGS)의 촉매로 사용하기 위한 것일 수 있다.In addition, the perovskite oxide catalyst may be used as a catalyst for a water gas shift reaction (WGS) represented by Reaction Formula 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

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

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 란타넘족 원소 전구체, 제1 전이금속 전구체, 제2 전이금속 전구체, 착화제 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합 용액의 용매를 증발시켜 겔을 제조하는 단계; (c) 상기 겔을 건조시키고, 하소(calcination)하여 페로브스카이트 분말을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 페로브스카이트 분말을 환원 조건에서 열처리하여, 아래 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 산화물을 포함하는 코어와, 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 제3 전이금속을 포함하는 나노입자를 포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 제조하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, (a) preparing a mixed solution by mixing a lanthanum group element precursor, a first transition metal precursor, a second transition metal precursor, a complexing agent and a solvent; (b) evaporating the solvent of the mixed solution to prepare a gel; (c) drying the gel and calcining to prepare a perovskite powder; And (d) by heat-treating the perovskite powder under reducing conditions, and a core including a perovskite oxide represented by the following formula (1), and located on the surface of the core, the nano comprising a third transition metal There is provided a method for producing a perovskite oxide composite catalyst comprising; preparing a perovskite oxide composite catalyst comprising particles.

[화학식 1][Formula 1]

LxM1 yM2 1-yO3 L x M 1 y M 2 1-y O 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

L는 란타넘족 원소(Lanthanides)이고,L is a lanthanide element,

M1과 M2는 서로 다른 전이금속이고,M 1 and M 2 are different transition metals,

M1은 제1 전이금속이고,M 1 is a first transition metal,

M2는 제2 전이금속이고,M 2 is a second transition metal,

x는 0<x≤1이고, y는 0<y<1이다.x is 0<x≤1, and y is 0<y<1.

또한 상기 페로브스카이트 산화물이 상기 제2 전이금속이 상기 제1 전이금속의 격자위치에 도핑된 것일 수 있다.In addition, in the perovskite oxide, the second transition metal may be doped at a lattice position of the first transition metal.

또한 상기 란타넘족 원소 전구체가 란타넘 전구체를 포함하고, 상기 란타넘 전구체가 질산 란타넘 6수화물(Lanthanum(III) nitrate hexahydrate, La(NO3)3ㆍ6H2O), 염화란타넘 7수화물(Lanthanum(III) chloride heptahydrate, LaCl3ㆍ7H2O), 아세트산 란타넘 수화물(Lanthanum(III) acetate hydrate, La(CH3COO)3ㆍxH2O), 질산 란타넘 수화물(Lanthanum(III) nitrate hydrate, La(NO3)3ㆍxH2O) 및 염화란타넘 수화물(Lanthanum(III) chloride hydrate, LaCl3ㆍxH2O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the lanthanum group element precursor includes a lanthanum precursor, and the lanthanum precursor is lanthanum nitrate hexahydrate (Lanthanum(III) nitrate hexahydrate, La(NO 3 ) 3 .6H 2 O), lanthanum chloride heptahydrate ( Lanthanum(III) chloride heptahydrate, LaCl 3 ㆍ7H 2 O), lanthanum acetate hydrate (Lanthanum(III) acetate hydrate, La(CH 3 COO) 3 ㆍxH 2 O), lanthanum nitrate hydrate (Lanthanum(III) nitrate) hydrate, La(NO 3 ) 3 •xH 2 O) and lanthanum chloride hydrate (Lanthanum(III) chloride hydrate, LaCl 3 •xH 2 O) may include at least one selected from the group consisting of.

또한 상기 제1 전이금속 전구체가 철 전구체를 포함하고, 상기 제2 전이금속 전구체가 니켈 전구체를 포함할 수 있다.In addition, the first transition metal precursor may include an iron precursor, and the second transition metal precursor may include a nickel precursor.

또한 상기 철 전구체가 질산 철 9수화물(Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO3)3ㆍ9H2O), 황산 철(Iron(II) sulfate, FeSO4) 및 염화 철(Iron(III) chloride, FeCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 니켈 전구체가 질산 니켈 6수화물(Nickel(II) nitrate hexahydrate, N2NiO6ㆍ6H2O), 황산 니켈(Nickel sulfate, NiSO4) 및 염화 니켈(Nickel chloride, NiCl2)로 이루어진 군으로부터선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the iron precursor is iron nitrate nonahydrate (Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O), iron sulfate (Iron(II) sulfate, FeSO 4 ) and iron (Iron(III) chloride) , FeCl 3 ) may include one or more selected from the group consisting of, the nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (Nickel (II) nitrate hexahydrate, N 2 NiO 6 ·6H 2 O), nickel sulfate (Nickel sulfate, NiSO 4 ) and nickel chloride (Nickel chloride, NiCl 2 ) It may include at least one selected from the group consisting of.

또한 상기 착화제가 시트르산(citric acid), 글라이신(glycine), 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 및 폴리아크릴릭애씨드(PAA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the complexing agent may include at least one selected from the group consisting of citric acid, glycine, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and polyacrylic acid (PAA).

또한 상기 환원 조건은 수소가스 분위기이고, 상기 열처리는 300 내지 1,000℃의 온도에서 수행될 수 있다.In addition, the reducing condition is a hydrogen gas atmosphere, the heat treatment may be performed at a temperature of 300 to 1,000 ℃.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 페로브스카이트 복합촉매 존재 하에서 아래 반응식 1에 따라 일산화탄소 및 물을 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 단계;를 포함하는 수성가스 전환방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, in the presence of the perovskite complex catalyst, carbon monoxide and water according to Reaction Formula 1 below to generate carbon dioxide and hydrogen by a water gas shift reaction; aqueous comprising; A gas conversion method is provided.

[반응식 1][Scheme 1]

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

또한 상기 수성가스 전환방법이 (a) 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매에 불활성 가스를 접촉시켜 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 전처리하는 단계; 및 (b) 전처리된 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매 존재 하에서 상기 반응식 1에 따라 일산화탄소 및 물을 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.In addition, the water gas conversion method comprises the steps of (a) pre-treating the perovskite oxide composite catalyst by contacting an inert gas with the perovskite oxide composite catalyst; And (b) generating carbon dioxide and hydrogen by performing a water gas shift reaction of carbon monoxide and water according to Scheme 1 in the presence of the pre-treated perovskite oxide complex catalyst.

또한 상기 단계 (a)의 전처리가 100 내지 200℃에서 수행될 수 있다.In addition, the pretreatment of step (a) may be performed at 100 to 200 ℃.

또한 상기 단계 (b)의 수성가스 전환반응이 100 내지 700℃에서 수행될 수 있다.In addition, the water gas conversion reaction of step (b) may be performed at 100 to 700 ℃.

또한 상기 불활성 가스가 질소가스, 헬륨가스, 네온가스, 아르곤 가스, 및 크리톤 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the inert gas may include at least one selected from the group consisting of nitrogen gas, helium gas, neon gas, argon gas, and crito gas.

본 발명의 복합촉매는 환원 처리에 의해 산화물 지지체의 격자 내부에서 표면으로 금속이 용출(exsolution)되어 지지체와 금속이 강하게 앵커링(anchoring)됨으로써 고온에서의 금속의 이동을 방지하여 응집현상을 방지할 수 있어 장기적으로 안정한 효과가 있다. In the composite catalyst of the present invention, metal is eluted from the inside of the lattice of the oxide support to the surface by reduction treatment, and the support and the metal are strongly anchored, thereby preventing the movement of metal at high temperature and preventing aggregation. It has a long-term stable effect.

또한 본 발명의 복합촉매는 지지체와 금속이 강하게 결합될 뿐만 아니라 금속이 지지체의 표면에 균일하게 형성되어 촉매 활성이 높고, 수성가스 전환반응에 적용했을 때 수소 생산 효율이 높은 효과가 있다.In addition, the composite catalyst of the present invention has the effect of not only strongly bonding the support and the metal, but also forming the metal uniformly on the surface of the support, so that the catalytic activity is high, and the hydrogen production efficiency is high when applied to the water gas conversion reaction.

도 1은 본 발명의 복합촉매의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 X-선 회절 패턴이다.
도 3은 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 유닛 셀 부피 및 비표면적을 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 SEM 이미지이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 HR-STEM 이미지 및 EDS 원소 매핑 이미지이다.
도 6은 실시예 1의 L9FNO5-R의 확대된 HR-STEM 이미지이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R, 비교예 1의 Fe-Cr 및 비교예 2의 Ni/L9FO의 반응 온도에 따른 CO 전환 및 H2 수율을 나타낸 그래프이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R, 비교예 1의 Fe-Cr 및 비교예 2의 Ni/L9FO의 반응 시간에 따른 CO 전환 및 H2 수율을 나타낸 그래프이다.
도 9의 (a)는 실시예 1의 L9FNO5-R를 에칭하기 전(위)과 후(아래)의 SEM 이미지이고, (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5, L9FNO5-R 및 에칭한 후 (L9FNO5-R-E)의 반응 온도에 따른 CO 전환을 나타낸 그래프이다.
도 10은 H2-Temperature Programmed Reduction(H2-TPR) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 표면 특성을 연구한 결과이다.
도 11은 O2-Temperature Programmed Desorption(O2-TPD) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 표면 특성을 연구한 결과이다.
도 12는 CO-Temperature Programmed Desorption(CO-TPD) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 표면 특성을 연구한 결과이다.
도 13은 CO-Temperature Programmed Reduction(CO-TPR) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 CO2 형성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 복합촉매의 XRD 결과이다.
도 15의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2-1의 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 SEM 이미지이다.
도 16의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2-1의 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 HR-STEM 이미지이다.
도 17의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2-1의 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 반응 온도에 따른 CO 전환 및 H2 수율을 나타낸 그래프이다.
도 18은 H2-Temperature Programmed Reduction(H2-TPR) 동안 실시예 2-1의 La0.9Fe0.85Ni0.15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 표면 특성을 연구한 결과이다.
1 is a schematic diagram showing a method for preparing a composite catalyst of the present invention.
2 is an X-ray diffraction pattern of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1. FIG.
3 is a graph showing the unit cell volume and specific surface area of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1.
4 (a) and (b) are SEM images of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, respectively.
5 (a) and (b) are HR-STEM images and EDS element mapping images of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, respectively.
6 is an enlarged HR-STEM image of L9FNO5-R of Example 1.
7 (a) and (b) are CO conversion and H 2 yield according to the reaction temperature of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, Fe-Cr of Comparative Example 1, and Ni/L9FO of Comparative Example 2, respectively. It is a graph.
8 (a) and (b) are CO conversion and H 2 yield according to the reaction time of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, Fe-Cr of Comparative Example 1, and Ni/L9FO of Comparative Example 2, respectively It is a graph.
9 (a) is an SEM image before (top) and after (bottom) etching L9FNO5-R of Example 1, (b) is L9FNO5, L9FNO5-R and after etching of Example 1, respectively ( It is a graph showing the CO conversion according to the reaction temperature of L9FNO5-RE).
10 is a result of studying the surface properties of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1 for H 2 -Temperature Programmed Reduction (H 2 -TPR).
Figure 11 O 2 -Temperature Programmed Desorption (O 2 -TPD) the results of the study in Example 1 L9FNO5 and surface properties of the R-L9FNO5 for.
12 is a result of studying the surface properties of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1 during CO-Temperature Programmed Desorption (CO-TPD).
13 is a graph showing CO 2 formation of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1 during CO-Temperature Programmed Reduction (CO-TPR).
14 is an XRD result of the composite catalyst prepared according to Examples 2-1 and 2-2.
15 (a) and (b) are La 0 of Example 2-1, respectively. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . SEM images of 15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R.
16 (a) and (b) are La 0 of Example 2-1, respectively. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . HR-STEM images of 15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R.
17 (a) and (b) are La 0 of Example 2-1, respectively. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . 15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R according to the reaction temperature of CO conversion and H 2 A graph showing the yield.
Figure 18 shows the result of studies on the surface characteristics of the H 2 -Temperature Programmed Reduction (H 2 -TPR) Example 2-1 La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R while.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. In addition, terms including ordinal numbers such as first, second, etc. to be used below may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.

또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, when it is stated that a certain component is “on another component,” “formed on another component,” “located on another component,” or “stacked on another component,” the It may be formed, positioned, or laminated by being directly attached to the front surface or one surface on the surface of other components, but it will be understood that other components may be further present in the middle.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 복합촉매에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the composite catalyst of the present invention will be described.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 산화물을 포함하는 코어; 및 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 제3 전이금속을 포함하는 나노입자;를 포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 제공한다.The present invention relates to a core comprising a perovskite oxide represented by the following formula (1); and nanoparticles located on the surface of the core and including a third transition metal; provides a perovskite oxide composite catalyst comprising.

[화학식 1][Formula 1]

LxM1 yM2 1-yO3 L x M 1 y M 2 1-y O 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

L는 란타넘족 원소(Lanthanides)이고,L is a lanthanide element,

M1과 M2는 서로 다른 전이금속이고,M 1 and M 2 are different transition metals,

M1은 제1 전이금속이고,M 1 is a first transition metal,

M2는 제2 전이금속이고,M 2 is a second transition metal,

x는 0<x≤1이고, y는 0<y<1 이다.x is 0<x≤1, and y is 0<y<1.

상기 페로브스카이트 산화물은 상기 제2 전이금속이 상기 제1 전이금속의 격자위치에 도핑된 것일 수 있다.The perovskite oxide may be one in which the second transition metal is doped at a lattice position of the first transition metal.

상기 나노입자의 제3 전이금속은 상기 페로브스카이트 산화물의 상기 제2 전이금속과 동일한 종류일 수 있다.The third transition metal of the nanoparticles may be the same type as the second transition metal of the perovskite oxide.

상기 전이금속 M2의 공-분리 에너지(co-segregation energy)는 상기 전이금속 M1의 공-분리 에너지 보다 크고, 상기 나노입자는 전이금속 M2를 포함하고, 상기 공-분리 에너지는 환원 조건에서 소결시 상기 페로브스카이트 산화물 내의 M1 또는 M2가 상기 페로브스카이트 산화물의 표면으로 분리(co-segregation)되어 용출되는 것에 필요한 에너지일 수 있다.The transition metals M 2 in the co-separation energy (co-segregation energy) is the transition metal M 1 of a ball-greater than the separation energy, the nanoparticle comprises a transition metal M 2, and the co-separation energy-reducing conditions During sintering, M 1 or M 2 in the perovskite oxide may be energy required for co-segregation and eluting to the surface of the perovskite oxide.

상기 나노입자의 상기 제3 전이금속은 상기 페로브스카이트 산화물의 상기 제2 전이금속이 용출(exsolution)되어 형성된 것일 수 있다.The third transition metal of the nanoparticles may be formed by eluting the second transition metal of the perovskite oxide.

상기 페로브스카이트 산화물은 ABO3 결정 구조를 갖는다. 12개 산소 원자와 배위하며 이온 반경이 큰 양이온은 A-사이트를 차지하고, 6개의 배위를 갖는 상대적으로 이온 반경이 작은 양이온은 B-사이트를 차지한다. 열환원 처리 시, B-사이트에 있던 전이금속이 산화물 격자에서 표면으로 이동하여 나노입자를 형성하여 페로브스카이트에서의 용출하게 된다. 용출된 금속 나노입자는 산화 처리 하에서 벌크 격자로 다시 들어가 원상회복될 수 있으며, 이는 처리 조건에 따라 가역적으로 금속 원자를 이동시킬 수 있다.The perovskite oxide has an ABO 3 crystal structure. A cation with a large ionic radius coordinating with 12 oxygen atoms occupies the A-site, and a cation with a relatively small ionic radius having 6 coordination occupies the B-site. During the thermal reduction treatment, the transition metal in the B-site moves from the oxide lattice to the surface to form nanoparticles and is eluted from the perovskite. The eluted metal nanoparticles can reenter the bulk lattice under oxidation treatment to be restored, which can reversibly move metal atoms depending on the treatment conditions.

상기 란타넘족 원소는 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 데르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에루븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르뮴(Yb) 및 루테륨(Lu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 ABO3 격자위치에서 A site에 치환될 수 있다.The lanthanum elements include lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and derbium (Tb). ), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), may include at least one selected from the group consisting of yttermium (Yb) and luterium (Lu), and the It may be substituted at the A site at the ABO 3 lattice position.

상기 제1, 제2 또는 제3 전이금속은 각각 독립적으로 스칸튬(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The first, second, or third transition metal is each independently scantium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co) , nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), and may include any one selected from the group consisting of zirconium (Zr).

상기 화학식 1에서, L은 란타넘 원소(La)이고, M1은 철(Fe)이고, M2는 니켈(Ni)일 수 있고 상기 ABO3의 격자위치에서 B site에 치환될 수 있다.In Formula 1, L may be lanthanum element (La), M 1 may be iron (Fe), M 2 may be nickel (Ni), and may be substituted for B site at the lattice position of ABO 3 .

상기 페로브스카이트 산화물 촉매는 아래 반응식 1로 표시되는 수성가스 전환반응(Water Gas Shift reaction, WGS)의 촉매로 사용하기 위한 것일 수 있다.The perovskite oxide catalyst may be for use as a catalyst for a water gas shift reaction (WGS) represented by the following Reaction Formula 1.

[반응식 1][Scheme 1]

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

도 1은 본 발명의 복합촉매의 제조방법을 나타낸 모식도이다. 이하, 도 1을 참고하여 본 발명의 복합촉매의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.1 is a schematic diagram showing a method for preparing a composite catalyst of the present invention. Hereinafter, a method for preparing the composite catalyst of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

먼저, first, 란타넘족lanthanum 원소 전구체, 제1 전이금속 전구체, 제2 전이금속 전구체, 착화제 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조한다(단계 a). An elemental precursor, a first transition metal precursor, a second transition metal precursor, a complexing agent and a solvent are mixed to prepare a mixed solution (step a).

상기 란타넘족 원소 전구체는 란타넘 전구체를 포함할 수 있다.The lanthanum group element precursor may include a lanthanum precursor.

상기 란타넘 전구체는 질산 란타넘 6수화물(Lanthanum(III) nitrate hexahydrate, La(NO3)3ㆍ6H2O), 염화란타넘 7수화물(Lanthanum(III) chloride heptahydrate, LaCl3ㆍ7H2O), 아세트산 란타넘 수화물(Lanthanum(III) acetate hydrate, La(CH3COO)3ㆍxH2O), 질산 란타넘 수화물(Lanthanum(III) nitrate hydrate, La(NO3)3ㆍxH2O) 및 염화란타넘 수화물(Lanthanum(III) chloride hydrate, LaCl3ㆍxH2O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질산 란타넘 6수화물을 포함할 수 있다.The lanthanum precursor is lanthanum nitrate hexahydrate (Lanthanum(III) nitrate hexahydrate, La(NO 3 ) 3 ㆍ6H 2 O), lanthanum chloride heptahydrate (Lanthanum(III) chloride heptahydrate, LaCl 3 ㆍ7H 2 O) , Lanthanum(III) acetate hydrate, La(CH 3 COO) 3 .xH 2 O), Lanthanum(III) nitrate hydrate, La(NO 3 ) 3 .xH 2 O) and It may include one or more selected from the group consisting of lanthanum chloride hydrate (Lanthanum(III) chloride hydrate, LaCl 3 ·xH 2 O), and preferably may include lanthanum nitrate hexahydrate.

상기 제1 전이금속 전구체는 철 전구체를 포함하고, 상기 제2 전이금속 전구체는 니켈 전구체를 포함할 수 있다.The first transition metal precursor may include an iron precursor, and the second transition metal precursor may include a nickel precursor.

상기 철 전구체는 질산 철 9수화물(Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO3)3ㆍ9H2O), 황산 철(Iron(II) sulfate, FeSO4) 및 염화 철(Iron(III) chloride, FeCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질산 철 9수화물을 포함할 수 있다.The iron precursor is iron nitrate nonahydrate (Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O), iron sulfate (Iron(II) sulfate, FeSO 4 ) and iron chloride (Iron(III) chloride, FeCl 3 ) It may include at least one selected from the group consisting of, preferably, iron nitrate 9hydrate.

상기 니켈 전구체는 질산 니켈 6수화물(Nickel(II) nitrate hexahydrate, N2NiO6ㆍ6H2O), 황산 니켈(Nickel sulfate, NiSO4) 및 염화 니켈(Nickel chloride, NiCl2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질산 니켈 6수화물을 포함할 수 있다.The nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (Nickel (II) nitrate hexahydrate, N 2 NiO 6 ·6H 2 O), nickel sulfate (Nickel sulfate, NiSO 4 ) and nickel chloride (Nickel chloride, NiCl 2 ) selected from the group consisting of It may include one or more, preferably nickel nitrate hexahydrate.

상기 착화제는 시트르산(citric acid), 글라이신(glycine), 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 및 폴리아크릴릭애씨드(PAA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 시트르산을 포함할 수 있다.The complexing agent may include at least one selected from the group consisting of citric acid, glycine, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), and polyacrylic acid (PAA), and preferably includes citric acid can do.

다음으로, 상기 혼합 용액의 용매를 증발시켜 겔을 제조한다(단계 b).Next, the solvent of the mixed solution is evaporated to prepare a gel (step b).

다음으로, 상기 Next, the 겔을gel 건조시키고dry it , , 하소(calcination)하여by calcination 페로브스카이트perovskite 분말을 제조한다(단계 c). A powder is prepared (step c).

마지막으로, 상기 Finally, the above 페로브스카이트perovskite 분말을 환원 조건에서 열처리하여, 아래 화학식 1로 표시되는 By heat-treating the powder under reducing conditions, 페로브스카이트perovskite 산화물을 포함하는 코어와, 상기 코어의 A core comprising an oxide, and 표면 상에on the surface 위치하고, 제3 전이금속을 포함하는 나노입자를 포함하는 Located, comprising nanoparticles comprising a third transition metal 페로브스카이트perovskite 산화물 복합촉매를 제조한다(단계 d). An oxide composite catalyst is prepared (step d).

[화학식 1][Formula 1]

LxM1 yM2 1-yO3 L x M 1 y M 2 1-y O 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

L는 란타넘족 원소(Lanthanides)이고,L is a lanthanide element,

M1과 M2는 서로 다른 전이금속이고,M 1 and M 2 are different transition metals,

M1은 제1 전이금속이고,M 1 is a first transition metal,

M2는 제2 전이금속이고,M 2 is a second transition metal,

x는 0<x≤1이고, y는 0<y<1이다.x is 0<x≤1, and y is 0<y<1.

상기 페로브스카이트 산화물은 상기 제2 전이금속이 상기 제1 전이금속의 격자위치에 도핑된 것일 수 있다.The perovskite oxide may be one in which the second transition metal is doped at a lattice position of the first transition metal.

상기 환원 조건은 수소가스 분위기이고, 상기 열처리는 300 내지 1,000℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 300℃ 미만이면, 용출되지 않아서 바람직하지 않고, 1,000℃를 초과하면 상기 페로브스카이트 구조가 무너져서 바람직하지 않다.The reducing condition is a hydrogen gas atmosphere, and the heat treatment may be performed at a temperature of 300 to 1,000 °C. If the temperature is less than 300 ° C, it is not preferable because it does not elute, and when it exceeds 1,000 ° C, the perovskite structure is undesirable.

이하, 본 발명의 수성가스 전환방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the water gas conversion method of the present invention will be described.

본 발명은 상기 페로브스카이트 복합촉매 존재 하에서 아래 반응식 1에 따라 일산화탄소 및 물을 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 단계;를 포함하는 수성가스 전환방법을 제공한다.The present invention provides a water gas conversion method comprising; generating carbon dioxide and hydrogen by performing a water gas shift reaction of carbon monoxide and water according to Reaction Formula 1 below in the presence of the perovskite complex catalyst. .

[반응식 1][Scheme 1]

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

상기 수성가스 전환방법은 (a) 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매에 불활성 가스를 접촉시켜 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 전처리하는 단계; 및 (b) 전처리된 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매 존재 하에서 상기 반응식 1에 따라 일산화탄소 및 물을 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.The water gas conversion method comprises the steps of (a) pre-treating the perovskite oxide composite catalyst by contacting an inert gas with the perovskite oxide composite catalyst; And (b) generating carbon dioxide and hydrogen by performing a water gas shift reaction of carbon monoxide and water according to Scheme 1 in the presence of the pre-treated perovskite oxide complex catalyst.

상기 단계 (a)의 전처리는 100 내지 200℃에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 100℃ 미만이면, 불필요한 이물질 제거가 안돼서 바람직하지 않고, 200℃를 초과하면 촉매 응집(sintering) 현상이 일어날 수 있어서 바람직하지 않다. The pretreatment of step (a) may be performed at 100 to 200 °C. If the temperature is less than 100°C, it is not preferable because unnecessary foreign substances cannot be removed, and when it exceeds 200°C, it is not preferable because catalyst sintering may occur.

상기 단계 (b)의 수성가스 전환반응은 100 내지 700℃에서 수행될 수 있다. 상기 온도가 100℃ 미만이면, 촉매가 활성화 하지 못해서 바람직하지 않고, 700℃를 초과하면 실제 공업의 수성가스 전환반응의 온도 조건을 초과해서 바람직하지 않다. The water gas conversion reaction of step (b) may be carried out at 100 to 700 ℃. If the temperature is less than 100 ℃, it is not preferable because the catalyst cannot be activated, and if it exceeds 700 ℃, it is not preferable because it exceeds the temperature conditions of the actual industrial water gas conversion reaction.

상기 불활성 가스는 질소가스, 헬륨가스, 네온가스, 아르곤 가스, 및 크리톤 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The inert gas may include at least one selected from the group consisting of nitrogen gas, helium gas, neon gas, argon gas, and crito gas.

[실시예] [Example]

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, this is for illustrative purposes, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예 1: 복합촉매(LaExample 1: Composite catalyst (La 0.90.9 FeFe 0.950.95 NiNi 0.050.05 OO 33 )의 제조) manufacturing

졸-겔 방법을 사용하여 복합촉매를 제조하였다. 먼저, 착화제로서 시트르산을 증류수에 용해시켜 용액을 제조하였다. 이어서 화학량론적 양의 금속 질산염인 La(NO3)3·6H2O (Alfa Aesar, 99.9 %), FeN3O9·9H2O (Sigma-Aldrich, ≥98 %), N2NiO6·6H2O (Sigma-Aldrich, 99.999 %)를 적절한 양의 에틸렌 글리콜 (Junsei Chem., 99.5 %) 및 시트르산 무수물 (Junsei Chem., 99.5 %)과 함께 상기 용액에 첨가하였다. 총 금속 양이온 대 시트르산의 몰비는 1:1이며, 시트르산 대 에틸렌 글리콜의 질량비는 60:40이었다. 80℃에서 완전히 열 교반하고 증발시켜 점성 겔을 수득하였다. 수득한 샘플을 핫 교반기로 200℃에서 건조시키고 맨틀에서 1,000℃에서 4시간 동안 하소시켰다. 이어서, 분말을 튜브 퍼니스에서 100mL/min의 유량으로 100% H2에서 650℃에서 5시간 동안 환원시켜 표면에 니켈 나노입자가 용출된 La0 . 9Fe0 . 95Ni0 . 05O3 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 제조하였다.A composite catalyst was prepared using the sol-gel method. First, a solution was prepared by dissolving citric acid as a complexing agent in distilled water. followed by stoichiometric amounts of metal nitrates La(NO 3 ) 3 .6H 2 O (Alfa Aesar, 99.9 %), FeN 3 O 9 9H 2 O (Sigma-Aldrich, ≥98 %), N 2 NiO 6 .6H 2 O (Sigma-Aldrich, 99.999%) was added to the solution along with an appropriate amount of ethylene glycol (Junsei Chem., 99.5%) and citric anhydride (Junsei Chem., 99.5%). The molar ratio of total metal cations to citric acid was 1:1, and the mass ratio of citric acid to ethylene glycol was 60:40. Fully thermal stirring at 80° C. and evaporation gave a viscous gel. The obtained sample was dried at 200° C. with a hot stirrer and calcined in a mantle at 1,000° C. for 4 hours. Then, the powder was reduced in a tube furnace at a flow rate of 100 mL/min in 100% H 2 at 650 ° C. for 5 hours, so that nickel nanoparticles were eluted on the surface of La 0 . 9 Fe 0 . 95 Ni 0 . 05 O 3 A perovskite oxide composite catalyst was prepared.

도 2 내지 13에서 환원 처리하기 전 상기 분말은 L9FNO5로 표시되고, 환원 처리하여 제조된 상기 복합촉매는 L9FNO5-R로 표시되었다.2 to 13 , the powder before reduction treatment was represented by L9FNO5, and the composite catalyst prepared by reduction treatment was represented by L9FNO5-R.

실시예 2: 복합촉매(LaExample 2: Composite catalyst (La 0.90.9 FeFe 0.850.85 NiNi 0.150.15 OO 33 )의 제조) manufacturing

실시예 2-1: 650℃에서 환원Example 2-1: reduction at 650 °C

졸-겔 방법을 사용하여 복합촉매를 제조하였다. 먼저, 착화제로서 시트르산을 증류수에 용해시켜 용액을 제조하였다. 이어서 화학량론적 양의 금속 질산염인 La(NO3)3·6H2O (Alfa Aesar, 99.9 %), FeN3O9·9H2O (Sigma-Aldrich, ≥98 %), N2NiO6·6H2O (Sigma-Aldrich, 99.999 %)를 적절한 양의 에틸렌 글리콜 (Junsei Chem., 99.5 %) 및 시트르산 무수물 (Junsei Chem., 99.5 %)과 함께 상기 용액에 첨가하였다. 총 금속 양이온 대 시트르산의 몰비는 1:2이며, 시트르산 대 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA)의 몰비는 1:1이었다. 80℃에서 완전히 열 교반하고 증발시켜 점성 겔을 수득하였다. 수득한 샘플을 핫 교반기로 200℃에서 건조시키고 맨틀에서 1,000℃에서 4시간 동안 하소시켰다. 이어서, 분말을 튜브 퍼니스에서 100mL/min의 유량으로 10% H2에서 650℃에서 10시간 동안 환원시켜 표면에 니켈 나노입자가 용출된 La0.9Fe0.85Ni0.15O3 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 제조하였다.A composite catalyst was prepared using the sol-gel method. First, a solution was prepared by dissolving citric acid as a complexing agent in distilled water. followed by stoichiometric amounts of metal nitrates La(NO 3 ) 3 .6H 2 O (Alfa Aesar, 99.9 %), FeN 3 O 9 9H 2 O (Sigma-Aldrich, ≥98 %), N 2 NiO 6 .6H 2 O (Sigma-Aldrich, 99.999%) was added to the solution along with an appropriate amount of ethylene glycol (Junsei Chem., 99.5%) and citric anhydride (Junsei Chem., 99.5%). The molar ratio of total metal cations to citric acid was 1:2, and the molar ratio of citric acid to ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) was 1:1. Fully thermal stirring at 80° C. and evaporation gave a viscous gel. The obtained sample was dried at 200° C. with a hot stirrer and calcined in a mantle at 1,000° C. for 4 hours. Then, the powder was reduced in a tube furnace at a flow rate of 100 mL/min in 10% H 2 at 650 ° C. for 10 hours to obtain La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 perovskite oxide complex catalyst with nickel nanoparticles eluted on the surface. prepared.

도 15 내지 18에서 환원 처리하기 전 상기 분말은 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3로 표시되고, 환원 처리하여 제조된 상기 복합촉매는 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R로 표시되었다.Before the reduction treatment in FIGS. 15 to 18 , the powder is La 0 . 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . 15 O 3 , and the composite catalyst prepared by reduction treatment was expressed as La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R.

실시예 2-2: 850℃에서 환원Example 2-2: Reduction at 850 °C

실시예 2-1에서 650℃에서 환원시키는 대신에 850℃에서 환원시키는 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일한 방법으로 표면에 니켈 나노입자가 용출된 La0.9Fe0.85Ni0.15O3 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 제조하였다. La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 Perovsky in which nickel nanoparticles were eluted on the surface in the same manner as in Example 2-1 except for reducing at 850° C. instead of reducing at 650° C. in Example 2-1 A complex oxide catalyst was prepared.

비교예 1: 상용 촉매(Fe-Cr)의 제조Comparative Example 1: Preparation of a commercial catalyst (Fe-Cr)

Alfa Aesar에서 HT-WGS 상업용 촉매인 철-크롬(Iron-chrome) 기반 고온 가스 전환 촉매 HiFUEL® W210을 구입하여 비교예 1로 사용하였다.An iron-chrome-based high-temperature gas shift catalyst HiFUEL® W210, which is a HT-WGS commercial catalyst, was purchased from Alfa Aesar and used as Comparative Example 1.

비교예 2: 니켈(Ni)이 로딩된 LaComparative Example 2: Nickel (Ni) Loaded La 0.90.9 FeOFeO 33 촉매(Ni/L Catalyst (Ni/L 99 FO)의 제조Preparation of FO)

초기 습윤 함침(IWI) 방법에 의해 니켈(Ni)이 로딩된 La0 . 9FeO3 촉매 (Ni/L9FO)를 제조하였다. Ni(NO3)2 수용액 (Sigma-Aldrich, 99.999 %)을 L0. 9FeO3 지지체에 적가(dropwise)하여 Ni/L9FO를 합성하고, 공기 중에서 1시간 동안 숙성시킨 다음, 밤새 80℃에서 건조시켰다. 이어서 공기 중에서 400℃에서 3시간 동안 하소하여 La0.9FeO3 촉매 (Ni/L9FO)를 제조하였다. 이때, Ni 로딩량은 1.3wt%였다. La 0 loaded with nickel (Ni) by incipient wet impregnation (IWI) method . 9 FeO 3 catalyst (Ni/L 9 FO) was prepared. Ni (NO 3) 2 aqueous solution (Sigma-Aldrich, 99.999%) to L 0. 9 FeO 3 was added dropwise (dropwise) to synthesize a Ni / L 9 FO to the support and aged for 1 hour in air, and then, overnight, 80 ℃ dried in Then, it was calcined in air at 400° C. for 3 hours to prepare a La 0.9 FeO 3 catalyst (Ni/L 9 FO). At this time, the Ni loading amount was 1.3 wt%.

[시험예][Test Example]

시험예 1: 실시예 1에 따른 복합촉매의 X-선 회절 패턴 및 비표면적 분석Test Example 1: X-ray diffraction pattern and specific surface area analysis of the composite catalyst according to Example 1

본 발명의 복합촉매는 modified sol-gel 방법을 통해 제조되었으며, A-사이트 원소로 가장 일반적인 원소 란타넘(La), 주된 B-사이트 원소로 철(Fe), 도핑된 원소로 니켈(Ni)을 선택하였다. 도핑된 B-사이트 금속의 용출 거동은 주로 공-분리 에너지(co-segregation energy)의 영향을 받으며, Ni 금속은 Fe에 비해 공-분리 에너지가 높기 때문에 페로브스카이트 기판 표면에 쉽게 용출되고, 이 조성물은 용출된 입자 형성을 극대화할 것으로 예상된다. The composite catalyst of the present invention was prepared through a modified sol-gel method, and the most common element lanthanum (La) as the A-site element, iron (Fe) as the main B-site element, and nickel (Ni) as the doped element were used. selected. The elution behavior of the doped B-site metal is mainly affected by the co-segregation energy, and the Ni metal easily elutes on the surface of the perovskite substrate because the co-segregation energy is higher than that of Fe, This composition is expected to maximize eluted particle formation.

도 2는 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 X-선 회절 패턴이다. 도 2를 참조하면, L9FNO5의 구조는 일반적인 페로브스카이트 LaFeO3 구조를 따르는 것을 확인할 수 있었다. 이는 격자 구조에 Ni가 완전히 통합되었음(incorporation)을 나타낸다. 환원 처리 후(L9FNO5-R), LaFeO3 구조는 잘 유지되며 Ni와 Fe 사이의 금속 피크가 관찰되었다. 지배적인 Ni 금속 피크 (44.520˚)와 Fe 금속 피크 (44.764˚)가 관찰되어야 한다. 그러나 환원 공정 동안 매우 적은 양의 Fe 금속이 형성될 수 있기 때문에 Ni와 Fe의 공존이 가능할지라도 샘플 피크는 Ni 피크에 더 가까우므로, 주요 부분은 Ni 입자일 수 있다. 합금 Ni3Fe 피크가 44.216˚에 나타나야 하는데 44.216˚에서 피크가 매끄러우므로, 용출된 입자가 Ni3Fe와 같은 니켈-철 합금일 가능성은 거의 없다.2 is an X-ray diffraction pattern of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1. FIG. Referring to FIG. 2 , it was confirmed that the structure of L9FNO5 followed the general perovskite LaFeO 3 structure. This indicates the complete incorporation of Ni into the lattice structure. After the reduction treatment (L9FNO5-R), the LaFeO 3 structure was well maintained and a metal peak between Ni and Fe was observed. The dominant Ni metal peak (44.520˚) and Fe metal peak (44.764˚) should be observed. However, since a very small amount of Fe metal can be formed during the reduction process, although the coexistence of Ni and Fe is possible, the sample peak is closer to the Ni peak, so the main part may be Ni particles. The alloy Ni 3 Fe peak should appear at 44.216°, but the peak at 44.216° is smooth, so it is unlikely that the eluted particles are a nickel-iron alloy such as Ni 3 Fe.

결정 구조를 제안하기 위해 LaFeO3에 대한 데이터베이스 구조와 결합된 리트벨트 정제 분석(rietveld refinement analysis)을 이용하였다. 공간군(space group) Pnma (Nr. 62)를 갖는 사방정계 격자(orthorhombic lattice)(격자 파라미터: a = 5.5647 Å, b = 7.8551 Å, c = 5.556 Å)가 매칭되었다. A rietveld refinement analysis combined with a database structure for LaFeO 3 was used to suggest the crystal structure. An orthorhombic lattice (lattice parameters: a = 5.5647 Å, b = 7.8551 Å, c = 5.556 Å) with space group Pnma (Nr. 62) was matched.

도 3은 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 유닛 셀 부피 및 비표면적을 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 이상적인 LaFeO3(LFO)의 격자 부피는 242.51 Å3이며, Ni가 도핑된 후 부피가 242.97 Å3으로 확장되었다. 이는 Ni2 + (0.69 Å)의 이온 반경이 Fe3 + (0.645 Å)보다 길기 때문이다. 니켈이 Ni3 +로 추출된 것으로 가정할 때, Ni3 + (0.60Å)의 이온 반경이 Fe3 +의 이온 반경보다 약간 작기 때문에 Ni가 격자에 통합될 때 유닛 셀 수축이 가능하다고 보고되었다. 그러나, 이는 Ni 함량이 10 mol% 초과일 때 더 일반적이다. 환원 처리 후, Ni2 +는 Ni0로 환원된 것으로 간주되고 나노 입자로서 표면에 나타났으며, Fe3 +는 동시에 Fe2 + (0.70Å)로 환원되어 셀 부피를 추가로 확장시켰다. 3 is a graph showing the unit cell volume and specific surface area of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1. Referring to FIG. 3 , the ideal lattice volume of LaFeO 3 (LFO) is 242.51 Å 3 , and the volume is expanded to 242.97 Å 3 after Ni doping. This is because the ion radius of Ni 2 + (0.69 Å) longer than the Fe 3 + (0.645 Å). Assuming that the nickel is extracted with Ni + 3, since the ion radius of Ni 3 + (0.60Å) slightly smaller than the ionic radius of Fe 3 + Ni has been reported to be possible unit cell shrinkage when incorporated into the lattice. However, this is more common when the Ni content is greater than 10 mol %. After the reduction treatment, Ni + 2 is considered to be reduced to Ni 0 were found in the surface of a nanoparticle, Fe + 3 is reduced at the same time as Fe 2 + (0.70Å) expanded by adding a cell volume.

또한 도 3을 참조하면, 니켈이 격자에 도핑됨에 따라 샘플의 비표면적은 증가하였고, 환원 처리 후, 표면의 Ni 나노입자는 표면적을 더 증가시켰다. 요약하면, 니켈은 구조를 변경하지 않고 LaFeO3 격자에 잘 도핑되며, 적절한 환원 처리 후 XRD 패턴 및 유닛 셀 확장에 의해 용출된 금속 Ni 나노입자를 예상할 수 있으며, 구조 분해 또는 상 변환 없이 성공적으로 용출되었음을 나타낸다.Also, referring to FIG. 3 , as nickel was doped into the lattice, the specific surface area of the sample increased, and after reduction treatment, the surface area of Ni nanoparticles was further increased. In summary, nickel is well doped into the LaFeO 3 lattice without changing its structure, and eluted metallic Ni nanoparticles by XRD pattern and unit cell expansion can be expected after appropriate reduction treatment, and successfully without structural decomposition or phase transformation. indicates that it has been eluted.

시험예 2: 실시예 1에 따른 복합촉매의 SEM 및 HR-TEM 이미지 분석Test Example 2: SEM and HR-TEM image analysis of the composite catalyst according to Example 1

도 4의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 SEM 이미지이다. 도 4를 참조하면, 합성된 샘플의 표면은 매끄럽고 조밀(dense)해 보였으며, 환원 처리 후, 표면에서 용출된 금속 나노입자가 쉽게 관찰될 수 있었고, 입자 크기는 약 40-50nm였다. 용출된 금속 나노입자는 페로브스카이트 지름의 3분의 1만큼 페로브스카이트 표면에 잘 고정되어있었다. 4 (a) and (b) are SEM images of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, respectively. Referring to FIG. 4 , the surface of the synthesized sample looked smooth and dense, and after the reduction treatment, metal nanoparticles eluted from the surface could be easily observed, and the particle size was about 40-50 nm. The eluted metal nanoparticles were well fixed on the perovskite surface by one-third the diameter of the perovskite.

도 5의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 HR-STEM 이미지 및 EDS(energy dispersive spectrometer) 원소 매핑 이미지이다. 도 5를 참조하면, 환원 처리 전에는 모든 원소가 입자에 균일하게 분산되어 있음을 보여 주었으며, 환원 처리 후에는 La와 O는 나노입자 부분에 거의 존재하지 않으며, 벌크에 있던 거의 모든 Ni이 일부 Fe가 공존하는 표면 나노입자로 이동했다. 5 (a) and (b) are HR-STEM images and energy dispersive spectrometer (EDS) element mapping images of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, respectively. Referring to FIG. 5 , it was shown that all elements were uniformly dispersed in the particles before the reduction treatment, and after the reduction treatment, La and O were hardly present in the nanoparticle portion, and almost all of the Ni in the bulk contained some Fe migrated to coexisting surface nanoparticles.

도 6은 실시예 1의 L9FNO5-R의 확대된 HR-STEM 이미지이다. 도 6을 참조하면, 용출된 나노 입자 평면의 격자 공간은 2.1726 Å이며, 이는 Ni 금속의 (002) 평면의 격자 함량과 일치한다. 이는 용출된 입자가 주로 Ni 금속으로 구성되어있음을 나타냈다. 작은 미량의 Fe 원소가 동시에 용출되지만, Ni-Fe 합금은 완전히 다른 격자 공간을 갖기 때문에 기판 페로브스카이트 상에 합금은 존재하지 않는다. 이 관찰은 이전 XRD 결과와 일치한다.6 is an enlarged HR-STEM image of L9FNO5-R of Example 1. Referring to FIG. 6 , the lattice space of the eluted nanoparticle plane is 2.1726 Å, which is consistent with the lattice content of the (002) plane of Ni metal. This indicated that the eluted particles were mainly composed of Ni metal. Although a small trace element of Fe is simultaneously eluted, there is no alloy present on the substrate perovskite because the Ni-Fe alloy has a completely different lattice space. This observation is consistent with previous XRD results.

시험예 3: 실시예 1에 따른 복합촉매의 수성가스 전환 활성 분석Test Example 3: Water gas conversion activity analysis of the composite catalyst according to Example 1

대기압 하에서 연속-흐름 고정 석영 반응기에서 수성가스 이동반응(Water gas shift reaction)을 수행하였다. 30 mg 샘플을 로딩하고 30분 동안 150℃에서 아르곤(Ar)으로 전처리하였다. 반응을 위해 Ar 밸런스에서 1.0 vol% CO 및 23 vol% H2O와 함께 총 73 sccm의 공급 가스가 도입되었다. 가스 공간 속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV)는 146,000 mL/g·h였다. 1.7 ℃/분 램프로 반응기를 150℃에서부터 600℃까지 가열하였다. 안정 상태에 도달하기 위해 매 50℃ 온도 간격마다 30분 동안 유지하였다. Mol sieve 컬럼 (86163, SUPELCO, 3 ft Х 1/8 in. Х2.1 mm) 및 열전도도 검출기(TCD)와 직렬로 패킹된 bed porapak 컬럼 (88599, SUPELCO, 10 ft × 1/8 in. × 2.1mm)이 장착된 온라인 가스 크로마토 그래피 (GC, Agilent 7890 시스템)로 생성물 기체를 모니터링하였다. 인적 오류를 최소화하기 위해 각 샘플에 대한 촉매 활성 테스트를 3회 이상 반복하였다. CO 전환 및 H2 수율은 아래와 같이 계산되었다.Water gas shift reaction was performed in a continuous-flow stationary quartz reactor under atmospheric pressure. A 30 mg sample was loaded and pretreated with argon (Ar) at 150° C. for 30 minutes. A total of 73 sccm of feed gas was introduced with 1.0 vol% CO and 23 vol% H 2 O in Ar balance for the reaction. The Gas Hourly Space Velocity (GHSV) was 146,000 mL/g·h. The reactor was heated from 150° C. to 600° C. with a 1.7° C./min ramp. It was held for 30 minutes at every 50° C. temperature interval to reach a steady state. Mol sieve column (86163, SUPELCO, 3 ft Х 1/8 in. Х2.1 mm) and bed porapak column (88599, SUPELCO, 10 ft × 1/8 in. ×) packed in series with thermal conductivity detector (TCD) The product gas was monitored by on-line gas chromatography (GC, Agilent 7890 system) equipped with a 2.1 mm). To minimize human error, the catalytic activity test for each sample was repeated at least three times. CO conversion and H 2 yield were calculated as follows.

Figure pat00001
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Figure pat00002
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여기서 [CO]in 및 [CO]out은 각각 inlet 및 outlet 가스의 CO 농도(vol%)를 나타내고, [H2]exp는 GC에 의해 측정된 H2 부피이고, ρH2는 150℃에서의 밀도이고, nH2는 반응식으로부터 유도된 이론적인 분자 몰이고, MH2는 H2의 분자량이다.where [CO] in and [CO] out represent the CO concentration (vol%) of the inlet and outlet gases, respectively, [H 2 ] exp is the H 2 volume measured by GC, and ρ H2 is the density at 150°C , n H2 is the theoretical molecular mole derived from the reaction equation, and M H2 is the molecular weight of H 2 .

도 7의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R, 비교예 1의 Fe-Cr 및 비교예 2의 Ni/L9FO의 반응 온도에 따른 CO 전환 및 H2 수율을 나타낸 그래프이다. 7 (a) and (b) are CO conversion and H 2 yield according to the reaction temperature of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, Fe-Cr of Comparative Example 1, and Ni/L9FO of Comparative Example 2, respectively. It is a graph.

도 7의 (a)를 참조하면, 환원 처리 후에 HT-WGS 창 온도(350-600℃) 조건에서 CO 전환이 크게 개선되었다. CO 전환이 50%에 이르는 온도인 light-off T50은 상용 Fe-Cr 및 L9FNO5-R에 대해 각각 458℃ 및 445℃였고, pristine L9FNO5 및 Ni/L9FNO5의 경우 600℃에서도 50% 전환에 도달할 수 없었다. CO 전환은 용출 처리 후 현저하게 향상되었는데, 이는 전술한 바와 같이 Ni 나노입자가 용출된 것을 제외하고 다른 구조 변화가 없었기 때문이고, 이는 용출된 Ni 나노입자가 CO를 CO2로 전환시키는데 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다. 한편, 용출된 Ni 금속과 기존의 로딩 Ni 기반 촉매의 차이를 확인하기 위해, 로딩된 Ni/L9FO 촉매를 시험하였고, 활성은 pristine L9FNO5와 유사한 것으로 밝혀졌다. Referring to (a) of Figure 7, after the reduction treatment, the CO conversion was significantly improved in the HT-WGS window temperature (350-600 ℃) conditions. The light-off T 50 , the temperature at which CO conversion reaches 50%, was 458 °C and 445 °C for commercial Fe-Cr and L9FNO5-R, respectively, and for pristine L9FNO5 and Ni/L9FNO5, the light-off T 50 , which reached 50% conversion even at 600 °C, was couldn't The CO conversion was significantly improved after the elution treatment, because as described above, there was no other structural change except for the Ni nanoparticles eluted, which played an important role in the eluted Ni nanoparticles converting CO into CO 2 . indicates to do Meanwhile, to determine the difference between the eluted Ni metal and the conventional loaded Ni-based catalyst, the loaded Ni/L9FO catalyst was tested, and the activity was found to be similar to that of pristine L9FNO5.

HT-WGS의 촉매 활성에 있어서, 바람직하지 않은 부반응, 즉 CO/CO2 수소화로 메탄을 형성하는 부반응으로 인해 H2 생성 수율은 CO 전환만큼 중요하다. 도 7의 (b)를 참조하면, L9FNO5-R의 H2 수율은 L9FNO5보다 2배 높았으며, 용출된 나노입자가 HT-WGS의 생산 수율을 향상시켰다는 동일한 결론을 도출했다. L9FNO5-R은 온도가 450℃보다 높을 때 상용 HT-촉매보다 훨씬 우수한 성능을 보였으며, 이는 산업적 적용을 위한 잠재적인 옵션을 제공했다.For the catalytic activity of HT-WGS, the yield of H 2 production is as important as CO conversion due to an undesirable side reaction, ie, a side reaction to form methane from CO/CO 2 hydrogenation. Referring to (b) of FIG. 7 , the H 2 yield of L9FNO5-R was twice that of L9FNO5, and the same conclusion was drawn that the eluted nanoparticles improved the production yield of HT-WGS. L9FNO5-R performed significantly better than commercial HT-catalysts at temperatures higher than 450 °C, providing a potential option for industrial applications.

도 8의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R, 비교예 1의 Fe-Cr 및 비교예 2의 Ni/L9FO의 반응 시간에 따른 CO 전환 및 H2 수율을 나타낸 그래프이다. 8 (a) and (b) are CO conversion and H 2 yield according to the reaction time of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1, Fe-Cr of Comparative Example 1, and Ni/L9FO of Comparative Example 2, respectively It is a graph.

도 8의 (a) 및 (b)를 참조하면, 촉매 성능 외에도 L9FNO5-R은 적절한 촉매 안정성을 보여 주었다. 550℃에서 50시간 동안 L9FNO5-R의 CO 전환 및 H2 수율은 각각 19%, 10% 감소한 것으로 나타난 반면, pristine L9FNO5의 CO 전환 및 H2 수율은 각각 41% 및 19%, 상용 촉매(Fe-Cr)는 각각 30% 및 12% 감소한 것으로 나타났다. 초기 5시간 동안 상용 촉매의 H2 수율은 32.9%에서 28.4%로 감소한 반면, L9FNO5-R은 같은 기간 동안 0.8%만 손실되었다. 또한, 상용 촉매의 H2 수율은 특히 20시간 후에 안정성 시험 시간 동안 급격히 격동적인(turbulent) 반면, L9FNO5-R은 보다 안정한 성능을 나타냈다. Ni/L9FO의 활성은 10시간 이내에 초기 전환의 14%를 잃었고 50시간 후에 CO 전환이 68%에서 40%로 감소했다. 이는 용출 촉매가 고온 및 긴 작동 시간 하에서 활성 부위가 소결되는 것을 방지함으로써 종래의 로딩된 촉매의 단점을 해결할 수 있음을 입증 하였다. 요약하면, L9FNO5-R 촉매는 귀금속을 소비하지 않고 상용 HT-WGS 촉매보다 CO 전환, H2 수율 및 장기 안정성에 대해 더 우수한 촉매 특성을 보여주었다.Referring to (a) and (b) of Figure 8, in addition to the catalytic performance, L9FNO5-R showed adequate catalytic stability. The CO conversion and H 2 yield of L9FNO5-R for 50 hours at 550° C. were decreased by 19% and 10%, respectively, whereas the CO conversion and H 2 yield of pristine L9FNO5 were 41% and 19%, respectively, and the commercial catalyst (Fe- Cr) was decreased by 30% and 12%, respectively. During the initial 5 hours, the H 2 yield of the commercial catalyst decreased from 32.9% to 28.4%, while L9FNO5-R lost only 0.8% during the same period. In addition, the H 2 yield of the commercial catalyst was sharply turbulent during the stability test time, especially after 20 hours, whereas L9FNO5-R showed a more stable performance. The activity of Ni/L9FO lost 14% of the initial conversion within 10 hours and the CO conversion decreased from 68% to 40% after 50 hours. This proves that the eluted catalyst can solve the disadvantages of the conventional loaded catalyst by preventing the active site from sintering under high temperature and long operating time. In summary, the L9FNO5-R catalyst showed better catalytic properties for CO conversion, H 2 yield and long-term stability than commercial HT-WGS catalysts without consuming precious metals.

시험예 4: 실시예 1에 따른 복합촉매의 활성 종(Active Species) 분석Test Example 4: Analysis of Active Species of the Complex Catalyst according to Example 1

활성 향상을 담당하는 활성 종(active species)이 용출된 Ni 나노입자인 것으로 가정하였다. 철저한 확인을 위해 HCl 용액을 사용하여 표면 Ni 나노입자를 제거하였다. L9FNO5-R의 에칭은 60초 동안 1.2M HCl 용액으로 수행되었고, 도 9에서 에칭 후의 샘플은 L9FNO5-R-E로 표시되었다. It was hypothesized that the active species responsible for the activity enhancement was the eluted Ni nanoparticles. For thorough identification, HCl solution was used to remove surface Ni nanoparticles. Etching of L9FNO5-R was performed with 1.2M HCl solution for 60 seconds, and the sample after etching in FIG. 9 was denoted as L9FNO5-R-E.

도 9의 (a)는 실시예 1의 L9FNO5-R를 에칭하기 전(위)과 후(아래)의 SEM 이미지이고, (b)는 각각 실시예 1의 L9FNO5, L9FNO5-R 및 에칭한 후 (L9FNO5-R-E)의 반응 온도에 따른 CO 전환을 나타낸 그래프이다.9 (a) is an SEM image before (top) and after (bottom) etching L9FNO5-R of Example 1, (b) is L9FNO5, L9FNO5-R and after etching of Example 1, respectively ( It is a graph showing the CO conversion according to the reaction temperature of L9FNO5-RE).

도 9의 (a)를 참조하면, 에칭 처리 후, 용출된 나노입자가 제거되어 표면에 구멍만 남게 되었다. 도 9의 (b)를 참조하면, 에칭된 샘플 L9FNO5-R-E의 CO 전환은 L9FNO5 수준으로 다시 감소하였다. 이 실험은 활성 종에 대한 가정을 증명했다.Referring to Figure 9 (a), after the etching treatment, the eluted nanoparticles were removed, leaving only holes on the surface. Referring to Fig. 9(b), the CO conversion of the etched sample L9FNO5-R-E decreased back to the L9FNO5 level. This experiment confirmed the assumption of an active species.

L9FNO5로부터의 Ni 나노입자의 용출은 온도 프로그램된 환원(H2-TPR) 동안 H2 소비(H2 consumption)에 의해 모니터링되었다. 도 10은 H2-Temperature Programmed Reduction(H2-TPR) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 표면 특성을 연구한 결과이다. 도 10을 참조하면, L9FNO5에 대해 2개의 수소 소비 피크가 있으며, 312℃에서의 피크는 표면 산소를 나타내고, 456℃에서의 피크는 벌크에서 Ni2 +에서 Ni0로의 환원 및 Fe3 +에서 Fe2 +로의 부분적 환원에 할당될 수 있다. L9FNO5-R의 경우, 환원에 이용 가능한 도핑된 B-사이트 원소가 이미 소비되었기 때문에 고온 피크가 사라졌으며, 334℃에서의 작은 피크만이 나타났고 이는 산소 배위가 낮은 결함 부위에서 소량의 수소 소비를 나타냈다. H2-TPR의 결과는 Ni 금속의 성공적인 용출을 제안했다.Elution of Ni nano-particles from the L9FNO5 during temperature programmed reduction (H 2 -TPR) was monitored by the H 2 consumption (H 2 consumption). 10 is a result of studying the surface properties of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1 for H 2 -Temperature Programmed Reduction (H 2 -TPR). 10, there are two hydrogen consumption peak for L9FNO5, the peak at 312 ℃ denotes a surface oxygen, Fe in a reducing and Fe 3 + to Ni 0 at Ni 2 + in the peak at 456 ℃ the bulk It may be assigned to the partially reduced to the 2 +. In the case of L9FNO5-R, the high-temperature peak disappeared because the doped B-site element available for reduction had already been consumed, and only a small peak at 334°C appeared, indicating a small hydrogen consumption at the defective site with low oxygen coordination. showed The results of H 2 -TPR suggested successful elution of Ni metal.

도 11은 O2-Temperature Programmed Desorption(O2-TPD) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 표면 특성을 연구한 결과이다. O2-TPD 스펙트럼에 리볼브된(revolved) 산소 종은 결합 강도에 따라 4가지 유형으로 분류될 수 있다. 불활성 기체를 퍼지함으로써 제거될 수 있고 따라서 O2-TPD 스펙트럼에 포함될 수 없는 물리적으로 흡착된 산소; 표면 빈자리(surface vacancy)에 위치하고 탈착하기 쉬운 O2 - (ad) 및 O- (ad), 이들 종을 산소 빈자리(oxygen vacancy)라고도 한다; 마지막 종은 추출하기 어려운 표면 격자 산소 O2-이다. 도 11을 참조하면, pristine L9FNO5의 경우, 363℃에서 하나의 약한 피크가 관찰되었으며, 이는 표면 산소 탈착 O2 - (ad) 및 O- (ad) 종에 할당될 수 있으며, A 결함이 페로브스카이트 구조를 약간 불안정하게 하므로, 소량일 수 있지만 L9FNO5에 산소 빈자리가 존재할 수 있다. 한편, L9FNO5-R 샘플의 경우, 저온(325℃)에서 훨씬 더 날카로운 피크가 나타났으며 이는 금속 표면에 흡착된 산소에 할당될 수 있고, 다른 피크는 약 400℃에서 이어졌으며 이는 표면 산소 탈착 O2 - (ad) 및 O- (ad) 종과 유사했다. 저온에서의 급격한 피크는 L9FNO5-R의 더 우수한 환원성과 WGS에 대한 보다 우수한 촉매 활성을 시사하였다.Figure 11 O 2 -Temperature Programmed Desorption (O 2 -TPD) the results of the study in Example 1 L9FNO5 and surface properties of the R-L9FNO5 for. The oxygen species revolved in the O 2 -TPD spectrum can be classified into four types according to the bond strength. physically adsorbed oxygen that can be removed by purging an inert gas and thus cannot be included in the O 2 -TPD spectrum; O 2 (ad) and O (ad), located in surface vacancy and prone to desorption, these species are also referred to as oxygen vacancy; Finally species is a hard surface lattice oxygen O 2- to extract. Referring to FIG. 11 , in the case of pristine L9FNO5, one weak peak was observed at 363° C., which can be assigned to surface oxygen desorption O 2 (ad) and O (ad) species, and the A defect is perov Oxygen vacancies may be present in L9FNO5, although in small amounts, as it slightly destabilizes the skyte structure. On the other hand, for the L9FNO5-R sample, a much sharper peak appeared at low temperature (325 °C), which could be assigned to oxygen adsorbed on the metal surface, and the other peak followed at about 400 °C, which was the surface oxygen desorption O 2 - (ad) and O - (ad) species were similar. The sharp peak at low temperature suggested better reduction of L9FNO5-R and better catalytic activity for WGS.

CO-TPD 및 CO-TPR을 수행하여 샘플에서 CO 흡착 종을 명확히 하였다. CO-TPD and CO-TPR were performed to clarify the CO adsorbing species in the samples.

도 12는 CO-Temperature Programmed Desorption(CO-TPD) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 표면 특성을 연구한 결과이다. 도 12를 참조하면, 두 샘플 사이의 CO 흡착 능력에서 명백한 차이가 관찰되었다. pristine L9FNO5의 CO 흡착량은 L9FNO5-R에 비해 거의 0이고, 이러한 명백한 차이는 L9FNO5-R의 CO 전환율이 훨씬 높은 이유를 설명했다. 이 강력한 CO 흡착 능력은 용출된 Ni 금속에서 나올 수 있다. 이 결과는 또한 CO-화학흡착에 의해 확인되는데, 여기서 CO 단위 흡착 부피는 L9FNO5-R 및 L9FNO5에 대해 각각 2.47cm3/g 및 0.00cm3/g이다. 12 is a result of studying the surface properties of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1 during CO-Temperature Programmed Desorption (CO-TPD). Referring to FIG. 12 , a clear difference was observed in the CO adsorption capacity between the two samples. The CO adsorption of pristine L9FNO5 was almost zero compared to that of L9FNO5-R, and this apparent difference explained why the CO conversion of L9FNO5-R was much higher. This strong CO adsorption capacity can come from the eluted Ni metal. As a result there is also confirmed by a chemical adsorption CO-, where each of 2.47cm 3 / g and 0.00cm 3 / g for the CO adsorption unit volume L9FNO5-R and L9FNO5.

도 13은 CO-Temperature Programmed Reduction(CO-TPR) 동안 실시예 1의 L9FNO5 및 L9FNO5-R의 CO2 형성을 나타낸 그래프이다. CO-TPR 공정 동안 CO2 형성 신호를 수집했다. 도 13을 참조하면, pristine L9FNO5의 경우, 샘플 표면에 충분한 산소가 있었기 때문에 CO와 표면 산소 종을 결합하여 CO2를 형성하기가 비교적 쉽다. 288 ℃에서 CO2 형성 피크는 CO와 표면 산소의 결합으로부터 고려될 수 있으며, 470 ℃에서의 피크는 Ni3 +/Ni2 +와 결합된 격자 산소에 할당될 수 있고, 652 ℃에서의 피크는 Fe3 +와 결합된 격자 산소에 할당될 수 있다. L9FNO5-R의 경우, pristine L9FNO5보다 많은 산소 빈자리가 존재하기 때문에, 이전의 CO-TPD 분석에서 언급된 바와 같이, 이 샘플이 더 강한 CO 흡착 능력을 가졌음에도 불구하고 산소 자원의 부족으로 CO2 형성에 더 많은 어려움이 있다. 546 ℃에서 나타난 첫 번째 피크는 낮은 배위 O-(ad)를 갖는 산소의 결함 부위에 할당될 수 있다. 700 ℃에서의 피크는 격자 산소 O2-에 할당될 수 있다. 따라서, 외부 산소 자원이 없을 때, L9FNO5의 CO2 형성 능력은 L9FNO5-R보다 우수하다.13 is a graph showing CO 2 formation of L9FNO5 and L9FNO5-R of Example 1 during CO-Temperature Programmed Reduction (CO-TPR). Signals of CO 2 formation were collected during the CO-TPR process. Referring to FIG. 13 , in the case of pristine L9FNO5, it is relatively easy to form CO 2 by combining CO with surface oxygen species because there was sufficient oxygen on the sample surface. At 288 ℃ CO 2 forming a peak may be considered from the combination of CO and surface oxygen, the peak at 470 ℃ may be assigned to the lattice oxygen in combination with Ni 3 + / Ni 2 +, the peak at 652 ℃ is It may be assigned to the lattice oxygen combined with Fe + 3. In the case of L9FNO5-R, since there are more oxygen vacancies than in pristine L9FNO5, as mentioned in the previous CO-TPD analysis, even though this sample had stronger CO adsorption capacity, CO 2 formation due to lack of oxygen resource There are more difficulties in The first peak appearing at 546 °C can be assigned to the defective site of oxygen with low coordination O − (ad). The peak at 700 °C can be assigned to the lattice oxygen O 2 -. Therefore, in the absence of an external oxygen source, the CO 2 formation ability of L9FNO5 is superior to that of L9FNO5-R.

WGS 반응에서, H2O의 해리가 산소의 유일한 자원이므로 H2O의 흡착 및 해리 능력은 활성에 심각한 영향을 줄 수 있다. 용출된 금속 및 산소 빈자리가 WGS의 활성 부위라는 결론을 쉽게 내릴 수 있으며, 용출된 금속은 H2O를 해리하여 CO 흡착 및 산소 트랜스미터의 활성 부위로서 더 중요한 역할을 수행한다.In the WGS reaction, since the dissociation of H 2 O is the only source of oxygen, the adsorption and dissociation capacity of H 2 O can seriously affect the activity. It can be easily concluded that the eluted metal and oxygen vacancies are the active sites of WGS, and the eluted metals dissociate H 2 O to play more important roles as active sites for CO adsorption and oxygen transmitters.

시험예 5: 실시예 2에 따른 복합촉매의 XRD 및 SEM 분석Test Example 5: XRD and SEM analysis of the composite catalyst according to Example 2

도 14는 실시예 2-1 및 2-2에 따라 제조된 복합촉매의 XRD 결과이다. 도 14를 참조하면, 페로브스카이트 구조가 650℃에서 10시간 환원 처리했을 때는 유지되었지만 850℃에서 환원 처리했을 때는 La2O3로 붕괴된 것을 확인할 수 있었다.14 is an XRD result of the composite catalyst prepared according to Examples 2-1 and 2-2. Referring to FIG. 14 , it was confirmed that the perovskite structure was maintained when the reduction treatment was performed at 650° C. for 10 hours, but collapsed into La 2 O 3 when the reduction treatment was performed at 850° C.

도 15의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2-1의 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 SEM 이미지이다. 도 15를 참조하면, 환원 처리 후에 금속 나노입자가 표면에 나타나는 것을 확인할 수 있었다.15 (a) and (b) are La 0 of Example 2-1, respectively. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . SEM images of 15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R. Referring to FIG. 15 , it was confirmed that the metal nanoparticles appeared on the surface after the reduction treatment.

도 16의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2-1의 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 HR-STEM 이미지이다. 도 16을 참조하면, 환원 처리 후에 표면에서 Ni0 입자가 발견되었으며. Ni 입자는 LaFeO3 표면에 연결된 것을 확인할 수 있었다.16 (a) and (b) are La 0 of Example 2-1, respectively. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . HR-STEM images of 15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R. Referring to FIG. 16 , Ni 0 particles were found on the surface after the reduction treatment. It was confirmed that the Ni particles were connected to the LaFeO 3 surface.

시험예 6: 실시예 2에 따른 복합촉매의 수성가스 전환 활성 분석Test Example 6: Water gas conversion activity analysis of the composite catalyst according to Example 2

도 17의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2-1의 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3 및 La0.9Fe0.85Ni0.15O3-R의 반응 온도에 따른 CO 전환 및 H2 수율을 나타낸 그래프이다. 도 17을 참조하면, 환원 처리 후 수성가스 전환 활성이 향상된 것을 확인할 수 있으며, 생성물 H2 수율이 상당히 증가한 것을 확인할 수 있었다.17 (a) and (b) are La 0 of Example 2-1, respectively. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . 15 O 3 and La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 -R according to the reaction temperature of CO conversion and H 2 A graph showing the yield. Referring to FIG. 17, it can be confirmed that the water gas conversion activity is improved after the reduction treatment, and it can be confirmed that the product H 2 yield is significantly increased.

시험예 7: 실시예 2에 따른 복합촉매의 활성 종(Active Species) 분석Test Example 7: Analysis of Active Species of the Complex Catalyst according to Example 2

도 18은 H2-Temperature Programmed Reduction(H2-TPR) 동안 실시예 2-1의 La0.9Fe0.85Ni0.15O3 및 La0 . 9Fe0 . 85Ni0 . 15O3-R의 표면 특성을 연구한 결과이다. 도 18을 참조하면, 347℃에서의 피크는 Ni2 +에서 Ni0로의 환원에 할당될 수 있다. 600℃ 이후의 피크는 페로브스카이트의 벌크 환원에 할당된다. 환원 처리 후, Ni 환원 피크는 명백히 감소되었으며 이는 Ni는 주로 금속 상태로 존재하는 것을 의미한다.18 is a H 2 -Temperature Programmed Reduction of Examples 2-1 for (H 2 -TPR) La 0.9 Fe 0.85 Ni 0.15 O 3 and La 0. 9 Fe 0 . 85 Ni 0 . This is the result of studying the surface properties of 15 O 3 -R. 18, the peak at 347 ℃ may be assigned to the reduction in Ni 0 Ni + 2. The peak after 600° C. is assigned to the bulk reduction of the perovskite. After the reduction treatment, the Ni reduction peak was clearly reduced, meaning that Ni mainly exists in a metallic state.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As mentioned above, although preferred embodiments of the present invention have been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or The present invention may be variously modified and changed by addition, etc., and this will also be included within the scope of the present invention. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (20)

하기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 산화물을 포함하는 코어; 및
상기 코어의 표면 상에 위치하고, 제3 전이금속을 포함하는 나노입자;를
포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매:
[화학식 1]
LxM1 yM2 1 - yO3
상기 화학식 1에서,
L는 란타넘족 원소(Lanthanides)이고,
M1과 M2는 서로 다른 전이금속이고,
M1은 제1 전이금속이고,
M2는 제2 전이금속이고,
x는 0<x≤1이고, y는 0<y<1이다.
A core comprising a perovskite oxide represented by the following formula (1); and
Nanoparticles located on the surface of the core and comprising a third transition metal;
Perovskite oxide composite catalyst comprising:
[Formula 1]
L x M 1 y M 2 1 - y O 3
In Formula 1,
L is a lanthanide element,
M 1 and M 2 are different transition metals,
M 1 is a first transition metal,
M 2 is a second transition metal,
x is 0<x≤1, and y is 0<y<1.
제1항에 있어서,
상기 페로브스카이트 산화물이 상기 제2 전이금속이 상기 제1 전이금속의 격자위치에 도핑된 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
According to claim 1,
The perovskite oxide composite catalyst, characterized in that the second transition metal is doped at the lattice position of the first transition metal in the perovskite oxide.
제2항에 있어서,
상기 나노입자의 제3 전이금속이 상기 페로브스카이트 산화물의 상기 제2 전이금속과 동일한 종류인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
3. The method of claim 2,
The third transition metal of the nanoparticles is a perovskite oxide composite catalyst, characterized in that the same type as the second transition metal of the perovskite oxide.
제3항에 있어서,
상기 나노입자의 상기 제3 전이금속이 상기 페로브스카이트 산화물의 상기 제2 전이금속이 용출(exsolution)되어 형성된 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
4. The method of claim 3,
The third transition metal of the nanoparticles is a perovskite oxide composite catalyst, characterized in that formed by elution (exsolution) of the second transition metal of the perovskite oxide.
제1항에 있어서,
상기 란타넘족 원소가 란타넘(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 데르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에루븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르뮴(Yb) 및 루테륨(Lu)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
According to claim 1,
The lanthanum elements are lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), and derbium (Tb). ), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), yttermium (Yb) and luterium (Lu) characterized in that it contains at least one selected from the group consisting of Perovskite oxide composite catalyst.
제1항에 있어서,
상기 제1, 제2 또는 제3 전이금속이 각각 독립적으로 스칸튬(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 지르코늄(Zr)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
According to claim 1,
The first, second, or third transition metal is each independently scantium (Sc), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co) , Nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn) and zirconium (Zr) perovskite oxide composite catalyst comprising any one selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 화학식 1에서, L은 란타넘 원소(La)이고, M1은 철(Fe)이고, M2는 니켈(Ni)인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
According to claim 1,
In Formula 1, L is lanthanum element (La), M 1 is iron (Fe), M 2 is a perovskite oxide composite catalyst, characterized in that nickel (Ni).
제1항에 있어서,
상기 페로브스카이트 산화물 촉매가 아래 반응식 1로 표시되는 수성가스 전환반응(Water Gas Shift reaction, WGS)의 촉매로 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
[반응식 1]
CO + H2O → CO2 + H2
According to claim 1,
The perovskite oxide catalyst is a perovskite oxide composite catalyst, characterized in that for use as a catalyst of the water gas shift reaction (Water Gas Shift reaction, WGS) represented by the following Reaction Formula 1.
[Scheme 1]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
(a) 란타넘족 원소 전구체, 제1 전이금속 전구체, 제2 전이금속 전구체, 착화제 및 용매를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
(b) 상기 혼합 용액의 용매를 증발시켜 겔을 제조하는 단계;
(c) 상기 겔을 건조시키고, 하소(calcination)하여 페로브스카이트 분말을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 페로브스카이트 분말을 환원 조건에서 열처리하여, 아래 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 산화물을 포함하는 코어와, 상기 코어의 표면 상에 위치하고, 제3 전이금속을 포함하는 나노입자를 포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 제조하는 단계;를
포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법:
[화학식 1]
LxM1 yM2 1 - yO3
상기 화학식 1에서,
L는 란타넘족 원소(Lanthanides)이고,
M1과 M2는 서로 다른 전이금속이고,
M1은 제1 전이금속이고,
M2는 제2 전이금속이고,
x는 0<x≤1이고, y는 0<y<1이다.
(a) preparing a mixed solution by mixing a lanthanum group element precursor, a first transition metal precursor, a second transition metal precursor, a complexing agent, and a solvent;
(b) evaporating the solvent of the mixed solution to prepare a gel;
(c) drying the gel and calcining to prepare a perovskite powder; and
(d) heat-treating the perovskite powder under reducing conditions, and a core including a perovskite oxide represented by the following Chemical Formula 1, and nanoparticles located on the surface of the core and containing a third transition metal Preparing a perovskite oxide composite catalyst comprising a;
Method for producing a perovskite oxide composite catalyst comprising:
[Formula 1]
L x M 1 y M 2 1 - y O 3
In Formula 1,
L is a lanthanide element,
M 1 and M 2 are different transition metals,
M 1 is a first transition metal,
M 2 is a second transition metal,
x is 0<x≤1, and y is 0<y<1.
제9항에 있어서,
상기 페로브스카이트 산화물이 상기 제2 전이금속이 상기 제1 전이금속의 격자위치에 도핑된 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매.
10. The method of claim 9,
The perovskite oxide composite catalyst, characterized in that the second transition metal is doped at the lattice position of the first transition metal in the perovskite oxide.
제9항에 있어서,
상기 란타넘족 원소 전구체가 란타넘 전구체를 포함하고,
상기 란타넘 전구체가 질산 란타넘 6수화물(Lanthanum(III) nitrate hexahydrate, La(NO3)3ㆍ6H2O), 염화란타넘 7수화물(Lanthanum(III) chloride heptahydrate, LaCl3ㆍ7H2O), 아세트산 란타넘 수화물(Lanthanum(III) acetate hydrate, La(CH3COO)3ㆍxH2O), 질산 란타넘 수화물(Lanthanum(III) nitrate hydrate, La(NO3)3ㆍxH2O) 및 염화란타넘 수화물(Lanthanum(III) chloride hydrate, LaCl3ㆍxH2O)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The lanthanum group element precursor includes a lanthanum precursor,
The lanthanum precursor is lanthanum nitrate hexahydrate (Lanthanum(III) nitrate hexahydrate, La(NO 3 ) 3 ㆍ6H 2 O), lanthanum chloride heptahydrate (Lanthanum(III) chloride heptahydrate, LaCl 3 ㆍ7H 2 O) , Lanthanum(III) acetate hydrate, La(CH 3 COO) 3 .xH 2 O), Lanthanum(III) nitrate hydrate, La(NO 3 ) 3 .xH 2 O) and Lanthanum chloride hydrate (Lanthanum (III) chloride hydrate, LaCl 3 ·xH 2 O) A method for producing a perovskite oxide composite catalyst comprising at least one selected from the group consisting of.
제9항에 있어서,
상기 제1 전이금속 전구체가 철 전구체를 포함하고, 상기 제2 전이금속 전구체가 니켈 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The method for producing a perovskite oxide composite catalyst, wherein the first transition metal precursor includes an iron precursor, and the second transition metal precursor includes a nickel precursor.
제12항에 있어서,
상기 철 전구체가 질산 철 9수화물(Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO3)3ㆍ9H2O), 황산 철(Iron(II) sulfate, FeSO4) 및 염화 철(Iron(III) chloride, FeCl3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 니켈 전구체가 질산 니켈 6수화물(Nickel(II) nitrate hexahydrate, N2NiO6ㆍ6H2O), 황산 니켈(Nickel sulfate, NiSO4) 및 염화 니켈(Nickel chloride, NiCl2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The iron precursor is iron nitrate nonahydrate (Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O), iron sulfate (Iron(II) sulfate, FeSO 4 ) and iron chloride (Iron(III) chloride, FeCl 3 ) comprising at least one selected from the group consisting of,
The nickel precursor is nickel nitrate hexahydrate (Nickel (II) nitrate hexahydrate, N 2 NiO 6 ·6H 2 O), nickel sulfate (Nickel sulfate, NiSO 4 ) and nickel chloride (Nickel chloride, NiCl 2 ) selected from the group consisting of A method for producing a perovskite oxide composite catalyst comprising at least one.
제9항에 있어서,
상기 착화제가 시트르산(citric acid), 글라이신(glycine), 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 및 폴리아크릴릭애씨드(PAA)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Method for producing a perovskite oxide composite catalyst comprising at least one selected from the group consisting of citric acid, glycine, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and polyacrylic acid (PAA) .
제9항에 있어서,
상기 환원 조건은 수소가스 분위기이고,
상기 열처리는 300 내지 1,000℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 산화물 복합촉매의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The reduction condition is a hydrogen gas atmosphere,
The heat treatment is a method for producing a perovskite oxide composite catalyst, characterized in that carried out at a temperature of 300 to 1,000 ℃.
제1항에 따른 페로브스카이트 복합촉매 존재 하에서 아래 반응식 1에 따라 일산화탄소 및 물을 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 단계;를 포함하는 수성가스 전환방법.
[반응식 1]
CO + H2O → CO2 + H2
A water gas conversion method comprising a; by performing a water gas shift reaction of carbon monoxide and water according to Reaction Equation 1 below in the presence of the perovskite complex catalyst according to claim 1 to produce carbon dioxide and hydrogen.
[Scheme 1]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
제16항에 있어서,
상기 수성가스 전환방법이
(a) 제1항에 따른 페로브스카이트 산화물 복합촉매에 불활성 가스를 접촉시켜 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매를 전처리하는 단계; 및
(b) 전처리된 상기 페로브스카이트 산화물 복합촉매 존재 하에서 상기 반응식 1에 따라 일산화탄소 및 물을 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환방법.
17. The method of claim 16,
The water gas conversion method is
(a) pre-treating the perovskite oxide composite catalyst by contacting an inert gas with the perovskite oxide composite catalyst according to claim 1; and
(b) generating carbon dioxide and hydrogen by subjecting carbon monoxide and water to a water gas shift reaction according to Scheme 1 in the presence of the pretreated perovskite oxide complex catalyst; Water gas conversion method.
제17항에 있어서,
상기 단계 (a)의 전처리가 100 내지 200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환방법.
18. The method of claim 17,
Water gas conversion method, characterized in that the pretreatment of step (a) is carried out at 100 to 200 ℃.
제17항에 있어서,
상기 단계 (b)의 수성가스 전환반응이 100 내지 700℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환방법.
18. The method of claim 17,
Water gas conversion method, characterized in that the water gas conversion reaction of step (b) is carried out at 100 to 700 ℃.
제17항에 있어서,
상기 불활성 가스가 질소가스, 헬륨가스, 네온가스, 아르곤 가스, 및 크리톤 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수성가스 전환방법.
18. The method of claim 17,
Water gas conversion method, characterized in that the inert gas comprises at least one selected from the group consisting of nitrogen gas, helium gas, neon gas, argon gas, and crito gas.
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