KR20220152050A - Rhodium-Cerium Oxide Exsolution Catalyst for Steam Reforming with Enhanced Durability at High Temperature by Reduction Treatment, Manufacturing Method Thereof, and Steam Reforming Method Using the Same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a rhodium-cerium oxide exsolution catalyst for a steam reforming reaction with improved durability at high temperatures through reduction heat treatment, a manufacturing method, and a steam reforming reaction method using the same. The present invention provides the method for manufacturing the rhodium-cerium oxide exsolution catalyst for the steam reforming reaction, if used, being capable of acquiring the rhodium-cerium oxide exsolution catalyst for the steam reforming reaction which has enhanced durability at high temperatures through reduction heat-treatment as compared with a conventional Rh/CeO_2 catalyst and high surface area of 55 m^2 or more, and in which Rh nanoparticles separated from a rhodium-doped cerium oxide carrier directly confirmed by in-situ TEM analysis are exsolved. If the catalyst is used, improved hydrogen yield in the steam reforming reaction for a long time at high temperatures, especially in the propane wet reforming reaction can be obtained and a nano-sized catalyst for manufacturing a highly durable exsolution catalyst can be provided since the catalyst according to the present invention has improved resistance to sintering and coke deposition after the steam reforming reaction as compared with the conventional Rh/CeO_2.

Description

환원 열처리를 통해 고온에서의 내구성이 향상된 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 습식 개질 반응방법{Rhodium-Cerium Oxide Exsolution Catalyst for Steam Reforming with Enhanced Durability at High Temperature by Reduction Treatment, Manufacturing Method Thereof, and Steam Reforming Method Using the Same}Rhodium-cerium oxide elution catalyst for wet reforming reaction with improved durability at high temperature through reduction heat treatment, manufacturing method thereof, and wet reforming reaction method using the same {Rhodium-Cerium Oxide Exsolution Catalyst for Steam Reforming with Enhanced Durability at High Temperature by Reduction Treatment , Manufacturing Method Thereof, and Steam Reforming Method Using the Same}

본 발명은 삼성전자㈜의 지원 하에서 과제고유번호 SRFC-MA1502-52에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 삼성전자 미래기술육성센터, 연구사업명은 "삼성미래기술육성사업", 연구과제명은 "(G01200274)자발적 금속/산화물 상변화 제어를 통한 차세대 고성능 촉매 개발(2020년도)", 기여율은 1/1 이다.The present invention was made under the support of Samsung Electronics Co., Ltd. by the task identification number SRFC-MA1502-52, and the research management institution for the above task is the Samsung Electronics Future Technology Development Center, the research project name is "Samsung Future Technology Development Project", the research task The name is “(G01200274) Development of next-generation high-performance catalysts through spontaneous metal/oxide phase change control (year 2020)”, and the contribution rate is 1/1.

본 발명은 환원 열처리를 통해 고온에서의 내구성이 향상된 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 습식 개질 반응방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 환원 열처리를 통해 로듐 나노입자가 용출되어 고온에서의 향상된 내구성과 높은 표면적을 가지는 촉매의 제조방법과 습식 개질 반응에서 향상된 수소 수득률과 소결 및 코크 침적에 대한 향상된 저항성을 가지는 본 발명의 촉매를 이용한 습식 개질 반응방법에 관한 것이다.The present invention relates to a rhodium-cerium oxide elution catalyst for wet reforming reaction with improved durability at high temperature through reduction heat treatment, a method for preparing the same, and a wet reforming reaction method using the same. More specifically, a method for preparing a catalyst having improved durability and high surface area at high temperature by eluting rhodium nanoparticles through reduction heat treatment, and improved hydrogen yield and improved resistance to sintering and coke deposition in the wet reforming reaction of the present invention It relates to a wet reforming reaction method using a catalyst.

담지된 금속 촉매(supported metal catalyst)는 불균일 화학 반응에서 사용되어 왔다. 금속 나노입자가 담지체에 증착되면, 금속 크기, 형태 및 금속과 담지체 사이의 상호 작용과 같은 다양한 측면을 고려하여 고성능을 제공한다. 그러나, 다수의 담지된 금속 촉매는 표면 자유 에너지를 최소화하려는 열역학적 경향 때문에 고온에서 소결(sintering)을 겪는다. 금속 나노입자의 응집은 목표한 반응에 대한 바람직한 크기 또는 모양을 손실함으로써 심각한 문제를 유발한다. 특히, 코크 침적(coke deposition)은 촉매의 개질 반응에서 가속화될 수 있다.Supported metal catalysts have been used in heterogeneous chemical reactions. When metal nanoparticles are deposited on a support, high performance is provided by considering various aspects such as metal size, shape, and interaction between the metal and the support. However, many supported metal catalysts undergo sintering at high temperatures because of their thermodynamic tendency to minimize surface free energy. Aggregation of metal nanoparticles causes serious problems by losing the desired size or shape for the targeted reaction. In particular, coke deposition can be accelerated in the reforming reaction of the catalyst.

프로판 습식 개질(propane steam reforming, PSR) 반응은 높은 수득률의 H2의 생산을 위한 유망한 개질 공정으로 제안되어 왔다. 프로판(propane, C3H8)은 높은 에너지 밀도, 잘-구축된 유통 인프라 및 용이한 저장과 운송 덕분에 효과적인 H2 생산을 위한 좋은 후보 중 하나이다. 그러나, PSR 반응은 높은 H2 수득률을 위해 일반적으로 600℃ 이상의 고온이 요구되고, 반응 중에 촉매가 소결되거나 코크가 침적되는 문제를 발생시킨다. 이러한 한계 때문에, 촉매가 어떠한 분해 없이도 장기간 반응에서 높은 내구성을 갖도록 PSR 반응을 설계하기는 어렵다. Propane steam reforming (PSR) reaction has been proposed as a promising reforming process for the production of H 2 in high yield. Propane (C 3 H 8 ) is one of the good candidates for effective H 2 production thanks to its high energy density, well-established distribution infrastructure and easy storage and transportation. However, the PSR reaction generally requires a high temperature of 600° C. or more for high H 2 yield, and causes problems in that the catalyst is sintered or coke is deposited during the reaction. Because of these limitations, it is difficult to design a PSR reaction such that the catalyst has high durability in long-term reactions without any decomposition.

용출(exsolution) 현상은 더 우수한 열안정도(thermal stability)를 갖는 담지된 금속 촉매를 제조하는 신규한 방법으로 많은 주목을 받았다. 이는 산화 환원 사이클 동안 페로브스카이트(perovskite) 산화물의 도핑된 금속이 담지체 안팎으로 이동하는 근본적인 상전이 현상이다. 모 담지체(parent support)로부터 분리된 금속이 담지체의 표면에 단지 증착되는 것만이 아니라 격자 속으로 앵커링(anchoring)되기 때문에, 용출 방법에 의해 합성되는 담지된 금속 촉매는 높은 내구성을 나타낼 수 있다. 금속 및 담지체 사이의 강한 상호작용은 종래 촉매의 안정성 문제를 해결하기 위해 사용될 수 있고, 여러 문헌에서는 용출 촉매가 고온에서 장시간 작동을 나타내었다고 보고하였다.The exsolution phenomenon has received much attention as a novel method for preparing supported metal catalysts with better thermal stability. This is a fundamental phase transition phenomenon in which the doped metal of perovskite oxide moves in and out of the support during the redox cycle. Since the metal separated from the parent support is not merely deposited on the surface of the support but is anchored into the lattice, the supported metal catalyst synthesized by the elution method can exhibit high durability. . The strong interaction between the metal and the support can be used to solve the stability problem of conventional catalysts, and several literatures have reported that elution catalysts operate at high temperatures for a long time.

용출 촉매의 이러한 이점에도 불구하고, 페로브스카이트 산화물의 큰 결정 크기와 연관된 낮은 표면적 때문에 실제로 적용하기는 어렵다. 이와 관련하여, 몇몇 연구에서 높은 표면적의 페로브스카이트를 제조하기 위한 시도가 있었으나, 용출을 위한 환원성 처리 전의 표면적을 나타내었을 뿐이다. 일부 연구에서 세륨(Ce)- 또는 지르코늄(Zr)- 기반 물질을 사용한 비-페로브스카이트(non-perovskite) 호스트와 함께 용출 현상의 가능성을 보고하였다. 이들 중, 산화세륨(cerium(IV) oxide)은 용이하게 열로 환원되어 용출 현상에 대한 추진력으로 알려진 산소 공극(oxygen vacancy)을 형성할 수 있기 때문에 유망한 후보이다. 용출 현상과 같이 산화세륨-도핑된 금속이 산화물로부터 나올 수 있다는 몇 안 되는 연구가 있지만, 직접적인 실험적 근거와 자세한 연구는 없다.Despite these advantages of elution catalysts, their practical application is difficult due to the low surface area associated with the large crystallite size of perovskite oxides. In this regard, some studies have attempted to prepare high surface area perovskites, but only the surface area before reductive treatment for elution was shown. Some studies have reported the possibility of elution with non-perovskite hosts using cerium (Ce)- or zirconium (Zr)-based materials. Among these, cerium(IV) oxide is a promising candidate because it can be easily reduced with heat to form oxygen vacancies known as the driving force for the elution phenomenon. There are few studies that suggest that cerium oxide-doped metals can come from oxides, such as elution phenomena, but there is no direct experimental basis or detailed study.

KRKR 10-2018-010142710-2018-0101427 AA

본 발명자들은 용출 현상을 이용하여 높은 표면적을 가지며 장기간 열안정성이 높은 비-페로브스카이트 구조의 불균일계 촉매를 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 환원 열처리를 통해 로듐 나노입자의 용출이 일어나 고온에서의 내구성이 향상되고 55 m2/g 이상의 높은 표면적을 가지며, 습식 개질 반응, 특히 700℃에서 65시간 동안의 프로판 습식 개질 반응에서 높은 수소 수득률과 프로판 전환율을 보이고, 프로판 습식 개질 반응에 사용된 촉매가 소결 및 코크 저항성을 가지며, In-situ TEM 분석을 통해 산화세륨 도메인으로부터 분리된 로듐 나노입자가 용출되어 있음을 직접적으로 명확하게 규명함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have intensively researched to develop a heterogeneous catalyst having a non-perovskite structure having a high surface area and high long-term thermal stability by using the elution phenomenon. As a result, the rhodium-cerium oxide elution catalyst of the present invention elutes rhodium nanoparticles through reduction heat treatment to improve durability at high temperatures, has a high surface area of 55 m 2 /g or more, and has a wet reforming reaction, especially at 700 ° C. In the propane wet reforming reaction for a period of time, high hydrogen yield and propane conversion were shown, the catalyst used in the propane wet reforming reaction had sintering and coke resistance, and rhodium nanoparticles separated from the cerium oxide domain through in-situ TEM analysis The present invention was completed by directly and clearly clarifying that it was eluted.

따라서, 본 발명의 목적은 습식 개질(steam reforming) 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for a steam reforming reaction.

본 발명의 다른 목적은 환원 열처리에 의해 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of a cerium oxide carrier doped with rhodium by reduction heat treatment.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 촉매를 탄화수소와 수증기에 가하여 수소 가스를 얻는 단계를 포함하는 습식 개질 반응방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a wet reforming reaction method comprising the step of obtaining hydrogen gas by adding the catalyst according to the present invention to hydrocarbon and steam.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 습식 개질(steam reforming) 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법을 제공한다:According to one aspect of the present invention, the present invention provides a method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for a steam reforming reaction comprising the following steps:

a) 산화세륨 전구체 용액 및 로듐 전구체 용액을 혼합하는 단계;a) mixing a cerium oxide precursor solution and a rhodium precursor solution;

b) 상기 a) 단계의 결과물을 소성시키는 단계; 및b) firing the product of step a); and

c) 상기 b) 단계의 결과물을 환원 열처리하는 단계.c) subjecting the product of step b) to reduction heat treatment.

본 발명자들은 공침법(co-precipitation method)과 환원 열처리를 이용하여 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제조하였다. The present inventors prepared a rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction by using a co-precipitation method and reduction heat treatment.

본 명세서에서 용어 "공침법(co-precipitation method)"은 혼합된 산화물-기반 고체 촉매를 제조하는 데에 가장 널리 사용되는 방법으로, 고체 형성 과정 및 미네랄의 재결정 동안 미량 원소(trace element)를 미네랄 구조에 삽입하는 과정을 포함하는 제어된 화학 평형 이동 과정을 의미한다. 본 발명의 공침법은 금속 화합물의 특정 용액 제조, 용액의 혼합, 건조(drying) 및 소성(calcination)과 같은 다수의 단계를 포함할 수 있다. As used herein, the term "co-precipitation method" is the most widely used method for preparing mixed oxide-based solid catalysts, in which trace elements are extracted from minerals during solid formation and recrystallization of minerals. Refers to a controlled chemical equilibrium shift process involving intercalation into a structure. The co-precipitation method of the present invention may include multiple steps such as preparation of a specific solution of a metal compound, mixing of the solution, drying and calcination.

본 명세서에서 용어 "소성(calcination)"은 공기 또는 산소(O2) 중에서 고온으로 가열하는 처리를 의미한다. 본 발명에서는 고온에서 공기 또는 산소를 통해 촉매를 산화시키기 위해 열처리 즉, 소성 처리하였다.In this specification, the term "calcination" means a treatment of heating at a high temperature in air or oxygen (O 2 ). In the present invention, heat treatment, that is, firing treatment was performed to oxidize the catalyst through air or oxygen at a high temperature.

본 명세서에서 용어 "로듐이-도핑된 산화세륨(Rh-doped CeO2, CeRhO)"은 본 발명의 제조방법에 따른 상기 a) 단계 및 b) 단계를 거쳐서 제조하거나 공침법으로 제조한 담지체를 의미하며, 이는 고용체 형태이다.In the present specification, the term "rhodium-doped cerium oxide (Rh-doped CeO 2 , CeRhO)" refers to a carrier prepared through steps a) and b) or prepared by a coprecipitation method according to the manufacturing method of the present invention. , which is in solid solution form.

본 명세서에서 용어 "고용체(solid solution)"는 어떤 용매 안에 있는 하나 이상의 용질이 섞여 고체 상태로 존재하는 용액을 의미한다. As used herein, the term "solid solution" refers to a solution in which one or more solutes in a certain solvent are mixed and exist in a solid state.

본 명세서에서 용어 "로듐-산화세륨 용출 촉매(Exsolved CeRhO)"는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 촉매로, 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체(Rh-doped CeO2, CeRhO)에 환원 열처리를 하여 로듐 나노입자를 담지체 표면상으로 용출시킨 결과, 용출된 로듐 나노입자가 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 격자(lattice) 속에 앵커링되어 있는 촉매를 의미한다. 본 발명의 "로듐-산화세륨 용출 촉매"는 종래의 습윤-함침법(wet-impregnation)으로 합성된 로듐이 증착된 산화세륨(Rh/CeO2) 촉매에 환원 열처리하여도 로듐 나노입자가 산화세륨 담지체 표면상에 단지 증착되어 있을 뿐 앵커링되어 있지는 않은 종래의 촉매와는 구별되는 신규한 촉매이다.In the present specification, the term "rhodium-cerium oxide elution catalyst (Exsolved CeRhO)" is a catalyst prepared according to the production method of the present invention, and a reduction heat treatment is performed on a rhodium-doped cerium oxide carrier (Rh-doped CeO 2 , CeRhO). As a result of eluting rhodium nanoparticles onto the surface of the support, the eluted rhodium nanoparticles refer to a catalyst anchored in a rhodium-doped cerium oxide support lattice. The "rhodium-cerium oxide elution catalyst" of the present invention is a rhodium-deposited cerium oxide (Rh/CeO 2 ) catalyst synthesized by a conventional wet-impregnation method. It is a novel catalyst distinct from conventional catalysts that are only deposited on the surface of a support and not anchored.

본 명세서에서 용어 "습윤-함침법(wet-impregnation)"은 과량의 용매를 사용하여 고체가 분리되고, 과량의 용제를 건조하여 제거하는 과정을 포함하는 불균일계 촉매를 제조하는 데에 널리 사용되는 방법을 의미한다. 본 발명에서는 대조 샘플로서 후술될 비교예 1의 촉매를 제조하기 위해서 습윤-함침법을 사용하였다.In this specification, the term "wet-impregnation" is widely used to prepare a heterogeneous catalyst comprising a process in which solids are separated using an excess of solvent and the excess solvent is removed by drying. means the way In the present invention, a wet-impregnation method was used to prepare the catalyst of Comparative Example 1 to be described later as a control sample.

본 명세서에서 용어 "증착(deposition)"은 담지된 금속이 담지체 표면상에 표면적으로 얹혀있는 상태를 의미한다. 종래의 습윤-함침법에 의해 합성된 촉매에서 금속 입자는 담지체에 증착되어 있다. In this specification, the term “deposition” refers to a state in which supported metal is superficially placed on the surface of a support. In a catalyst synthesized by a conventional wet-impregnation method, metal particles are deposited on a carrier.

본 명세서에서 용어 "환원 열처리, 환원성 처리, 또는 환원성 조건"은 수소(H2)하에서 실온 보다 높은 고온으로 가열하여 환원하는 처리 또는 그러한 조건을 의미한다. 본 발명에서는 고온에서 수소를 통해 촉매를 환원시켜 금속 나노입자의 용출 현상을 유발하기 위해 환원 열처리를 하였다.In this specification, the term "reduction heat treatment, reducing treatment, or reducing condition" means a treatment or conditions in which reduction is performed by heating to a high temperature higher than room temperature under hydrogen (H 2 ). In the present invention, reduction heat treatment was performed to induce elution of metal nanoparticles by reducing the catalyst through hydrogen at high temperature.

본 명세서에서 용어 "용출(exsolution) 또는 용출 현상"은 환원 사이클 동안 산화물 담지체 격자 구조내에 있는 도핑된 금속 나노입자가 산화물 담지체 표면으로 뭉쳐서 올라오는 상전이 현상을 의미한다. 본 발명에서는 환원 열처리에 의해 로듐 나노입자가 비-페로브스카이트 산화물 표면, 즉 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 표면상에 용출되어 있다.In this specification, the term "exsolution or elution phenomenon" refers to a phase transition phenomenon in which doped metal nanoparticles in the lattice structure of the oxide carrier aggregate to the surface of the oxide carrier during a reduction cycle. In the present invention, rhodium nanoparticles are eluted on the non-perovskite oxide surface, that is, on the surface of the rhodium-doped cerium oxide carrier by reduction heat treatment.

이러한 용출 현상은 종래에는 페로브스카이트 산화물(perovskite oxide)에 도핑된 금속 촉매의 제조 방법으로 사용되고 있으나 10 m2/g 내외의 낮은 표면적 때문에 실질적인 촉매 응용에 상당히 제한적이다. 비-페로브스카이트 산화물(non-perovskite oxide)에 도핑된 금속 촉매의 제조 방법으로서 용출 현상의 가능성이 소수 보고되고 있으나, 직접적인 실험적 근거가 부족한 실정이다. 본 발명에서 처음으로 비-페로브스카이트 산화물에 도핑된 금속 촉매가 종래의 페로브사카이트 산화물 촉매보다 향상된 표면적(55 m2/g 이상)을 가지며 용출 현상에 의해 표면상에 금속 나노입자가 용출되어 있음을 명확하게 규명하였다.This elution phenomenon has conventionally been used as a method for preparing a metal catalyst doped with perovskite oxide, but due to a low surface area of about 10 m 2 /g, practical catalytic applications are quite limited. As a method for preparing a metal catalyst doped in non-perovskite oxide, the possibility of an elution phenomenon has been reported in small numbers, but direct experimental grounds are lacking. In the present invention, for the first time, a metal catalyst doped in a non-perovskite oxide has an improved surface area (more than 55 m 2 /g) than a conventional perovskite oxide catalyst, and metal nanoparticles are formed on the surface by elution. It was clearly identified that it was eluted.

본 명세서에서 용어 '페로브스카이트 산화물(perovskite oxide)"은 ABO3 구조식을 가지는 금속 산화물로, 일반적으로 A 자리에는 12 배위의 이온 반지름이 비교적 큰 란탄 계열의 금속 양이온이 사용되고, B 자리에는 6 배위의 이온 반지름이 비교적 작은 3d 전이 금속 양이온이 사용된다. 이러한 페로브스카이트 산화물 구조를 갖는 촉매는 우수한 열안정도가 있으나, 낮은 표면적 때문에 촉매 담지체로서는 폭 넓은 적용 범위를 갖지 못한다.In this specification, the term 'perovskite oxide' is a metal oxide having an ABO 3 structural formula, and generally, a lanthanum-based metal cation with a relatively large ionic radius of 12 coordinates is used at the A site, and 6 A 3d transition metal cation having a relatively small ionic radius of coordination is used A catalyst having a perovskite oxide structure has excellent thermal stability, but does not have a wide range of applications as a catalyst support because of its low surface area.

본 명세서에서 용어 '비-페로브스카이트 산화물(non-perovskite oxide)"은 ABO3 구조식을 갖지 않는 금속 산화물을 의미하며, 예를 들어, 파이로클로르(pyrochlore, A2B2O6)형, 형석(fluorite)-관련-형, 아라고나이트(aragonite)형, 스피넬(spinel, AB2O4)형 구조 등을 갖는 산화물이 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명에서는 환원 열처리를 통해 고온에서 향상된 내구성과 높은 표면적을 가지며 비-페로브스카이트 산화물 구조, 특히 산화세륨 구조를 갖는 촉매의 제조방법을 제공한다.In this specification, the term 'non-perovskite oxide' means a metal oxide that does not have an ABO 3 structural formula, for example, a pyrochlore (A 2 B 2 O 6 ) type. , oxides having a fluorite-related-type, aragonite-type, spinel (AB 2 O 4 )-type structure, etc. may be included, but are not limited thereto. A method for preparing a catalyst having a non-perovskite oxide structure, particularly a cerium oxide structure, having improved durability at high temperatures and a high surface area is provided.

본 명세서에서 용어 "앵커링(anchoring)"은 담지된 금속 나노입자가 담지체 계(phase)의 격자(lattice)속으로 단단히 박혀있는(socketed) 상태를 의미하며, 이는 향상된 금속-담지체 상호작용(metal-supprt interaction)을 제공하여 촉매에 우수한 안정성을 부여한다. 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매에서 용출된 로듐 나노입자는 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 격자 속에 앵커링되어 있다.In this specification, the term "anchoring" refers to a state in which supported metal nanoparticles are firmly embedded in the lattice of the support phase, which is enhanced metal-support interaction ( metal-supprt interaction) to give the catalyst excellent stability. The rhodium nanoparticles eluted from the rhodium-cerium oxide elution catalyst of the present invention are anchored in the rhodium-doped cerium oxide carrier lattice.

탄화수소 개질(reforming)에는 크게 습식 개질(steam reforming), 부분산화(partial oxidation) 및 자열 개질(auto-thermal reforming)이 포함된다. 습식 개질 반응은 수소의 수득률이 높아 상업적으로 사용되고 있다.Hydrocarbon reforming largely includes steam reforming, partial oxidation, and auto-thermal reforming. The wet reforming reaction is commercially used because of its high yield of hydrogen.

본 명세서에서 용어 "습식 개질(steam reforming, SR) 반응 또는 수증기 개질 반응"은 탄화수소와 수증기의 반응에 의하여 수소가 포함된 개질가스가 생산되는 흡열 반응을 의미한다. 습식 개질 반응을 통해 수소(H2), 일산화탄소(CO) 등의 합성 가스(syngas)를 생산할 수 있다.In this specification, the term “steam reforming (SR) reaction or steam reforming reaction” refers to an endothermic reaction in which a reformed gas containing hydrogen is produced by a reaction between a hydrocarbon and steam. Syngas such as hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) may be produced through a wet reforming reaction.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응에 사용되는 탄화수소에는 메탄, 메탄올, 에탄, 에탄올, 프로판, 프로판올, 에틸렌글리콜, 벤젠 등이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 습식 개질 반응에 사용되는 탄화수소에는 천연가스, 디젤 등의 탄화수소 연료가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, hydrocarbons used in the wet reforming reaction of the present invention include methane, methanol, ethane, ethanol, propane, propanol, ethylene glycol, benzene, etc., but are not limited thereto. Hydrocarbons used in the wet reforming reaction of the present invention include hydrocarbon fuels such as natural gas and diesel, but are not limited thereto.

본 명세서에서 용어"프로판 습식 개질(propane steam reforming, PSR) 반응 또는 프로판 수증기 개질 반응"은 프로판과 수증기의 반응에 의하여 수소가 포함된 개질가스가 생성되는 흡열 반응을 의미한다. In this specification, the term “propane steam reforming (PSR) reaction or propane steam reforming reaction” refers to an endothermic reaction in which a reformed gas containing hydrogen is generated by a reaction between propane and steam.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 프로판 습식 개질(steam reforming) 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법을 제공한다: In one embodiment of the present invention, the present invention provides a method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for propane wet reforming (steam reforming) reaction comprising the following steps:

a) 산화세륨 전구체 용액 및 로듐 전구체 용액을 혼합하는 단계;a) mixing a cerium oxide precursor solution and a rhodium precursor solution;

b) 상기 a) 단계의 결과물을 소성시키는 단계; 및b) firing the product of step a); and

c) 상기 b) 단계의 결과물을 환원 열처리하는 단계.c) subjecting the product of step b) to reduction heat treatment.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 습식 개질 반응용인, 하기 화학식 1로 표기되는 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법을 제공한다:In another embodiment of the present invention, the present invention provides a method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst represented by the following formula (1) for a wet reforming reaction comprising the following steps:

a) 산화세륨 전구체 용액 및 로듐 전구체 용액을 혼합하는 단계;a) mixing a cerium oxide precursor solution and a rhodium precursor solution;

b) 상기 a) 단계의 결과물을 소성시키는 단계; 및b) firing the product of step a); and

c) 상기 b) 단계의 결과물을 환원 열처리하는 단계,c) subjecting the product of step b) to reduction heat treatment;

[화학식 1][Formula 1]

Ce1- x Rh x O2-y Ce 1- x Rh x O 2-y

상기 로륨(Rh) 및 세륨(Ce)의 함량비는 로듐이 x이고 세륨이 1-x이며, 상기 화학식 1에서 x는 0.01≤x≤0.08 범위의 유리수이고, y는 0<y<2 범위의 유리수임.The content ratio of rhodium (Rh) and cerium (Ce) is that rhodium is x and cerium is 1- x , and in Formula 1, x is a rational number in the range of 0.01 ≤ x ≤ 0.08, and y is in the range of 0 < y <2 glass number.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 b) 단계에서 소성은 300℃ 내지 500℃의 공기 또는 산소하에서 수행된다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 b) 단계에서 소성은 300℃ 내지 500℃, 300℃ 내지 450℃, 300℃ 내지 400℃, 300℃ 내지 350℃, 350℃ 내지 500℃, 350℃ 내지 450℃, 350℃ 내지 400℃, 400℃ 내지 500℃, 400℃ 내지 450℃ 또는 450℃ 내지 500℃의 공기 또는 산소하에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 소성은 450℃의 공기하에서 수행된다.In one embodiment of the present invention, the firing in step b) is performed under air or oxygen at 300 ° C to 500 ° C. In another embodiment of the present invention, the firing in step b) is 300 ° C to 500 ° C, 300 ° C to 450 ° C, 300 ° C to 400 ° C, 300 ° C to 350 ° C, 350 ° C to 500 ° C, 350 ° C to 350 ° C 450 °C, 350 °C to 400 °C, 400 °C to 500 °C, 400 °C to 450 °C, or 450 °C to 500 °C in air or oxygen, but is not limited thereto. In a specific embodiment of the present invention, the firing of the present invention is performed under air at 450°C.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 b) 단계에서 소성은 1시간 내지 8시간 동안 수행된다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 b) 단계에서 소성은 1시간 내지 8시간, 1시간 내지 7시간, 1시간 내지 6시간, 1시간 내지 5시간, 1시간 내지 4시간, 1시간 내지 3시간, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 8시간, 2시간 내지 7시간, 2시간 내지 6시간, 2시간 내지 5시간, 2시간 내지 4시간, 2시간 내지 3시간, 3시간 내지 8시간, 3시간 내지 7시간, 3시간 내지 6시간, 3시간 내지 5시간, 3시간 내지 4시간, 4시간 내지 8시간, 4시간 내지 7시간, 4시간 내지 6시간, 또는 4시간 내지 5시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 상기 b) 단계에서 소성은 4시간 동안 수행된다.In one embodiment of the present invention, the firing in step b) is performed for 1 hour to 8 hours. In another embodiment of the present invention, the firing in step b) is 1 hour to 8 hours, 1 hour to 7 hours, 1 hour to 6 hours, 1 hour to 5 hours, 1 hour to 4 hours, 1 hour to 1 hour 3 hours, 1 to 2 hours, 2 to 8 hours, 2 to 7 hours, 2 to 6 hours, 2 to 5 hours, 2 to 4 hours, 2 to 3 hours, 3 to 8 hours , from 3 hours to 7 hours, from 3 hours to 6 hours, from 3 hours to 5 hours, from 3 hours to 4 hours, from 4 hours to 8 hours, from 4 hours to 7 hours, from 4 hours to 6 hours, or from 4 hours to 5 hours It may be performed, but is not limited thereto. In a specific embodiment of the present invention, the firing in step b) is performed for 4 hours.

종래의 페로브스카이트 산화물은 용출 현상을 위해서 800℃가 넘는 비교적 장시간(> 4시간)의 환원 열처리가 필요로 하지만, 본 발명의 바-페로브스카이트 산화물 구조를 갖는 촉매, 즉 로듐-산화세륨 용출 촉매는 800℃이하의 온도 및 4시간 이하의 환원 열처리 조건에서도 용출 현상을 일으킬 수 있다.Conventional perovskite oxides require a relatively long (> 4 hours) reduction heat treatment of more than 800 ° C. for elution, but the catalyst having a bar-perovskite oxide structure of the present invention, that is, rhodium-oxidized The cerium elution catalyst can cause elution even under conditions of a temperature of 800° C. or less and a reduction heat treatment of 4 hours or less.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리는 5분 내지 4시간 동안 400℃ 내지 700℃의 온도에서 수행된다.In one embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) is performed at a temperature of 400 ° C to 700 ° C for 5 minutes to 4 hours.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 5분 내지 4시간, 5분 내지 3시간, 5분 내지 2시간, 5분 내지 1시간, 5분 내지 30분, 5분 내지 10분, 10분 내지 4시간, 10분 내지 3시간, 10분 내지 2시간, 10분 내지 1시간, 10분 내지 30분, 30분 내지 4시간, 30분 내지 3시간, 30분 내지 2시간, 30분 내지 1시간, 1시간 내지 4시간, 1시간 내지 3시간, 1시간 내지 2시간, 2시간 내지 4시간, 2시간 내지 3시간, 또는 3시간 내지 4시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 3시간 동안 수행된다.In another embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is 5 minutes to 4 hours, 5 minutes to 3 hours, 5 minutes to 2 hours, 5 minutes to 1 hour, 5 minutes to 30 minutes, 5 minutes to 10 minutes, 10 minutes to 4 hours, 10 minutes to 3 hours, 10 minutes to 2 hours, 10 minutes to 1 hour, 10 minutes to 30 minutes, 30 minutes to 4 hours, 30 minutes to 3 hours, 30 minutes to 2 hours, 30 minutes to 1 hour, 1 hour to 4 hours, 1 hour to 3 hours, 1 hour to 2 hours, 2 hours to 4 hours, 2 hours to 3 hours, or 3 hours to 4 hours. However, it is not limited thereto. In a specific embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is performed for 3 hours.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 400℃ 내지 700℃, 400℃ 내지 650℃, 400℃ 내지 600℃, 400℃ 내지 550℃, 400℃ 내지 500℃, 400℃ 내지 450℃, 450℃ 내지 700℃, 450℃ 내지 650℃, 450℃ 내지 600℃, 450℃ 내지 550℃, 450℃ 내지 500℃, 500℃ 내지 700℃, 500℃ 내지 650℃, 500℃ 내지 600℃, 500℃ 내지 550℃, 550℃ 내지 700℃, 550℃ 내지 650℃, 550℃ 내지 600℃, 600℃ 내지 700℃, 600℃ 내지 650℃ 또는 650℃ 내지 700℃의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 500℃에서 수행된다.In another embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is 400 ° C to 700 ° C, 400 ° C to 650 ° C, 400 ° C to 600 ° C, 400 ° C to 550 ° C, 400 ° C to 500 ° C, 400°C to 450°C, 450°C to 700°C, 450°C to 650°C, 450°C to 600°C, 450°C to 550°C, 450°C to 500°C, 500°C to 700°C, 500°C to 650°C, 500°C to 600 °C, 500 °C to 550 °C, 550 °C to 700 °C, 550 °C to 650 °C, 550 °C to 600 °C, 600 °C to 700 °C, 600 °C to 650 °C or 650 °C to 700 °C. It may be, but is not limited thereto. In a specific embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is performed at 500 °C.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리는 수소 기체 및 비활성 기체하에서 수행된다.In one embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) is performed under hydrogen gas and an inert gas.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소(N2), 헬륨(He), 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.In one embodiment of the present invention, the inert gas is at least one selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), helium (He), and argon (Ar).

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리는 5%(v/v) 내지 30%(v/v) 비율의 수소 기체/비활성 기체 가스하에서 수행된다. 본 발명의 또 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 5%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/He, 5%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/He, 5%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/He, 5%(v/v) 내지 15%(v/v) H2/He, 5%(v/v) 내지 10%(v/v) H2/He, 10%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/He, 10%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/He, 10%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/He, 10%(v/v) 내지 15%(v/v) H2/He, 15%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/He, 15%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/He, 15%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/He, 20%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/He, 20%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/He, 25%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/He, 5%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/Ar, 5%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/Ar, 5%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/Ar, 5%(v/v) 내지 15%(v/v) H2/Ar, 5%(v/v) 내지 10%(v/v) H2/Ar, 10%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/Ar, 10%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/Ar, 10%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/Ar, 10%(v/v) 내지 15%(v/v) H2/Ar, 15%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/Ar, 15%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/Ar, 15%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/Ar, 20%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/Ar, 20%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/Ar, 25%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/Ar, 5%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/N2, 5%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/N2, 5%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/N2, 5%(v/v) 내지 15%(v/v) H2/N2, 5%(v/v) 내지 10%(v/v) H2/N2, 10%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/N2, 10%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/N2, 10%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/N2, 10%(v/v) 내지 15%(v/v) H2/N2, 15%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/N2, 15%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/N2, 15%(v/v) 내지 20%(v/v) H2/N2, 20%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/N2, 20%(v/v) 내지 25%(v/v) H2/N2 또는 25%(v/v) 내지 30%(v/v) H2/N2 가스하에서 수행된다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 10%(v/v) H2/N2 가스하에서 수행된다. 본 발명의 구체적인 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 c) 단계에서 환원 열처리는 10%(v/v) H2/Ar 가스하에서 수행된다.In another embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) is performed under a hydrogen gas/inert gas gas at a ratio of 5% (v/v) to 30% (v/v). In another embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is 5% (v / v) to 30% (v / v) H 2 /He, 5% (v / v) to 25 % (v/v) H 2 /He, 5% (v/v) to 20% (v/v) H 2 /He, 5% (v/v) to 15% (v/v) H 2 /He , 5% (v/v) to 10% (v/v) H 2 /He, 10% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /He, 10% (v/v) to 25 % (v/v) H 2 /He, 10% (v/v) to 20% (v/v) H 2 /He, 10% (v/v) to 15% (v/v) H 2 /He , 15% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /He, 15% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /He, 15% (v/v) to 20 % (v/v) H 2 /He, 20% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /He, 20% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /He , 25% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /He, 5% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /Ar, 5% (v/v) to 25 % (v/v) H 2 /Ar, 5% (v/v) to 20% (v/v) H 2 /Ar, 5% (v/v) to 15% (v/v) H 2 /Ar , 5% (v/v) to 10% (v/v) H 2 /Ar, 10% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /Ar, 10% (v/v) to 25 % (v/v) H 2 /Ar, 10% (v/v) to 20% (v/v) H 2 /Ar, 10% (v/v) to 15% (v/v) H 2 /Ar , 15% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /Ar, 15% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /Ar, 15% (v/v) to 20 % (v/v) H 2 /Ar, 20% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /Ar, 20% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /Ar , 25% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /Ar, 5% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /N 2 , 5% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /N 2 , 5% ( v/v) to 20% (v/v) H 2 /N 2 , 5% (v/v) to 15% (v/v) H 2 /N 2 , 5% (v/v) to 10% ( v/v) H 2 /N 2 , 10% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /N 2 , 10% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /N 2 , 10% (v/v) to 20% (v/v) H 2 /N 2 , 10% (v/v) to 15% (v/v) H 2 /N 2 , 15% (v/v) ) to 30% (v/v) H 2 /N 2 , 15% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /N 2 , 15% (v/v) to 20% (v/v) ) H 2 /N 2 , 20% (v/v) to 30% (v/v) H 2 /N 2 , 20% (v/v) to 25% (v/v) H 2 /N 2 or 25 % (v/v) to 30% (v/v) H 2 /N 2 gas. In a specific embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is performed under 10% (v/v) H 2 /N 2 gas. In another specific embodiment of the present invention, the reduction heat treatment in step c) of the present invention is performed under 10% (v/v) H 2 /Ar gas.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법은 상기 a) 단계 후 및 상기 b) 단계 전에, 다음 단계를 추가로 포함한다:In another embodiment of the present invention, the method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for wet reforming of the present invention further comprises the following steps after step a) and before step b):

i) 상기 a) 단계의 결과물의 pH가 pH 8.5 내지 pH 9.5에 도달할 때까지 강염기를 적가하는 pH 조절 단계;i) a pH control step of adding a strong base dropwise until the pH of the product of step a) reaches pH 8.5 to pH 9.5;

ii) 상기 i) 단계의 결과물을 에탄올 및 탈이온수로 여과하는 세척 단계; 및ii) a washing step of filtering the product of step i) with ethanol and deionized water; and

iii) 상기 ii) 단계의 결과물인 침전물을 건조하여 고체를 얻는 건조 단계.iii) A drying step of obtaining a solid by drying the precipitate resulting from step ii).

본 발명의 다른 일 구체예에 있어서, 상기 i) 단계에서는 a) 단계의 결과물의 pH가 pH 8.5 내지 pH 9.5, pH 8.5 내지 pH 9.4, pH 8.5 내지 pH 9.3, pH 8.5 내지 pH 9.2, pH 8.5 내지 pH 9.1, pH 8.5 내지 pH 9.0, pH 8.5 내지 pH 8.9, pH 8.5 내지 pH 8.8, pH 8.5 내지 pH 8.7, pH 8.5 내지 pH 8.6, pH 8.6 내지 pH 9.5, pH 8.6 내지 pH 9.4, pH 8.6 내지 pH 9.3, pH 8.6 내지 pH 9.2, pH 8.6 내지 pH 9.1, pH 8.6 내지 pH 9.0, pH 8.6 내지 pH 8.9, pH 8.6 내지 pH 8.8, pH 8.6 내지 pH 8.7, pH 8.7 내지 pH 9.5, pH 8.7 내지 pH 9.4, pH 8.7 내지 pH 9.3, pH 8.7 내지 pH 9.2, pH 8.7 내지 pH 9.1, pH 8.7 내지 pH 9.0, pH 8.7 내지 pH 8.9, pH 8.7 내지 pH 8.8, pH 8.8 내지 pH 9.5, pH 8.8 내지 pH 9.4, pH 8.8 내지 pH 9.3, pH 8.8 내지 pH 9.2, pH 8.8 내지 pH 9.1, pH 8.8 내지 pH 9.0. pH 8.8 내지 pH 8.9, pH 8.9 내지 pH 9.5, pH 8.9 내지 pH 9.4, pH 8.9 내지 pH 9.3, pH 8.9 내지 pH 9.2, pH 8.9 내지 pH 9.1, pH 8.9 내지 pH 9.0, pH 9.0 내지 pH 9.5, pH 9.0 내지 pH 9.4, pH 9.0 내지 pH 9.3, pH 9.0 내지 pH 9.2, pH 9.0 내지 pH 9.1, pH 9.1 내지 pH 9.5, pH 9.1 내지 pH 9.4, pH 9.1 내지 pH 9.3, pH 9.1 내지 pH 9.2, pH 9.2 내지 pH 9.5, pH 9.2 내지 pH 9.4, pH 9.2 내지 pH 9.3, pH 9.3 내지 pH 9.5, pH 9.3 내지 pH 9.4 또는 pH 9.4 내지 pH 9.5에 도달할 때까지 강염기를 적가하는 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 구체예에 있어서, 상기 i) 단계에서는 a) 단계의 결과물의 pH가 pH 9.0에 도달할 때까지 강염기를 적가한다.In another embodiment of the present invention, in step i), the pH of the product of step a) is pH 8.5 to pH 9.5, pH 8.5 to pH 9.4, pH 8.5 to pH 9.3, pH 8.5 to pH 9.2, pH 8.5 to pH 8.5. pH 9.1, pH 8.5 to pH 9.0, pH 8.5 to pH 8.9, pH 8.5 to pH 8.8, pH 8.5 to pH 8.7, pH 8.5 to pH 8.6, pH 8.6 to pH 9.5, pH 8.6 to pH 9.4, pH 8.6 to pH 9.3 , pH 8.6 to pH 9.2, pH 8.6 to pH 9.1, pH 8.6 to pH 9.0, pH 8.6 to pH 8.9, pH 8.6 to pH 8.8, pH 8.6 to pH 8.7, pH 8.7 to pH 9.5, pH 8.7 to pH 9.4, pH 8.7 to pH 9.3, pH 8.7 to pH 9.2, pH 8.7 to pH 9.1, pH 8.7 to pH 9.0, pH 8.7 to pH 8.9, pH 8.7 to pH 8.8, pH 8.8 to pH 9.5, pH 8.8 to pH 9.4, pH 8.8 to pH 9.3, pH 8.8 to pH 9.2, pH 8.8 to pH 9.1, pH 8.8 to pH 9.0. pH 8.8 to pH 8.9, pH 8.9 to pH 9.5, pH 8.9 to pH 9.4, pH 8.9 to pH 9.3, pH 8.9 to pH 9.2, pH 8.9 to pH 9.1, pH 8.9 to pH 9.0, pH 9.0 to pH 9.5, pH 9.0 to pH 9.4, pH 9.0 to pH 9.3, pH 9.0 to pH 9.2, pH 9.0 to pH 9.1, pH 9.1 to pH 9.5, pH 9.1 to pH 9.4, pH 9.1 to pH 9.3, pH 9.1 to pH 9.2, pH 9.2 to pH A strong base may be added dropwise until reaching pH 9.5, pH 9.2 to pH 9.4, pH 9.2 to pH 9.3, pH 9.3 to pH 9.5, pH 9.3 to pH 9.4 or pH 9.4 to pH 9.5, but is not limited thereto. In one specific embodiment of the present invention, in step i), a strong base is added dropwise until the pH of the product of step a) reaches pH 9.0.

본 발명의 다른 일 구체예에 있어서, 상기 i) 단계의 강염기는 수산화 리튬(LiOH), 수산화 소듐(NaOH), 수산화 포타슘(KOH), 수산화 루비듐(RbOH), 수산화 세슘(CsOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)2), 수산화 스트론튬(Sr(OH)2) 및 수산화 바륨(Ba(OH)2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.In another embodiment of the present invention, the strong base in step i) is lithium hydroxide (LiOH), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), rubidium hydroxide (RbOH), cesium hydroxide (CsOH), calcium hydroxide ( Ca(OH) 2 ), strontium hydroxide (Sr(OH) 2 ) and barium hydroxide (Ba(OH) 2 ).

본 발명의 보다 구체적인 일 구체예에 있어서, 상기 i) 단계에서는 a) 단계의 결과물의 pH가 pH 9.0에 도달할 때까지 KOH를 적가한다. In a more specific embodiment of the present invention, in step i), KOH is added dropwise until the pH of the product of step a) reaches pH 9.0.

본 발명의 다른 일 구체예에 있어서, 상기 i) 단계의 결과물은 ii) 단계 전에 2시간 내지 6시간 동안 교반된다. 본 발명의 또 다른 일 구체예에 있어서, 상기 i) 단계의 결과물은 ii) 단계 전에 4시간 동안 교반된다.In another embodiment of the present invention, the product of step i) is stirred for 2 to 6 hours before step ii). In another embodiment of the present invention, the product of step i) is stirred for 4 hours before step ii).

본 발명의 다른 일 구체예에 있어서, 상기 iii) 단계에서는 상기 ii) 단계의 결과물인 침전물을 80℃에서 건조시킨다. 본 발명의 또 다른 일 구체예에 있어서, 상기 iii) 단계에서는 상기 ii) 단계의 결과물인 침전물을 밤새(overnight) 건조시킨다. 본 발명의 다른 일 구체예에 있어서, 상기 iii) 단계에서 건조 결과 얻은 고체는 막자사발(mortar)에서 갈아 분말(powder) 형태가 된다.In another embodiment of the present invention, in step iii), the precipitate resulting from step ii) is dried at 80°C. In another embodiment of the present invention, in step iii), the precipitate resulting from step ii) is dried overnight. In another embodiment of the present invention, the solid obtained as a result of drying in step iii) is ground in a mortar to become a powder.

본 발명의 또 다른 일 구체예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법은 상기 b) 단계 후 및 상기 c) 단계 전에 상기 ii) 단계, 상기 iii) 단계 및 상기 b) 단계 순서로 이들 단계를 1회 내지 3회 반복하여 추가로 수행된다. 본 발명의 보다 구체적인 일 구체예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법은 상기 b) 단계 후 및 상기 c) 단계 전에 상기 ii) 단계, 상기 iii) 단계 및 상기 b) 단계 순서로 이들 단계를 1회 반복하여 추가로 포함한다.In another embodiment of the present invention, the method for preparing a rhodium-cerium oxide elution catalyst for wet reforming of the present invention includes steps ii), iii) and before step b) and before step c). b) further carried out by repeating these steps 1 to 3 times in the order of steps. In a more specific embodiment of the present invention, the method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for a wet reforming reaction of the present invention includes steps ii), iii) and before step b) and before step c). b) further comprising one repetition of these steps in the sequence of steps.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리에 의해 로듐 나노입자가 용출(exsolution)된다.In one embodiment of the present invention, rhodium nanoparticles are eluted by reduction heat treatment in step c).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 0.5 wt% 내지 8.0 wt%이다.In one embodiment of the present invention, the weight of rhodium relative to the total weight of the rhodium-cerium oxide elution catalyst is 0.5 wt% to 8.0 wt%.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 0.5 wt% 내지 8.0 wt%, 0.5 wt% 내지 7.0 wt%, 0.5 wt% 내지 6.0 wt%, 0.5 wt% 내지 5.0 wt%, 0.5 wt% 내지 4.0 wt%, 0.5 wt% 내지 3.0 wt%, 0.5 wt% 내지 2.0 wt%, 0.5 wt% 내지 1.0 wt%, 1.0 wt% 내지 8.0 wt%, 1.0 wt% 내지 7.0 wt%, 1.0 wt% 내지 6.0 wt%, 1.0 wt% 내지 5.0 wt%, 1.0 wt% 내지 4.0 wt%, 1.0 wt% 내지 3.0 wt%, 1.0 wt% 내지 2.0 wt%, 2.0 wt% 내지 8.0 wt%, 2.0 wt% 내지 7.0 wt%, 2.0 wt% 내지 6.0 wt%, 2.0 wt% 내지 5.0 wt%, 2.0 wt% 내지 4.0 wt%, 2.0 wt% 내지 3.0 wt%, 3.0 wt% 내지 8.0 wt%, 3.0 wt% 내지 7.0 wt%, 3.0 wt% 내지 6.0 wt%, 3.0 wt% 내지 5.0 wt%, 3.0 wt% 내지 4.0 wt%, 4.0 wt% 내지 8.0 wt%, 4.0 wt% 내지 7.0 wt%, 4.0 wt% 내지 6.0 wt%, 4.0 wt% 내지 5.0 wt%, 5.0 wt% 내지 8.0 wt%, 5.0 wt% 내지 7.0 wt%, 5.0 wt% 내지 6.0 wt%, 6.0 wt% 내지 8.0 wt%, 6.0 wt% 내지 7.0 wt%, 또는 7.0 wt% 내지 8.0 wt%이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 상기 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 1.0 wt%, 2.0 wt%, 4.0 wt%, 또는 8.0 wt%이다. 본 발명의 바람직한 일 구현예에 있어서, 상기 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 4.0 wt%이다.In another embodiment of the present invention, the weight of rhodium relative to the total weight of the rhodium-cerium oxide elution catalyst is 0.5 wt% to 8.0 wt%, 0.5 wt% to 7.0 wt%, 0.5 wt% to 6.0 wt%, or 0.5 wt%. % to 5.0 wt%, 0.5 wt% to 4.0 wt%, 0.5 wt% to 3.0 wt%, 0.5 wt% to 2.0 wt%, 0.5 wt% to 1.0 wt%, 1.0 wt% to 8.0 wt%, 1.0 wt% to 7.0 wt%, 1.0 wt% to 6.0 wt%, 1.0 wt% to 5.0 wt%, 1.0 wt% to 4.0 wt%, 1.0 wt% to 3.0 wt%, 1.0 wt% to 2.0 wt%, 2.0 wt% to 8.0 wt% %, 2.0 wt% to 7.0 wt%, 2.0 wt% to 6.0 wt%, 2.0 wt% to 5.0 wt%, 2.0 wt% to 4.0 wt%, 2.0 wt% to 3.0 wt%, 3.0 wt% to 8.0 wt%, 3.0 wt% to 7.0 wt%, 3.0 wt% to 6.0 wt%, 3.0 wt% to 5.0 wt%, 3.0 wt% to 4.0 wt%, 4.0 wt% to 8.0 wt%, 4.0 wt% to 7.0 wt%, 4.0 wt% % to 6.0 wt%, 4.0 wt% to 5.0 wt%, 5.0 wt% to 8.0 wt%, 5.0 wt% to 7.0 wt%, 5.0 wt% to 6.0 wt%, 6.0 wt% to 8.0 wt%, 6.0 wt% to 7.0 wt%, or 7.0 wt% to 8.0 wt%, but is not limited thereto. In a specific embodiment of the present invention, the weight of rhodium relative to the total weight of the rhodium-cerium oxide elution catalyst is 1.0 wt%, 2.0 wt%, 4.0 wt%, or 8.0 wt%. In a preferred embodiment of the present invention, the weight of rhodium relative to the total weight of the rhodium-cerium oxide elution catalyst is 4.0 wt%.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 산화세륨 전구체 용액은 세륨(III) 질산염 (Ce(NO3)3), 세륨(III) 질산염 수화물 (Ce(NO3)3·xH2O), 세륨(III) 황산염 (Ce2(SO4)3), 세륨(III) 황산염 수화물 (Ce2(SO4)3·xH2O), 세륨(III) 옥살산염 (Ce2(C2O4)3), 세륨(III) 옥살산염 수화물 (Ce2(C2O4)3·xH2O), 세륨(III) 아세트산염 (Ce(CH3CO2)3), 세륨(III) 아세트산염 수화물 (Ce(CH3CO2)3·xH2O), 세륨(III) 탄산염 (Ce2(CO3)3), 세륨(III) 탄산염 수화물 (Ce2(CO3)3·xH2O), 세륨(IV) 황산염 (Ce(SO4)2), 세륨(IV) 황산염 수화물 (Ce(SO4)2·xH2O), 암모늄 세륨(IV) 질산염 ((NH4)2Ce(NO3)6), 암모늄 세륨(IV) 질산염 수화물 ((NH4)2Ce(NO3)6·xH2O), 암모늄 세륨(IV) 황산염 (Ce(NH4)4(SO4)4), 암모늄 세륨(IV) 황산염 수화물 (Ce(NH4)4(SO4)4·xH2O) 및 세륨(IV) 수산화물 (Ce(OH)4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the cerium oxide precursor solution of the present invention is cerium (III) nitrate (Ce(NO 3 ) 3 ), cerium (III) nitrate hydrate (Ce(NO 3 ) 3 xH 2 O), Cerium(III) sulfate (Ce 2 (SO 4 ) 3 ), cerium(III) sulfate hydrate (Ce 2 (SO 4 ) 3 xH 2 O), cerium(III) oxalate (Ce 2 (C 2 O 4 ) 3 ), cerium(III) oxalate hydrate (Ce 2 (C 2 O 4 ) 3 xH 2 O), cerium(III) acetate (Ce(CH 3 CO 2 ) 3 ), cerium(III) acetate hydrate (Ce(CH 3 CO 2 ) 3 xH 2 O), cerium(III) carbonate (Ce 2 (CO 3 ) 3 ), cerium(III) carbonate hydrate (Ce 2 (CO 3 ) 3 xH 2 O), Cerium(IV) sulfate (Ce(SO 4 ) 2 ), cerium(IV) sulfate hydrate (Ce(SO 4 ) 2 xH 2 O), ammonium cerium(IV) nitrate ((NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 ), ammonium cerium(IV) nitrate hydrate ((NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 xH 2 O), ammonium cerium(IV) sulfate (Ce(NH 4 )4(SO 4 ) 4 ), ammonium cerium (IV) at least one selected from the group consisting of sulfate hydrate (Ce(NH 4 )4(SO 4 ) 4 xH 2 O) and cerium (IV) hydroxide (Ce(OH) 4 ), but necessarily limited thereto It is not.

상기 세륨(III) 질산염 수화물 (Ce(NO3)3·xH2O)에는 세륨(III) 질산염 1수화물 내지 6수화물이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로는 상기 세륨(III) 질산염 수화물 (Ce(NO3)3·xH2O)은 세륨(III) 질산염 6수화물 (Ce(NO3)3·6H2O)일 수 있다. The cerium (III) nitrate hydrate (Ce(NO 3 ) 3 .xH 2 O) includes cerium (III) nitrate monohydrate to hexahydrate, but is not limited thereto. More specifically, the cerium (III) nitrate hydrate (Ce(NO 3 ) 3 .xH 2 O) may be cerium (III) nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 3 .6H 2 O).

본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 산화세륨 전구체 용액은 세륨(III) 질산염 6수화물 (Ce(NO3)3·6H2O), 세륨(III) 염화물 7수화물 (CeCl3·7H2O), 세륨(III) 아세트산염 (Ce(CH3CO2)3), 세륨(III) 옥살산염 (Ce2(C2O4)3), 암모늄 세륨(IV) 질산염 ((NH4)2Ce(NO3)6), 세륨(IV) 황산염 (Ce(SO4)2) 및 세륨(IV) 수산화물 (Ce(OH)4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.In a specific embodiment of the present invention, the cerium oxide precursor solution of the present invention is cerium (III) nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 3 6H 2 O), cerium (III) chloride heptahydrate (CeCl 3 7H 2 O), cerium(III) acetate (Ce(CH 3 CO 2 ) 3 ), cerium(III) oxalate (Ce 2 (C 2 O 4 ) 3 ), ammonium cerium(IV) nitrate ((NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 ), at least one selected from the group consisting of cerium (IV) sulfate (Ce(SO 4 ) 2 ) and cerium (IV) hydroxide (Ce(OH) 4 ), but necessarily limited thereto It is not.

본 발명의 보다 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 산화세륨 전구체 용액은 세륨(III) 질산염 6수화물 (Ce(NO3)3·6H2O)이나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.In a more specific embodiment of the present invention, the cerium oxide precursor solution of the present invention is cerium (III) nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 3 6H 2 O), but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 로듐 전구체 용액은 로듐(III) 질산염 수화물 (Rh(NO3)3·xH2O), 로듐(III) 황산염 (Rh2(SO4)3), 로듐(III) 황산염 수화물 (Rh2(SO4)3·xH2O), 로듐(III) 아세트산염 (Rh(OAc)3), 로듐(III) 수산화물 (Rh(OH)3), 로듐(III) 염화물 (RhCl3), 로듐(III) 염화물 수화물 (RhCl3·xH2O), 암모늄 헥사클로로로데이트(III) ((NH4)3RhCl6), (트리클로로트리스(에틸렌다이아민)로듐(III) ((H2NCH2CH2NH2)3RhCl3) 및 트리클로로트리스(에틸렌다이아민)로듐(III) 3수화물 ((H2NCH2CH2NH2)3RhCl3·3H2O)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the rhodium precursor solution of the present invention is rhodium (III) nitrate hydrate (Rh(NO 3 ) 3 xH 2 O), rhodium (III) sulfate (Rh 2 (SO 4 ) 3 ), Rhodium(III) sulfate hydrate (Rh 2 (SO 4 ) 3 xH 2 O), rhodium(III) acetate (Rh(OAc) 3 ), rhodium(III) hydroxide (Rh(OH) 3 ), rhodium(III ) Chloride (RhCl 3 ), Rhodium(III) Chloride Hydrate (RhCl 3 xH 2 O), Ammonium Hexachlororodate(III) ((NH 4 ) 3 RhCl 6 ), (Trichlorotris(ethylenediamine)rhodium (III) ((H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 ) 3 RhCl 3 ) and trichlorotris(ethylenediamine)rhodium(III) trihydrate ((H 2 NCH 2 CH 2 NH 2 ) 3 RhCl 3 3H 2 O) at least one selected from the group consisting of, but is not necessarily limited thereto.

상기 로듐(III) 황산염 수화물 (Rh2(SO4)3·xH2O)에는 로듐(III) 황산염 1수화물 내지 로듐(III) 황산염 6수화물 및 로듐(III) 황산염 수용액(물 내에 약 8% 로듐(III) 황산염이 포함됨)이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로 상기 로듐(III) 황산염 수화물 (Rh2(SO4)3·xH2O)은 로듐(III) 황산염 4수화물 (Rh2(SO4)3·4H2O)일 수 있다.The rhodium (III) sulfate hydrate (Rh 2 (SO 4 ) 3 xH 2 O) includes rhodium (III) sulfate monohydrate to rhodium (III) sulfate hexahydrate and rhodium (III) sulfate aqueous solution (about 8% rhodium in water). (III) including sulfates), but are not limited thereto. More specifically, the rhodium (III) sulfate hydrate (Rh 2 (SO 4 ) 3 .xH 2 O) may be rhodium (III) sulfate tetrahydrate (Rh 2 (SO 4 ) 3 .4H 2 O).

상기 로듐(III) 질산염 수화물 (Rh(NO3)3·xH2O)에는 로듐(III) 질산염 1수화물 내지 6수화물 및 약 36% 로듐이 포함된 로듐(III) 질산염 수화물 (Rh(NO3)3·xH2O)이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.The rhodium (III) nitrate hydrate (Rh(NO 3 ) 3 xH 2 O) includes rhodium ( III ) nitrate monohydrate to hexahydrate and about 36% rhodium. 3 xH 2 O), but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 로듐 전구체 용액은 로듐(III) 질산염 수화물 (Rh(NO3)3·xH2O), 로듐(III) 황산염 (Rh2(SO4)3), 로듐(III) 황산염 수화물 (Rh2(SO4)3·xH2O), 로듐(III) 염화물 (RhCl3) 및 로듐(III) 아세트산염 (Rh(OAc)3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.In a specific embodiment of the present invention, the rhodium precursor solution of the present invention is rhodium (III) nitrate hydrate (Rh(NO 3 ) 3 xH 2 O), rhodium (III) sulfate (Rh 2 (SO 4 ) 3 ) , selected from the group consisting of rhodium(III) sulfate hydrate (Rh 2 (SO 4 ) 3 xH 2 O), rhodium(III) chloride (RhCl 3 ) and rhodium(III) acetate (Rh(OAc) 3 ). One or more, but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 보다 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 로듐 전구체 용액은 약 36% 로듐이 포함된 로듐(III) 질산염 수화물 (Rh(NO3)3·xH2O)이나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.In a more specific embodiment of the present invention, the rhodium precursor solution of the present invention is rhodium (III) nitrate hydrate (Rh(NO 3 ) 3 xH 2 O) containing about 36% rhodium, but is not necessarily limited thereto not.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 환원 열처리에 의해 로듐이도핑된 산화세륨 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of a cerium oxide carrier doped with rhodium by reduction heat treatment.

본 명세서에서 용어, '본 발명의 촉매'는 상술한 로듐이 도핑된 산화세륨(Ce1-xRhxO2-y) 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 의미하거나, 상술한 습식 개질(steam reforming) 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법에 의해 제조된 촉매를 의미한다.As used herein, the term 'catalyst of the present invention' refers to a rhodium for wet reforming reaction in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of the above-described rhodium-doped cerium oxide (Ce 1-x Rh x O 2-y ) support. A catalyst for eluting cerium oxide or a catalyst prepared by the method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for a steam reforming reaction described above.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응은 메탄, 메탄올, 에탄, 에탄올, 프로판, 프로판올, 에틸렌글리콜, 벤젠, 천연가스 및 디젤로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화수소 또는 연료에 대해 수행되나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the wet reforming reaction of the present invention is performed on one or more hydrocarbons or fuels selected from the group consisting of methane, methanol, ethane, ethanol, propane, propanol, ethylene glycol, benzene, natural gas and diesel It is performed for, but is not limited thereto.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 있어서, 본 발명은 환원 열처리에 의해 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는 프로판 습식 개질(propane steam reforming) 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제공한다.In a preferred embodiment of the present invention, the present invention is a rhodium-cerium oxide elution for propane steam reforming reaction in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of a cerium oxide carrier doped with rhodium by reduction heat treatment provide a catalyst.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명은 환원 열처리에 의해 로듐이 도핑된 산화세륨(Ce1-xRhxO2-y) 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는, 하기 화학식 1로 표기되는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제공한다:In another embodiment of the present invention, the present invention has the following chemical formula in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of a rhodium-doped cerium oxide (Ce 1-x Rh x O 2-y ) carrier surface by reduction heat treatment Provided is a rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction denoted by 1:

[화학식 1][Formula 1]

Ce1- x Rh x O2- y Ce 1- x Rh x O 2- y

상기 로륨(Rh) 및 세륨(Ce)의 함량비는 로듐이 x이고 세륨이 1-x이며, 상기 화학식 1에서 x는 0.01≤x≤0.08 범위의 유리수이고, y는 0<y<2 범위의 유리수임. The content ratio of rhodium (Rh) and cerium (Ce) is that rhodium is x and cerium is 1- x , and in Formula 1, x is a rational number in the range of 0.01 ≤ x ≤ 0.08, and y is in the range of 0 < y <2 glass number.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 0.5 wt% 내지 8.0 wt%이다.In one embodiment of the present invention, the weight of rhodium relative to the total weight of the rhodium-cerium oxide eluting catalyst of the present invention is 0.5 wt% to 8.0 wt%.

종래의 페로브스카이트 산화물은 용출 현상을 위해서 800℃가 넘는 비교적 장시간(> 4시간)의 환원 열처리가 필요로 하지만, 비-페로브스카이트 산화물구조를 갖는, 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 용출 현상을 위해서 800℃ 이하의 온도에서 4시간 이하의 환원 열처리가 필요하다.Although the conventional perovskite oxide requires a relatively long (> 4 hours) reduction heat treatment of more than 800 ° C. for the elution phenomenon, the rhodium-cerium oxide elution of the present invention having a non-perovskite oxide structure The catalyst requires reduction heat treatment for 4 hours or less at a temperature of 800° C. or less for elution.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 환원 열처리는 5분 내지 4시간 동안 400℃ 내지 700℃의 온도에서 수행된다.In one embodiment of the present invention, the reduction heat treatment of the present invention is performed at a temperature of 400 ° C to 700 ° C for 5 minutes to 4 hours.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 본 발명의 환원 열처리는 수소 기체 및 비활성 기체 하에서 수행된다. In one embodiment of the present invention, the reduction heat treatment of the present invention is performed under hydrogen gas and an inert gas.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 본 발명의 비활성 기체는 질소(N2), 헬륨(He) 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.In one embodiment of the present invention, the inert gas of the present invention is at least one selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), helium (He), and argon (Ar).

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 환원 열처리는 5%(v/v) 내지 30%(v/v) 비율의 수소 기체/비활성 기체 가스하에서 수행된다.In another embodiment of the present invention, the reduction heat treatment is performed under a hydrogen gas/inert gas gas at a ratio of 5% (v/v) to 30% (v/v).

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 용출된 로듐 나노입자는 상기 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체의 격자(lattice) 속에 앵커링되어 있다.In one embodiment of the present invention, the eluted rhodium nanoparticles of the present invention are anchored in the lattice of the rhodium-doped cerium oxide carrier.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 55 m2/g 이상의 표면적을 갖는다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 55 m2/g 내지 130 m2/g의 표면적을 갖는다. In one embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a surface area greater than or equal to 55 m 2 /g. In another embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a surface area of 55 m 2 /g to 130 m 2 /g.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 전(즉, 제조된 대로, as-made)에는 90 m2/g 내지 130 m2/g의 표면적을 갖는다. 본 발명의 또 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 후에는 55 m2/g 내지 90 m2/g의 표면적을 갖는다. 본 명세서에서 촉매의 표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적을 의미한다. 본 발명의 촉매는 환원 열처리 전 및 후 모두에서 종래의 증착된 Rh/CeO2 촉매 대비 더 높은/향상된 표면적을 가지므로, 실질적인 촉매 응용에 적합하다.In another embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a surface area of 90 m 2 /g to 130 m 2 /g before reduction heat treatment (ie, as-made, as-made). In another embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a surface area of 55 m 2 /g to 90 m 2 /g after reduction heat treatment. In this specification, the surface area of the catalyst means the BET (Brunauer-Emmett-Teller) surface area. The catalyst of the present invention has a higher/improved surface area compared to the conventional deposited Rh/CeO 2 catalyst both before and after reduction heat treatment, so it is suitable for practical catalytic applications.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 전 표면 로듐 함량에 대한 금속 분산(metal dispersion)은 90.0% 내지 99.9%이다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 전 표면 로듐 함량에 대한 금속 분산은 90.0% 내지 99.9%, 90.0% 내지 97.9%, 90.0% 내지 95.9%, 90.0% 내지 93.9%, 90.0% 내지 91.9%, 92.0% 내지 99.9%, 92.0% 내지 97.9%, 92.0% 내지 95.9%, 92.0% 내지 93.9%, 94.0% 내지 99.9%, 94.0% 내지 97.9%, 94.0% 내지 95.9%, 96.0% 내지 99.9%, 96.0% 내지 97.9%, 또는 98.0% 내지 99.9%이다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 전 표면 로듐 함량에 대한 금속 분산은 97.4%이다.In one embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a metal dispersion of 90.0% to 99.9% with respect to the surface rhodium content before reduction heat treatment. In another embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a metal dispersion of 90.0% to 99.9%, 90.0% to 97.9%, 90.0% to 95.9%, 90.0% to 93.9%, 90.0% to 91.9%, 92.0% to 99.9%, 92.0% to 97.9%, 92.0% to 95.9%, 92.0% to 93.9%, 94.0% to 99.9%, 94.0% to 97.9%, 94.0% to 95.9%, 96.0% to 99.9%, 96.0% to 97.9%, or 98.0% to 99.9%. In a specific embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a metal dispersion of 97.4% with respect to surface rhodium content before reduction heat treatment.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 후 표면 로듐 함량에 대한 금속 분산은 30.0% 내지 60.0%이다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 후 표면 로듐 함량에 대한 금속 분산은 30.0% 내지 60.0%, 30.0% 내지 50.0%, 30.0% 내지 40.0%, 40.0% 내지 60.0%, 또는 40.0% 내지 50.0%이다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 촉매는 환원 열처리 후 표면 로듐 함량에 대한 금속 분산은 39.6%이다.In one embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a metal dispersion with respect to surface rhodium content of 30.0% to 60.0% after reduction heat treatment. In another embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a metal dispersion with respect to surface rhodium content after reduction heat treatment of 30.0% to 60.0%, 30.0% to 50.0%, 30.0% to 40.0%, 40.0% to 60.0%, or 40.0% to 50.0%. In a specific embodiment of the present invention, the catalyst of the present invention has a metal dispersion of 39.6% with respect to surface rhodium content after reduction heat treatment.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.0 nm 내지 3.0 nm이다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.0 nm 내지 3.0 nm, 2.0 nm 내지 2.9 nm, 2.0 nm 내지 2.8 nm, 2.0 nm 내지 2.7 nm, 2.0 nm 내지 2.6 nm, 2.0 nm 내지 2.5 nm, 2.5 nm 내지 3.0 nm, 2.5 nm 내지 2.9 nm, 2.5 nm 내지 2.8 nm 또는 2.5 nm 내지 2.7 nm이다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.7 nm이다.In one embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles of the present invention is 2.0 nm to 3.0 nm. In another embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles of the present invention is 2.0 nm to 3.0 nm, 2.0 nm to 2.9 nm, 2.0 nm to 2.8 nm, 2.0 nm to 2.7 nm, 2.0 nm to 2.6 nm , 2.0 nm to 2.5 nm, 2.5 nm to 3.0 nm, 2.5 nm to 2.9 nm, 2.5 nm to 2.8 nm or 2.5 nm to 2.7 nm. In a specific embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles of the present invention is 2.7 nm.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응 후 상기 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.0 nm 내지 10.0 nm이다.In one embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles after the wet reforming reaction of the present invention is 2.0 nm to 10.0 nm.

본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 600℃ 내지 800℃의 습식 개질 반응 후에도 로듐 나노입자의 크기가 10.0 nm 이하이다. 습식 개질 반응 후 종래의 Rh/CeO2 촉매 표면상의 로듐 입자 크기는 25.5 nm로 증가되는 것과 비교하여, 본 발명의 촉매는 습식 개질 반응 후에도 용출된 로듐 나노입자의 크기는 5.0 nm로 비교적 작은데, 이는 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매가 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 소결(sintering)에 대한 향상된 저항성을 갖는다는 것을 의미한다.In the rhodium-cerium oxide elution catalyst of the present invention, the size of rhodium nanoparticles is 10.0 nm or less even after wet reforming at 600°C to 800°C. Compared to the increase in rhodium particle size on the surface of the conventional Rh/CeO 2 catalyst after wet reforming reaction to 25.5 nm, the size of eluted rhodium nanoparticles in the catalyst of the present invention is relatively small at 5.0 nm even after wet reforming reaction, which is This means that the rhodium-cerium oxide elution catalyst of the present invention has improved resistance to sintering compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst.

본 명세서에서 용어 "소결(sintering)"은 고체 가루를 가압 및/또는 가열하였을 때 고체 가루가 서로 접한 면에서 접합 및/또는 증착되어 서로 연결되는 현상을 의미한다. 소결은 담지된 금속 촉매의 활성 손실을 유발하며, 촉매의 표면적을 감소시키고 표면 구조를 변화시킨다. 일반적으로 담지된 금속 촉매는 500℃ 이상의 온도에서 소결에 의해 영향을 받기 시작하고, 소결되면 금속 촉매는 나노-크기를 유지하기 어렵다.In this specification, the term “sintering” refers to a phenomenon in which solid powders are bonded and/or deposited on surfaces in contact with each other and connected to each other when the solid powders are pressed and/or heated. Sintering causes loss of activity of the supported metal catalyst, reducing the surface area of the catalyst and changing the surface structure. In general, supported metal catalysts begin to be affected by sintering at temperatures above 500° C., and once sintered, metal catalysts are difficult to maintain nano-size.

본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 600℃ 내지 800℃의 프로판 습식 개질 반응 후에도 로듐 나노입자의 크기가 10.0 nm 이하로 나노-크기를 유지하므로 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 소결에 대한 향상된 저항성을 갖는다.The rhodium-cerium oxide eluting catalyst of the present invention maintains the nano-size of rhodium nanoparticles below 10.0 nm even after wet reforming in propane at 600 °C to 800 °C, so it has improved resistance to sintering compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst. have

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응 후 상기 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.0 nm 내지 10.0 nm, 2.0 nm 내지 8.0 nm, 2.0 nm 내지 6.0 nm, 2.0 nm 내지 4.0 nm, 4.0 nm 내지 10.0 nm, 4.0 nm 내지 8.0 nm, 또는 4.0 nm 내지 6.0 nm이다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응 후 상기 용출된 로듐 나노입자의 크기는 5.0 nm이다. 본 발명의 구체적인 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 프로판 습식 개질 반응 후 상기 용출된 로듐 나노입자의 크기는 5.0 nm이다.In another embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles after the wet reforming reaction of the present invention is 2.0 nm to 10.0 nm, 2.0 nm to 8.0 nm, 2.0 nm to 6.0 nm, 2.0 nm to 4.0 nm, 4.0 nm to 10.0 nm, 4.0 nm to 8.0 nm, or 4.0 nm to 6.0 nm. In a specific embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles after the wet reforming reaction of the present invention is 5.0 nm. In another specific embodiment of the present invention, the size of the eluted rhodium nanoparticles after the propane wet reforming reaction of the present invention is 5.0 nm.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응 후 라만 스펙트럼에서 1590 cm-1에서의 G 밴드 피크 세기(IG)에 대한 1350 cm-1에서의 D 밴드 피크 세기(ID)인 ID/IG 비율이 2.00 내지 3.50이다.In one embodiment of the present invention, the D band peak intensity (I D ) at 1350 cm -1 for the G band peak intensity (I G ) at 1590 cm -1 in the Raman spectrum after the wet reforming reaction of the present invention The I D /I G ratio is 2.00 to 3.50.

본 발명에서 고해상도의 라만 스펙트럼은 LabRAM HR Evolution Visible NIR (HORIBA)를 이용하여 514 nm 파장의 레이저 원(laser source)에서 얻을 수 있다. 라만 스펙트럼의 ID/IG값이 낮을수록 탄소의 흑연화도(graphitization degree)는 더 높아지며, 이는 일반적으로 더 심각한 촉매상으로의 코크 침적을 나타낸다. 촉매상의 코크 침적은 촉매를 비활성화시키는 등의 문제를 유발한다.In the present invention, a high-resolution Raman spectrum can be obtained from a laser source having a wavelength of 514 nm using LabRAM HR Evolution Visible NIR (HORIBA). The lower the I D /I G value of the Raman spectrum, the higher the graphitization degree of carbon, which generally indicates more severe coke deposition on the catalyst bed. Coke deposition on the catalyst causes problems such as deactivation of the catalyst.

종래의 Rh/CeO2 촉매는 습식 개질 반응 후 ID/IG 비율이 2.00 미만이나, 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 습식 개질 반응 후 ID/IG 비율이 2.00 내지 3.50으로 더 높으므로, 본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 코크 침적(coke deposition)에 대한 향상된 저항성을 갖는다. Conventional Rh/CeO 2 catalysts have an I D / IG ratio of less than 2.00 after wet reforming, but the rhodium-cerium oxide eluting catalyst of the present invention has a higher I D / IG ratio of 2.00 to 3.50 after wet reforming. Therefore, the rhodium-cerium oxide eluting catalyst of the present invention has improved resistance to coke deposition compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응 후 라만 스펙트럼에서 1590 cm-1에서의 G 밴드 피크 세기(IG)에 대한 1350 cm-1에서의 D 밴드 피크 세기(ID)인 ID/IG 비율이 2.00 내지 3.50, 2.00 내지 3.25, 2.00 내지 3.00, 2.00 내지 2.75, 2.00 내지 2.50, 2.00 내지 2.25, 2.25 내지 3.50, 2.25 내지 3.25, 2.25 내지 3.00, 2.25 내지 2.75, 2.25 내지 2.50, 2.50 내지 3.50, 2.50 내지 3.25, 2.50 내지 3.00, 2.50 내지 2.75, 2.75 내지 3.50, 2.75 내지 3.25, 2.75 내지 3.00, 3.00 내지 3.50, 또는 3.00 내지 3.25이다.In another embodiment of the present invention, the D band peak intensity (I D ) at 1350 cm -1 for the G band peak intensity (I G ) at 1590 cm -1 in the Raman spectrum after the wet reforming reaction of the present invention The phosphorus I D /I G ratio is from 2.00 to 3.50, from 2.00 to 3.25, from 2.00 to 3.00, from 2.00 to 2.75, from 2.00 to 2.50, from 2.00 to 2.25, from 2.25 to 3.50, from 2.25 to 3.25, from 2.25 to 3.00, from 2.25 to 2.25, from 2.75 2.50, 2.50 to 3.50, 2.50 to 3.25, 2.50 to 3.00, 2.50 to 2.75, 2.75 to 3.50, 2.75 to 3.25, 2.75 to 3.00, 3.00 to 3.50, or 3.00 to 3.25.

본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 프로판 습식 개질 반응 후 라만 스펙트럼에서 1590 cm-1에서의 G 밴드 피크 세기(IG)에 대한 1350 cm-1에서의 D 밴드 피크 세기(ID)인 ID/IG 비율은 2.92이다.In a specific embodiment of the present invention, the D band peak intensity (I D ), the I D /I G ratio is 2.92.

본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매는 상술한 본 발명의 다른 일 양태인 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법에 의해 제조되므로, 본 명세서 기재의 과도한 복잡성을 피하기 위해 중복되는 내용을 원용하며, 그 기재를 생략한다.Since the rhodium-cerium oxide elution catalyst for wet reforming reaction of the present invention is prepared by the method for preparing a rhodium-cerium oxide elution catalyst for wet reforming reaction, which is another aspect of the present invention described above, in order to avoid excessive complexity described in the present specification Duplicate content is used and its description is omitted.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명에 따른 촉매를 탄화수소와 수증기에 가하여 수소 가스를 얻는 단계를 포함하는 습식 개질 반응방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a wet reforming reaction method comprising the step of obtaining hydrogen gas by adding the catalyst according to the present invention to hydrocarbon and water vapor.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 습식 개질 반응방법에서 사용되는 상기 탄화수소에는 메탄, 메탄올, 에탄, 에탄올, 프로판, 프로판올, 에틸렌글리콜, 벤젠 등이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 습식 개질 반응에 사용되는 탄화수소에는 천연가스, 디젤 등의 탄화수소 연료가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the hydrocarbon used in the wet reforming reaction method of the present invention includes methane, methanol, ethane, ethanol, propane, propanol, ethylene glycol, benzene, etc., but is not limited thereto. Hydrocarbons used in the wet reforming reaction of the present invention include hydrocarbon fuels such as natural gas and diesel, but are not limited thereto.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명에 따른 촉매를 프로판과 수증기에 가하여 수소 가스를 얻는 단계를 포함하는 프로판 습식 개질 반응방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, there is provided a propane wet reforming reaction method comprising the step of obtaining hydrogen gas by adding the catalyst according to the present invention to propane and water vapor.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 탄소에 대한 수증기 비율인 S/C(steam to carbon ratio)가 1 내지 4로 수증기 및 탄화수소를 포함하는 피드(feed) 조건하에서 수행된다.In one embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is carried out under feed conditions containing steam and hydrocarbons with a steam to carbon ratio (S/C) of 1 to 4.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 탄소에 대한 수증기 비율인 S/C가 2로 수증기 및 탄화수소를 포함하는 피드 조건하에서 수행된다.In another embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is carried out under feed conditions including steam and hydrocarbons with a water vapor to carbon ratio of S/C of 2.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 5,000 mL/gcat/h 내지 200,000 mL/gcat/h의 총 공간 속도(space velocity)에서 수행된다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 200,000 mL/gcat/h의 총 공간 속도에서 수행된다In one embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is carried out at a total space velocity of 5,000 mL/g cat /h to 200,000 mL/g cat /h. In a specific embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is carried out at a total space velocity of 200,000 mL/g cat /h

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 600℃ 내지 800℃에서 수행된다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 600℃ 내지 800℃, 600℃ 내지 750℃, 600℃ 내지 700℃, 600℃ 내지 650℃에서, 650℃ 내지 800℃, 650℃ 내지 750℃, 650℃ 내지 700℃, 700℃ 내지 800℃, 700℃ 내지 750℃ 또는 750℃ 내지 800℃에서 수행된다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 700℃에서 수행된다.In one embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is carried out at 600 ℃ to 800 ℃. In another embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is 600 ℃ to 800 ℃, 600 ℃ to 750 ℃, 600 ℃ to 700 ℃, 600 ℃ to 650 ℃, 650 ℃ to 800 ℃, 650 ℃ to 750 °C, 650 °C to 700 °C, 700 °C to 800 °C, 700 °C to 750 °C or 750 °C to 800 °C. In a specific embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is carried out at 700 ℃.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 1시간 내지 100시간 동안 70% 이상의 수소 수득률과 97% 이상의 탄화수소 전환율을 나타내며 수행된다. 본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 1시간 내지 100시간, 1시간 내지 90시간, 1시간 내지 80시간, 1시간 내지 70시간, 1시간 내지 60시간, 1시간 내지 50시간, 1시간 내지 40시간, 1시간 내지 30시간, 1시간 내지 20시간, 20 시간 내지 100시간, 20 시간 내지 90시간, 20 시간 내지 80시간, 20 시간 내지 70시간, 20 시간 내지 60시간, 20 시간 내지 50시간, 20 시간 내지 40시간, 20 시간 내지 30시간, 30 시간 내지 100시간, 30 시간 내지 90시간, 30 시간 내지 80시간, 30 시간 내지 70시간, 30 시간 내지 60시간, 30 시간 내지 50시간, 30 시간 내지 40시간, 40 시간 내지 100시간, 40 시간 내지 90시간, 40 시간 내지 80시간, 40 시간 내지 70시간, 40 시간 내지 60시간, 40 시간 내지 50시간, 50 시간 내지 100시간, 50 시간 내지 90시간, 50 시간 내지 80시간, 50 시간 내지 70시간, 50 시간 내지 60시간, 60 시간 내지 100시간, 60 시간 내지 90시간, 60 시간 내지 80시간, 60 시간 내지 70시간, 70 시간 내지 100시간, 70 시간 내지 90시간, 70 시간 내지 80시간, 80 시간 내지 100시간, 80 시간 내지 90시간 또는 90 시간 내지 100시간 동안 수행된다. In one embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is performed showing a hydrogen yield of 70% or more and a hydrocarbon conversion rate of 97% or more for 1 hour to 100 hours. In another embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention is 1 hour to 100 hours, 1 hour to 90 hours, 1 hour to 80 hours, 1 hour to 70 hours, 1 hour to 60 hours, 1 hour to 50 hours time, 1 hour to 40 hours, 1 hour to 30 hours, 1 hour to 20 hours, 20 hours to 100 hours, 20 hours to 90 hours, 20 hours to 80 hours, 20 hours to 70 hours, 20 hours to 60 hours, 20 to 50 hours, 20 to 40 hours, 20 to 30 hours, 30 to 100 hours, 30 to 90 hours, 30 to 80 hours, 30 to 70 hours, 30 to 60 hours, 30 hours to 50 hours, 30 hours to 40 hours, 40 hours to 100 hours, 40 hours to 90 hours, 40 hours to 80 hours, 40 hours to 70 hours, 40 hours to 60 hours, 40 hours to 50 hours, 50 hours to 100 time, 50 hours to 90 hours, 50 hours to 80 hours, 50 hours to 70 hours, 50 hours to 60 hours, 60 hours to 100 hours, 60 hours to 90 hours, 60 hours to 80 hours, 60 hours to 70 hours, 70 hours to 100 hours, 70 hours to 90 hours, 70 hours to 80 hours, 80 hours to 100 hours, 80 hours to 90 hours or 90 hours to 100 hours.

본 발명의 구체적인 일 구현예에 있어서, 본 발명의 프로판 습식 개질 반응방법은 65시간 동안 100%의 프로판 전환율과 70% 이상의 수소 수득률을 나타내며 안정적으로 수행된다.In a specific embodiment of the present invention, the propane wet reforming reaction method of the present invention is stably performed with a propane conversion of 100% and a hydrogen yield of 70% or more for 65 hours.

본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 65시간 동안의 프로판 습식 개질 반응에서 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 향상된 프로판 전환율 및 수소 수득률을 갖는다.The rhodium-cerium oxide eluting catalyst of the present invention has improved propane conversion and hydrogen yield compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst in the propane wet reforming reaction for 65 hours.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 97.0% 내지 100.0%의 프로판 전환율을 갖는다. 본 발명에서 프로판 전환율은 후술될 실시예 5의 식 1을 이용하여 계산하였다. In another embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention has a propane conversion rate of 97.0% to 100.0%. In the present invention, the propane conversion rate was calculated using Equation 1 of Example 5 to be described later.

본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 본 발명의 반응방법은 70.0% 내지 100.0%의 수소 수득률을 갖는다. 본 발명에서 수소 수득률은 후술될 실시예 5의 식 2를 이용하여 계산하였다.In another embodiment of the present invention, the reaction method of the present invention has a hydrogen yield of 70.0% to 100.0%. In the present invention, the hydrogen yield was calculated using Equation 2 of Example 5 to be described later.

본 발명의 로듐-산화세륨 용출 촉매는 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 향상된수소 수득률과 프로판 전환율을 가지며, 소결과 코크 침적에 대한 향상된 저항성을 가진다.The rhodium-cerium oxide elution catalyst of the present invention has improved hydrogen yield and propane conversion compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst, and has improved resistance to sintering and coke deposition.

본 발명의 습식 개질 반응방법은 상술한 본 발명의 다른 일 양태인 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 이용하여 수행되므로, 본 명세서 기재의 과도한 복잡성을 피하기 위해 중복되는 내용을 원용하며, 그 기재를 생략한다.Since the wet reforming reaction method of the present invention is performed using the rhodium-cerium oxide elution catalyst for the wet reforming reaction, which is another aspect of the present invention described above, redundant contents are used to avoid excessive complexity described in the present specification. omit the description.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법을 제공한다. (a) The present invention provides a method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for wet reforming.

(b) 본 발명은 환원 열처리에 의해 로듐이-도핑된 산화세륨(Rh-doped CeO2, CeRhO) 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제공한다.(b) The present invention provides a rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of a rhodium-doped cerium oxide (Rh-doped CeO 2 , CeRhO) support by reduction heat treatment do.

(c) 본 발명에 따른 촉매를 탄화수소와 수증기에 가하여 수소 가스를 얻는 단계를 포함하는 습식 개질 반응방법을 제공한다. (c) It provides a wet reforming reaction method comprising the step of obtaining hydrogen gas by adding the catalyst according to the present invention to hydrocarbon and water vapor.

(d) 본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법을 이용하는 경우, 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 환원 열처리를 통해 고온에서의 내구성이 향상되고, 55 m2/g 이상의 높은 표면적을 가지며, In-situ TEM 분석에 의해 직접적으로 확인된 산화세륨 도메인으로부터 분리된 Rh 나노입자가 용출되어 있는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 얻을 수 있고, 상기 촉매를 이용하는 경우, 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 장기간 및 고온에서의 습식 개질 반응, 특히 프로판 습식 개질 반응에서 향상된 수소 수득률을 얻을 수 있으며, 습식 개질 반응 후 본 발명의 촉매가 종래의 Rh/CeO2 촉매 대비 소결 및 코크 침적에 대한 향상된 저항성을 가지므로, 고내구성 용출 촉매를 제조하기 위한 나노-크기의 촉매를 제공할 수 있다. (d) In the case of using the method for preparing a rhodium-cerium oxide eluting catalyst for a wet reforming reaction of the present invention, durability at high temperature is improved through reduction heat treatment compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst, and a high value of 55 m 2 /g or more It is possible to obtain a rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction in which Rh nanoparticles separated from a cerium oxide domain directly confirmed by in-situ TEM analysis are eluted, and the catalyst is used. Compared to the Rh/CeO 2 catalyst of the present invention, it is possible to obtain improved hydrogen yield in the wet reforming reaction for a long time and at high temperature, especially in the propane wet reforming reaction, and after the wet reforming reaction, the catalyst of the present invention is sintered and coke compared to the conventional Rh/CeO 2 catalyst. Since it has improved resistance to deposition, it is possible to provide a nano-sized catalyst for preparing a highly durable elution catalyst.

도 1a는 본 발명의 높은 표면적을 갖는 로듐이-도핑된 산화세륨(Rh-doped CeO2, CeRhO) 담지체에 환원 열처리를 가하면, 로듐 나노입자가 용출(ex-solution)되고, 용출된 로듐 나노입자가 담지체와 강한 앵커링(anchoring)을 나타내어 프로판 습식 개질 반응에서 고내구성을 가지며 수소 가스의 매우 안정적인 생산을 제공할 수 있는 로듐-산화세륨 용출 촉매(exsolved CeRhO)에 대한 모식도를 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로듐이-도핑된 산화세륨 담지체(Ce1-xRhxO2-y)의 제조방법에 대한 개략도를 나타낸다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 4CeRhO 촉매의 고해상도 TEM 이미지를, (c) 및 (d)는 비교예에 따른 4Rh/CeO2 촉매의 고해상도 TEM 이미지를 나타낸다.
도 3은 1, 2, 4, 8CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매에 대한 Rh K edge EXAFS 결과를 나타낸다. 선은 실험 데이터를 나타내고 점은 피팅(fitting) 결과를 나타낸다.
도 4는 1, 2, 4, 8CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매에 대한 XPS 결과를 나타낸다. 점선은 실험 데이터를 나타내고 실선은 피팅 결과를 나타낸다. Rh-O-Ce는 308.7 eV 내지 309 eV에서 관찰되었고 Rh-O-Rh는 308.1 eV에서 나타났다.
도 5는 환원된 1, 2, 4 및 8CeRhO에 대한 Rh K edge EXAFS 결과를 나타낸다. 환원은 500℃에서 3시간 동안 10% H2/N2 플로우와 함께 수행되었다. 선은 실험 데이터를 나타내고 점은 피팅 결과를 나타낸다.
도 6은 1, 2, 4 및 8CeRhO 촉매상의 일 실시예에서 제조된 대로(as-made)와 일 실시예에 따른 환원 사이의 변화를 나타낸다. 도 6의 (a)는 고해상도 XRD 패턴을 나타내고 (b)는 도핑된 Rh의 양과 격자정수 이동(lattice parameter shift) 사이의 관계를 나타낸다. 도 6의 (c)는 XPS 스펙트럼을 나타내고 (d)는 BET 결과를 나타낸다. 두꺼운 선은 제조된 촉매(as-made catalyst)를 나타내고, 반투명한 선은 환원된 촉매를 나타낸다.
도 7은 PAL 8D 빔라인에서 (a) 4CeRhO 및 (b) 4Rh/CeO2에 대한 고해상도 XRD 결과를 나타낸다. 새로 만든 각 샘플은 500℃에서 3시간 동안 30% H2/N2 플로우와 함께 환원되었고, 500℃에서 3시간 동안 공기에서 재-산화되었다.
도 8은 환원성 조건하에서 4CeRhO 촉매에 대한 In-situ TEM 이미지를 나타낸다. 도 8의 (a)는 4CeRhO 샘플을 500℃ 및 760 torr에서 10% H2/Ar 가스에 5분, 10분 및 30분 노출시켰다. 도 8의 (b)는 그 시간 내에 Rh 나노입자의 평균 지름을 나타낸다. 도 8의 (c)는 이웃한 영역으로부터 용출된 나노입자를 기반으로 한 Rh 나노입자의 수 대(vs.) 지름에 대한 그래프이다.
도 9는 환원(500℃, 3시간, 10% H2/N2) 후 4CeRhO에 대한 고해상도 TEM 이미지를 나타낸다. 도 9의 (a)는 산화세륨 표면에 겹치는 용출된 Rh 나노입자의 TEM 이미지를 나타낸다. 주황색 박스로 용출된 Rh 나노입자를 강조하였고, EDX 매핑 결과는 우측에 나타내었다. 도 9의 (b)는 산화세륨과 겹치지 않은 용출된 Rh 나노입자의 TEM 이미지를 나타낸다. 용출된 Rh 나노입자의 확대된 TEM 이미지는 좌측에 나타내었다. 주황색 및 녹색 박스는 각각 용출된 Rh 나노입자 및 산화세륨을 나타낸다.
도 10은 도 9의 (a)에서 주황색 박스의 TEM 선택된-영역 EDS 분석을 나타낸다.
도 11은 환원(700℃, 3시간, 10% H2/N2) 후 8CeRhO의 고해상도 TEM 이미지 및 FFT 분석을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 일 실시예에서 제조된 4CeRhO 및 환원(500℃, 3시간, 10% H2/N2) 후 촉매에 대한 CO 흡착으로 얻은 DRIFT 스펙트럼을 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른 일 실시예에서 제조된 4Rh/CeO2 및 환원(500℃, 3시간, 10% H2/N2) 후 촉매에 대한 CO 흡착으로 얻은 DRIFT 스펙트럼을 나타낸다.
도 14는 N2 대기에서 8시간 동안 500℃, 700℃ 및 900℃에서 각각 열처리후 수행한 (a) 4CeRhO 및 (b) 4Rh/CeO2의 소결 저항성 테스트 결과를 나타낸다. Rh의 결정 크기는 Rh (밀러 지수: 111) 피크의 FWHM(Full Width at Half Maximum)으로부터 셰러 방정식(Scherrer equation)으로 계산하였다(Powder Diffraction File (PDF) 카드 번호: 01-088-2334).
도 15는 환원된 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매의 H2-TPR 결과를 나타낸다. 전처리는 600℃에서 1시간 동안 5% O2/He 플로우와 함께 수행하였다.
도 16은 4CeRhO 및 4Rh/CeO2에 대한 프로판 습식 개질(propane steam reforming, PSR)에서 (a) 프로판 전환율 및 (b) 수소 수득률을 나타낸다. 반응 조건은 다음과 같다: 탄소에 대한 수증기 비율(Steam to Carbon ratio, S/C) 2, 반응 온도 700℃, 반응 전에 500℃에서 3시간 동안 10% H2/N2 가스와 함께 in situ에서 환원된 촉매 60 mg (SV = 200,000 mL/gcat/h).
도 17은 (a) 4CeRhO 및 (b) 4Rh/CeO2에 대한 생성물(CH4, CO, CO2 및 H2) 선택도를 나타낸다.
도 18의 (a)는 65시간 동안 반응 후 사용된 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매에 대한 XRD 패턴을 나타내고, 도 18의 (b)는 Rh (111) 피크에 대한 확대된 XRD 패턴을 나타낸다.
도 19는 (a) 사용된 4CeRhO 및 (b) 4Rh/CeO2 상에서 65시간 동안 반응 후 사용된 촉매의 고해상도 TEM 이미지를 나타낸다. (c) TPO 분석 및 (d) 라만 분광법(Raman spectroscopy)으로 촉매에 대해 침적된 코크를 추가로 조사하였다.
1a shows that when reduction heat treatment is applied to a rhodium-doped cerium oxide (Rh-doped CeO 2 , CeRhO) support having a high surface area of the present invention, rhodium nanoparticles are eluted (ex-solution), and the eluted rhodium nanoparticles A schematic diagram of a rhodium-cerium oxide eluting catalyst (exsolved CeRhO), which exhibits strong anchoring with the support, has high durability in propane wet reforming reaction, and can provide very stable production of hydrogen gas.
Figure 1b shows a schematic view of a method for producing a rhodium-doped cerium oxide carrier (Ce 1-x Rh x O 2-y ) according to an embodiment of the present invention.
2 (a) and (b) show high-resolution TEM images of a 4CeRhO catalyst according to an embodiment of the present invention, and (c) and (d) show high-resolution TEM images of a 4Rh/CeO 2 catalyst according to a comparative example. .
3 shows the Rh K edge EXAFS results for 1, 2, 4, 8CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts. Lines represent experimental data and dots represent fitting results.
4 shows XPS results for 1, 2, 4, 8CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts. Dotted lines represent experimental data and solid lines represent fitting results. Rh-O-Ce was observed at 308.7 eV to 309 eV and Rh-O-Rh appeared at 308.1 eV.
5 shows the Rh K edge EXAFS results for reduced 1, 2, 4 and 8CeRhO. Reduction was performed with a 10% H 2 /N 2 flow at 500° C. for 3 hours. Lines represent experimental data and dots represent fitting results.
Figure 6 shows the change between reduction according to an embodiment and as-made in one embodiment on 1, 2, 4 and 8CeRhO catalysts. Figure 6 (a) shows a high-resolution XRD pattern and (b) shows the relationship between the amount of doped Rh and the lattice parameter shift (lattice parameter shift). 6(c) shows an XPS spectrum and (d) shows a BET result. The thick line represents the as-made catalyst and the translucent line represents the reduced catalyst.
7 shows high-resolution XRD results for (a) 4CeRhO and (b) 4Rh/CeO 2 at the PAL 8D beamline. Each fresh sample was reduced with a 30% H 2 /N 2 flow at 500° C. for 3 hours and re-oxidized in air at 500° C. for 3 hours.
8 shows in-situ TEM images of the 4CeRhO catalyst under reducing conditions. In (a) of FIG. 8, 4CeRhO samples were exposed to 10% H 2 /Ar gas at 500° C. and 760 torr for 5 minutes, 10 minutes, and 30 minutes. (b) of FIG. 8 shows the average diameter of Rh nanoparticles within that time. Figure 8(c) is a graph of the number vs. diameter of Rh nanoparticles based on nanoparticles eluted from neighboring regions.
9 shows a high-resolution TEM image of 4CeRhO after reduction (500° C., 3 hours, 10% H 2 /N 2 ). 9(a) shows a TEM image of eluted Rh nanoparticles overlapping the surface of cerium oxide. Rh nanoparticles eluted with orange boxes are highlighted, and EDX mapping results are shown on the right. 9(b) shows a TEM image of eluted Rh nanoparticles that do not overlap with cerium oxide. Magnified TEM images of eluted Rh nanoparticles are shown on the left. Orange and green boxes represent eluted Rh nanoparticles and cerium oxide, respectively.
Figure 10 shows the TEM selected-area EDS analysis of the orange box in Figure 9 (a).
11 shows high-resolution TEM images and FFT analysis of 8CeRhO after reduction (700° C., 3 hours, 10% H 2 /N 2 ).
12 shows a DRIFT spectrum obtained by CO adsorption on 4CeRhO prepared in one example according to the present invention and a catalyst after reduction (500° C., 3 hours, 10% H 2 /N 2 ).
13 shows a DRIFT spectrum obtained by CO adsorption on 4Rh/CeO 2 prepared in one example according to the present invention and a catalyst after reduction (500° C., 3 hours, 10% H 2 /N 2 ).
FIG. 14 shows the results of (a) 4CeRhO and (b) 4Rh/CeO 2 sinter resistance tests performed after heat treatment at 500° C., 700° C., and 900° C. for 8 hours in an N 2 atmosphere, respectively. The crystallite size of Rh was calculated by the Scherrer equation from the full width at half maximum (FWHM) of the Rh (Miller index: 111) peak (Powder Diffraction File (PDF) card number: 01-088-2334).
15 shows H 2 -TPR results of reduced 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts. Pretreatment was performed with a 5% O 2 /He flow at 600° C. for 1 hour.
16 shows (a) propane conversion and (b) hydrogen yield in propane steam reforming (PSR) for 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 . The reaction conditions were as follows: Steam to Carbon ratio (S/C) 2, reaction temperature 700 °C, in situ with 10% H 2 /N 2 gas at 500 °C for 3 hours before reaction. 60 mg of reduced catalyst (SV = 200,000 mL/g cat /h).
17 shows the product (CH 4 , CO, CO 2 and H 2 ) selectivities for (a) 4CeRhO and (b) 4Rh/CeO 2 .
Figure 18 (a) shows the XRD patterns for the 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts used after reaction for 65 hours, and Figure 18 (b) shows the expanded XRD pattern for the Rh (111) peak.
19 shows (a) 4CeRhO and (b) 4Rh/CeO 2 phases used. A high-resolution TEM image of the catalyst used after reaction for 65 hours is shown. The deposited coke was further investigated for the catalyst by (c) TPO analysis and (d) Raman spectroscopy.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for explaining the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples according to the gist of the present invention. .

실시예Example

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량) % 또는 wt%, 고체/액체는 (중량/부피) %, 액체/액체는 (부피/부피) %, 그리고 기체/기체는 (부피/부피) %, 또는 %(v/v)이다.Throughout this specification, "%" used to indicate the concentration of a particular substance is (weight/weight) % or wt% for solid/solid, and (weight/volume) for solid/liquid, unless otherwise specified. %, liquid/liquid is (vol/vol) %, and gas/gas is (vol/vol) %, or %(v/v).

실시예 1: 촉매 합성Example 1: Catalyst Synthesis

공침법(co-precipitation method)으로 로듐이 도핑된 산화세륨을 제조하였다(도 1b 참조). 둥근-모양의 플라스크에서 35 mL의 탈이온수(deionized water, DI water)에 1 g의 Ce(NO3)3·6H2O (99.99%, Kanto chemical)과 적정량의 Rh(NO3)3·xH2O(~36% Rh, Sigma Aldrich)를 용해하였다. 1시간 동안 교반한 후, pH 9까지 용액에 1 M KOH (1 N, SAMCHUN)를 한 방울씩(dropwise) 첨가(적가)하였다. 최종 용액을 4시간 동안 교반하고 에탄올 및 탈이온수로 여과하였다. 침전물을 80℃ 오븐에서 밤새(overnight) 건조하였고 얻은 고체를 막자사발(mortar)에서 갈았다. 분말을 450℃ 공기에서 4시간 동안 소성(calcination)시켰다. 그 다음 세척, 건조 및 소성 공정이 1회 반복되었다. 생성물Ce1- x Rh x O2 담지체를 CeRhO로 표기하였다. 로듐(Rh)이 도핑된 산화세륨 내에서 Rh의 양을 1 wt%, 2 wt%, 4 wt% 및 8 wt%로 조절하였고 각각 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO 및 8CeRhO로 표기하였다. Rhodium-doped cerium oxide was prepared by a co-precipitation method (see FIG. 1B). In a round-shaped flask, 1 g of Ce(NO 3 ) 3 6H 2 O (99.99%, Kanto chemical) and an appropriate amount of Rh(NO 3 ) 3 .xH were added to 35 mL of deionized water (DI water). 2 O (~36% Rh, Sigma Aldrich) was dissolved. After stirring for 1 hour, 1 M KOH (1 N, SAMCHUN) was added dropwise to the solution until pH 9. The final solution was stirred for 4 hours and filtered with ethanol and deionized water. The precipitate was dried in an oven at 80 °C overnight and the resulting solid was ground in a mortar. The powder was calcined in air at 450° C. for 4 hours. The washing, drying and firing process was then repeated once. The product Ce 1- x Rh x O 2 support was designated CeRhO. The amount of Rh in the rhodium (Rh)-doped cerium oxide was adjusted to 1 wt%, 2 wt%, 4 wt%, and 8 wt%, and was denoted as 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO, and 8CeRhO, respectively.

비교예 1: Rh/CeOComparative Example 1: Rh/CeO 22 촉매 합성catalyst synthesis

종래의 증착된 Rh/CeO2 촉매는 대조 샘플로서 습윤-함침법(wet-impregnation)으로 합성되었다. CeO2 분말은 상술한 절차와 동일하게 제조되었다. 3-넥 플라스크(3-neck flask)에서 10 mL의 탈이온수에 0.3 g의 CeO2 및 적정량의 Rh(NO3)를 용해하였다. 용액을 80℃에서 교반하면서 증발시켰다. 그 결과 고체는 80℃ 오븐에서 밤새 건조시켰고 막자사발에서 갈았다. 최종 분말은 500℃ 공기에서 4시간 동안 소성시켰다. 생성물을 Rh/CeO2로 표기하였다. 산화세륨에 증착된 Rh의 양을 1 wt%, 2 wt%, 4 wt% 및 8 wt%로 조절하여 각각 1Rh/CeO2, 2Rh/CeO2, 4Rh/CeO2 및 8Rh/CeO2로 표기하였다.A conventional as-deposited Rh/CeO 2 catalyst was synthesized by wet-impregnation as a control sample. CeO 2 powder was prepared in the same manner as described above. 0.3 g of CeO 2 and an appropriate amount of Rh(NO 3 ) were dissolved in 10 mL of deionized water in a 3-neck flask. The solution was evaporated while stirring at 80 °C. The resulting solid was dried overnight in an oven at 80° C. and ground in a mortar. The final powder was calcined for 4 hours at 500 °C in air. The product was designated Rh/CeO 2 . The amount of Rh deposited on the cerium oxide was adjusted to 1 wt%, 2 wt%, 4 wt%, and 8 wt%, respectively, and expressed as 1Rh/CeO 2 , 2Rh/CeO 2 , 4Rh/CeO 2 and 8Rh/CeO 2 . .

실시예 2:Example 2: 환원 열처리 방법Reduction heat treatment method

실시예 1에서 제조된 CeRhO 담지체에서 로듐을 용출하기 위해서, 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO 및 8CeRhO에 환원성 처리를 10% H2/N2 가스와 함께 500℃에서 3시간 동안 수행하였다. 대조 샘플로서, 비교예 1에서 제조된 1Rh/CeO2, 2Rh/CeO2, 4Rh/CeO2 및 8Rh/CeO2에 또한 동일한 환원성 처리를 수행하였다. 후술될 실시예 5.8에서 실시예 1의 4CeRhO상의 용출된 Rh 나노입자를 Ex-situ TEM으로 조사하기 위해서 또한 상기 환원성 처리를 수행하였다. 달리 표기되어 있지 않는 한, 후술될 실시예에서는 상기 환원성 처리 조건으로 촉매에 환원 열처리를 가하였다.In order to elute rhodium from the CeRhO support prepared in Example 1, 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO, and 8CeRhO were subjected to reducing treatment with 10% H 2 /N 2 gas at 500° C. for 3 hours. As control samples, 1Rh/CeO 2 , 2Rh/CeO 2 , 4Rh/CeO 2 and 8Rh/CeO 2 prepared in Comparative Example 1 were also subjected to the same reducing treatment. In Example 5.8 to be described later, in order to investigate the eluted Rh nanoparticles on 4CeRhO of Example 1 by ex-situ TEM, the above reductive treatment was also performed. Unless otherwise indicated, in Examples to be described later, reduction heat treatment was applied to the catalyst under the above reducing treatment conditions.

후술될 실시예 5.7에서는 실시예 1에서 제조된 4CeRhO상의 용출을 In-situ TEM으로 직접 확인하기 위해서, 촉매에 5분, 10분 및 30분 동안 500℃ 및 760 torr에서 10% H2/Ar- 가스하에서 환원성 처리를 수행하였다.In Example 5.7 to be described later, in order to directly confirm the elution of the 4CeRhO phase prepared in Example 1 by in-situ TEM, the catalyst was subjected to 10% H 2 /Ar- Reductive treatment was performed under gas.

또한, 환원 후 용출된 Rh 나노입자를 관찰하기 위해서, 후술될 실시예 5.8에서 실시예 1의 8CeRhO 샘플에 700℃에서 3시간 동안 10% H2/N2 가스하에서 환원성 처리를 수행하였다.In addition, in order to observe the Rh nanoparticles eluted after reduction, in Example 5.8 to be described later, the 8CeRhO sample of Example 1 was subjected to a reducing treatment at 700° C. for 3 hours under 10% H 2 /N 2 gas.

상술한 실시예 1에서 제조된 CeRhO 담지체에 실시예 2에 따른 환원 열처리를 가하여, 본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 제조하였다. 하기 실시예에서 환원 열처리되거나 '환원된' 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO 및 8CeRhO는 본 발명의 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매를 나타낸다.Reduction heat treatment according to Example 2 was applied to the CeRhO support prepared in Example 1 described above to prepare a rhodium-cerium oxide elution catalyst for wet reforming of the present invention. In the following examples, reduction heat treated or 'reduced' 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO and 8CeRhO represent rhodium-cerium oxide elution catalysts for the wet reforming reaction of the present invention.

실시예 3: 특성 분석 방법Example 3: Characterization method

3.1: 3.1: In-situ In-situ TEM 방법TEM method

환원성 조건하에서 CeO2 도메인의 용출된 Rh 나노입자를 관찰하기 위해서 In-situ 가스 플로우 홀더(In-situ gas flow holder, Hummingbird Scientific) 및 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy, Tecnai G2, F30 S-Twin, 300 keV에서 작동, FEI)을 사용하여 특성 분석을 수행하였다. In-situ gas flow holder (Hummingbird Scientific) and transmission electron microscopy (TEM, Tecnai G2, F30 S- Characterization was performed using a Twin, operating at 300 keV, FEI).

3.2: EDS 및 HAADF-STEM 분석 방법3.2: EDS and HAADF-STEM Analysis Methods

스팟-에너지-분산형 X-선 분광법 분석(spot-energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis, EDS)과 함께 고-각환형암시야 주사 전자현미경(HAADF-STEM, High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy, Titan cubed G2 60-300, FEI) 분석이 300 kV의 가속 전압으로 수행되었다.High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) with spot-energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis (EDS) microscopy, Titan cubed G2 60-300, FEI) analysis was performed with an accelerating voltage of 300 kV.

3.3: XPS 분석 방법3.3: XPS analysis method

Rh의 산화 상태를 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, K-Alpha, Thermo VG Scientific)로 조사하였다. 결합 에너지는 레퍼런스로서 284.8 eV에서 유리한 C 1s 신호의 최대 세기를 사용하여 계산하였다. The oxidation state of Rh was investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-Alpha, Thermo VG Scientific). The binding energy was calculated using the maximum intensity of the favorable C 1s signal at 284.8 eV as a reference.

3.4: XRD 분석 방법3.4: XRD analysis method

X-선 회절(X-ray diffaction, XRD) 패턴(Rigaku, Cu Kα 방사선)은 5°/분 속도에서 0.01°의 스텝 사이즈로 20°내지 90°(2θ) 범위에서 수집하였다. 고해상도 X-선 회절(high resolution X-ray diffraction, HR-XRD)은 PLS의 8D XRD POSCO 빔라인을 사용하여 측정하였다.X-ray diffaction (XRD) patterns (Rigaku, Cu Kα radiation) were collected in the range of 20° to 90° (2θ) with a step size of 0.01° at a speed of 5°/min. High resolution X-ray diffraction (HR-XRD) was measured using PLS's 8D XRD POSCO beamline.

3.5: ICP-OES 방법 - 촉매의 총 로듐 양 측정 방법3.5: ICP-OES Method - Determination of Total Rhodium in Catalyst

촉매에서 Rh 양은 유도결합플라즈마 발광분광기(inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES, ThermoFisher Scientific)로 측정하였다. CeRhO의 총 Rh 양은 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO 및 8CeRhO에서 각각 0.9 wt%, 2.1 wt%, 3.9 wt% 및 7.3 wt%이었다. The amount of Rh in the catalyst was measured with an inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-OES, ThermoFisher Scientific). The total amount of Rh in CeRhO was 0.9 wt%, 2.1 wt%, 3.9 wt% and 7.3 wt% in 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO and 8CeRhO, respectively.

3.6: BET 표면적 및 라만 스펙트럼 측정 방법3.6: BET Surface Area and Raman Spectrum Measurement Method

BET 표면적 측정(Tristar ?Micromeritics)을 수행하였다. 고해상도 라만 스펙트럼(High resolution raman sepctrum, LabRAM HR Evolution Visible_NIR, HORIBA)은 1000 cm-1 내지 2000 cm-1 범위에서 수집되었고, 레이저 원(laser source)의 파장은 514 nm이었다. BET surface area measurements (Tristar® Micromeritics) were performed. High resolution Raman spectra (High resolution raman sepctrum, LabRAM HR Evolution Visible_NIR, HORIBA) were collected in the range of 1000 cm -1 to 2000 cm -1 , and the wavelength of the laser source was 514 nm.

3.7: CO 화학흡착 방법 - 로듐 분산3.7: CO chemisorption method - rhodium dispersion

펄스 일산화탄소 화학흡착(pulsed CO chemisorption, BELCAT-2, MicrotracBEL)을 수행하여 다케구치의 방법(Takeguchi's method)으로부터 얻은 샘플의 Rh 분산에 대한 정보를 얻었다. 먼저, 30 mg의 촉매를 10분 동안 300℃로 5% O2/He 플로우에서 가열하였고, 그 다음 퍼지(purging)를 위해 He 가스로 5분 동안 50℃로 냉각하였다. 촉매를 15분 동안 200℃로 5% H2/Ar플로우에서 가열하였다. 냉각 후, 펄스 주입 전에 다음의 순서로 수행되었다. (i) He (5분); (ii) 5% O2/He (5분); (iii) CO2 (60분); (iv) He (20분); (v) 5% H2/Ar (5분); 및 (vi) He (5분). 마지막으로, CO 가스는 촉매상으로 CO의 흡착이 포화될 때까지 1분 마다 반복적으로 He 스트림(stream)에서 펄스되었다. Rh 분산을 실제보다 높게 평가하지 않기 위해 CO2를 주입하여 산화세륨 표면에 탄산염(carbonate)을 형성하였다. 환원된 샘플에 대한 분산을 측정할 때, 600℃에서 1시간 동안 5% O2/He 플로우로 전-산화 처리를 하여 강력한 금속 담지체 상호작용(strong metal support interaction, SMSI)에 의해 유발된 Rh 금속상의 CeOx 층을 제거하였다. 자세한 정보는 하기 표 1에 기재하였다.Pulsed CO chemisorption (BELCAT-2, MicrotracBEL) was performed to obtain information on the Rh dispersion of the samples obtained from Takeguchi's method. First, 30 mg of the catalyst was heated in a 5% O 2 /He flow to 300° C. for 10 min, then cooled to 50° C. for 5 min with He gas for purging. The catalyst was heated in a 5% H 2 /Ar flow to 200° C. for 15 minutes. After cooling, and before pulse injection, the following sequence was performed. (i) He (5 min); (ii) 5% O 2 /He (5 min); (iii) C0 2 (60 min); (iv) He (20 min); (v) 5% H 2 /Ar (5 min); and (vi) He (5 minutes). Finally, CO gas was pulsed in the He stream repeatedly every minute until the adsorption of CO onto the catalyst was saturated. In order not to overestimate the Rh dispersion, CO 2 was injected to form carbonate on the surface of cerium oxide. When measuring the dispersion for the reduced sample, pre-oxidation treatment with a 5% O 2 /He flow at 600 °C for 1 hour to detect Rh induced by strong metal support interaction (SMSI) The CeO x layer on the metal was removed. Detailed information is listed in Table 1 below.

하기 표 1은 환원된 4CeRhO 샘플의 CO-화학흡착 결과를 나타낸다. 전-처리는 300℃, 400℃, 500℃, 600℃ 및 700℃에서 5% O2/He 가스 플로우로 수행되어 Rh 나노입자상의 CeOx 층을 제거하였다.Table 1 below shows the CO-chemisorption results of the reduced 4CeRhO sample. Pre-treatment was performed with a 5% O 2 /He gas flow at 300 °C, 400 °C, 500 °C, 600 °C and 700 °C to remove the CeO x layer on the Rh nanoparticles.

Figure pat00001
Figure pat00001

주: 환원 후, Rh 나노입자는 용출 현상에 의해 표면상으로 나왔다. 그러나, CeOx 박막 또한 SMSI 효과에 의해 Rh 금속 표면상으로 겹쳐졌다. 고온에서 산화 전-처리는 이러한 박막을 제거하는 데 필요로 하고, CO 분자는 Rh 금속 표면상에 흡착될 수 있다. 처리 온도를 다양하게 함으로써, 최적화된 전-처리 조건으로서 600℃를 선택할 수 있었다.Note: After reduction, Rh nanoparticles came to the surface by elution. However, the CeO x thin film was also superimposed onto the Rh metal surface by the SMSI effect. Oxidative pre-treatment at high temperatures is required to remove these thin films, and CO molecules can be adsorbed on the Rh metal surface. By varying the treatment temperature, 600 °C could be selected as the optimized pre-treatment condition.

3.8: 승온산화(TPO) 방법3.8: Thermal Oxidation (TPO) Method

승온산화(temperature-programmed oxidation, TPO BELCAT-2, MicrotracBEL)는 다음 절차로 수행되었다. 먼저, 30 mg의 샘플을 200℃에서 2시간 동안 He 플로우에 로딩하고 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 5% O2/He을 도입하였고, 10℃/분의 램핑 속도(ramping rate)로 800℃까지 가열하였다. Temperature-programmed oxidation (TPO BELCAT-2, MicrotracBEL) was performed with the following procedure. First, 30 mg of the sample was loaded and heated in a He flow at 200° C. for 2 hours. After cooling to room temperature, 5% O 2 /He was introduced and heated to 800° C. at a ramping rate of 10° C./min.

3.9: CO-DRIFT 방법 - 용출 관찰3.9: CO-DRIFT method - Observation of dissolution

CO 확산 반사율 적외선 푸리에-변환(CO diffuse reflectance infrared Fourier-transform, CO-DRIFT, Nicolet iS-50, Thermo Scientific) 분광법을 수행하여 샘플에서 용출을 관찰하였다. 촉매 5 mg을 KBr 95 mg과 혼합하였다. 혼합된 분말을 샘플 컵에 넣고 DRIFT 셀(cell) 속에 넣었다. 셀은 100℃에서 1시간 동안 Ar 플로우로 전처리되었다. 실온으로 냉각되었을 때, 2% CO/Ar이 10분 동안 도입되었다. DRIFT 스펙트럼은 실온에서 30분 동안 배기(evacuation)와 함께 Ar 플로우에 의한 CO 흡착 동안 수집되었다. 마지막으로, 샘플상으로의 CO 흡착 스펙트럼이 측정되었다.CO diffuse reflectance infrared Fourier-transform (CO-DRIFT, Nicolet iS-50, Thermo Scientific) spectroscopy was performed to observe elution from the sample. 5 mg of catalyst was mixed with 95 mg of KBr. The mixed powder was placed in a sample cup and placed into a DRIFT cell. Cells were pretreated with Ar flow at 100 °C for 1 hour. When cooled to room temperature, 2% CO/Ar was introduced for 10 minutes. DRIFT spectra were collected during CO adsorption by Ar flow with evacuation for 30 min at room temperature. Finally, the CO adsorption spectrum onto the sample was measured.

3.10: XAS 분석 방법3.10: XAS analysis method

X-선 흡수 분광(X-ray absorption spectroscopy, XAS)은 포항방사광가속기(Pohang Light Source, PLS)의 10C Wide XAFS 빔라인에서 측정되었다. Rh K-edge 스펙트럼은PIPS(passivated implanted planar silicon) 검출기(Canberra)를 사용하여 형광 모드에서 얻었다. 레퍼런스 Rh 포일(foil)을 동시에 측정하여 각 샘플을 보정하였다. XAS 데이터를 ARTEMIS 및 ATHENA 소프트웨어를 사용하여 피팅(fitting)하였다. 배위수(coordination number)는 레퍼런스 Rh 포일의 진폭 환원 인자(amplitude reduction factor, S0 2)를 고정하여 계산하였다. 독립 포인트(independent point)의 수가 제한될 때 디바이-발러 인자(Debye-Waller factor, σ2)를 타당한 값인 3.0×10-3으로 고정하였다.X-ray absorption spectroscopy (XAS) was measured at the 10C Wide XAFS beamline of the Pohang Light Source (PLS). Rh K-edge spectra were obtained in fluorescence mode using a passivated implanted planar silicon (PIPS) detector (Canberra). Each sample was calibrated by simultaneously measuring a reference Rh foil. XAS data were fitted using ARTEMIS and ATHENA software. Coordination number (coordination number) was calculated by fixing the amplitude reduction factor (amplitude reduction factor, S 0 2 ) of the reference Rh foil. When the number of independent points is limited, the Debye-Waller factor (σ 2 ) is fixed at a reasonable value of 3.0×10 -3 .

실시예 4: Ce-Rh-O의 담지체Example 4: Support of Ce-Rh-O

상기 실시예 1에 기재하였듯이, 1 wt%, 2 wt%, 4 wt% 및 8 wt% Rh이 도핑된 산화세륨은 공침법으로 제조되었고, 각각 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO 및 8CeRhO로 나타내었다. 상기 비교예 1에 기재하였듯이, 종래 Rh/CeO2는 대조 샘플로서 습윤-함침법으로 합성되었다. As described in Example 1 above, cerium oxide doped with 1 wt%, 2 wt%, 4 wt%, and 8 wt% Rh was prepared by a co-precipitation method and was denoted as 1CeRhO, 2CeRhO, 4CeRhO, and 8CeRhO, respectively. As described in Comparative Example 1 above, conventional Rh/CeO 2 was synthesized by a wet-impregnation method as a control sample.

4.1: 고해상도 TEM 분석 결과4.1: High-resolution TEM analysis results

실시예 1에서 제조된 4CeRhO 촉매와 비교예 1의 4Rh/CeO2 촉매를 TEM 이미지로 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이들의 도메인 크기는 10 nm 미만이었는데, 이는 나노-도메인의 로듐-산화세륨을 나타낸다.TEM images of the 4CeRhO catalyst prepared in Example 1 and the 4Rh/CeO 2 catalyst of Comparative Example 1 are shown in FIG. 2 . As shown in Figure 2, their domain size was less than 10 nm, indicating nano-domain rhodium-cerium oxide.

4.2: EXAFS 분석 결과4.2: Results of EXAFS analysis

Rh K-edge EXAFS(extended X-ray absorption fine structure)에서 1, 2, 4, 8CeRhO 및 4Rh/CeO2의 구조를 비교하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타낸 바와 같이, Rh/CeO2는 Rh-O 및 Rh-O-Rh 피크 모두를 각각 2.0 Å 및 3.0 Å에서 갖는다. 반면에, CeRhO는 Rh-O 피크를 2.0 Å에서만 보였다. 하기 표 2는 EXAFS 피팅 결과를 나타낸다.Structures of 1, 2, 4, 8CeRhO and 4Rh/CeO 2 were compared in Rh K-edge EXAFS (extended X-ray absorption fine structure), and the results are shown in FIG. 3 . As shown in Figure 3, Rh/CeO 2 has both Rh-O and Rh-O-Rh peaks at 2.0 Å and 3.0 Å, respectively. On the other hand, CeRhO showed the Rh-O peak only at 2.0 Å. Table 2 below shows the EXAFS fitting results.

Figure pat00002
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표 2에 나타낸 바와 같이, 1, 2, 4 및 8CeRhO는 Rh-O 상호작용에 대해 각각 5.8, 5.5, 5.3 및 5.1의 배위수를 갖는다. 도핑된 Rh의 양이 4 wt%로 증가하여도, Rh-O-Rh 상호작용의 배위수는 여전히 1 미만이었다. Rh의 양이 8 wt%인 경우, Rh-O-Rh의 배위수는 1이었고, 이는 작은 Rh 산화물 클러스터의 형성을 나타낸다. 도핑된 Rh 원자가 Ce 사이트(site)를 차지한, Rh-O-Ce에서는 산소 공극(oxygen vacancy) 사이트의 형성으로 인해 격자 왜곡(lattice distortion)이 일어난다. 비교적으로 장거리의 Rh-O-Ce는 EXAFS에 의해 관찰되지 않았고, 가장 가까이 이웃하는 Rh 원자를 넘어섰다. 4Rh/CeO2는Rh-O 상호작용에 대해 5.2의 배위수를 가지며, Rh-O-Rh 상호작용에 대해 4.1의 높은 배위수를 갖는데, 이는 표면상의 Rh 산화물 나노입자가 형성된 것을 나타낸다.As shown in Table 2, 1, 2, 4 and 8CeRhO have coordination numbers of 5.8, 5.5, 5.3 and 5.1 for the Rh-O interaction, respectively. Even when the amount of doped Rh was increased to 4 wt%, the coordination number of the Rh-O-Rh interaction was still less than 1. When the amount of Rh was 8 wt%, the coordination number of Rh-O-Rh was 1, indicating the formation of small Rh oxide clusters. In Rh—O—Ce, in which doped Rh atoms occupy Ce sites, lattice distortion occurs due to the formation of oxygen vacancy sites. Comparatively long-range Rh-O-Ce was not observed by EXAFS and overran nearest neighboring Rh atoms. 4Rh/CeO 2 has a coordination number of 5.2 for the Rh-O interaction and a high coordination number of 4.1 for the Rh-O-Rh interaction, indicating that Rh oxide nanoparticles on the surface are formed.

4.3: XPS 분석 결과4.3: Results of XPS analysis

XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석은 CeRhO 속의 Rh 원자(308.7 - 309 eV)가 Rh/CeO2 (308.1 eV) 속의 Rh 원자 보다 더 산화되었음을 보여줬고, 이를 도 4에 나타내었다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis showed that the Rh atom (308.7 - 309 eV) in CeRhO was more oxidized than the Rh atom in Rh/CeO 2 (308.1 eV), as shown in FIG. 4 .

도 4에 나타낸 바와 같이, 산화세륨 격자(Rh-O-Ce)에서 치환된 Rh 원자는 Rh 산화물(Rh-O-Rh) 보다 더 높은 산화 상태를 나타내었다. 이러한 결과는 Rh가 CeRhO 촉매의 산화세륨 격자에서 치환되었고 Rh 산화물이 Rh/CeO2의 표면상에 형성되었다는 것을 나타낸다. 도핑된 Rh의 양이 4 wt%로 증가함에 따라, Rh-O-Ce의 비율은 100%로 유지되었다. 반면에, CeRhO의 Rh 양이 8 wt%로 증가한 경우, Rh-O-Rh의 작은 비율(7.7%)이 관찰되었고, 이는 Rh-O-Rh의 형성에 대한 EXAFS 결과와 일치한다.As shown in FIG. 4, the Rh atom substituted in the cerium oxide lattice (Rh-O-Ce) exhibited a higher oxidation state than that of Rh oxide (Rh-O-Rh). These results indicate that Rh was substituted in the cerium oxide lattice of the CeRhO catalyst and Rh oxide was formed on the surface of Rh/CeO 2 . As the amount of doped Rh increased to 4 wt%, the ratio of Rh-O-Ce was maintained at 100%. On the other hand, when the amount of Rh in CeRhO was increased to 8 wt%, a small proportion (7.7%) of Rh-O-Rh was observed, which is consistent with the EXAFS results for the formation of Rh-O-Rh.

실시예 5: 담지체로부터 Rh 용출Example 5: Rh elution from carrier

CeRhO 담지체에 대한 용출(exsolution)을 관찰하기 위해, 10% H2/N2 가스와 함께 500℃에서 3시간 동안 촉매에 환원성 처리(실시예 2)를 수행하였다. To observe the exsolution of the CeRhO support, the catalyst was subjected to a reducing treatment (Example 2) at 500° C. for 3 hours with 10% H 2 /N 2 gas.

5.1: 환원된 촉매의 EXAFS 분석 결과5.1: Results of EXAFS analysis of reduced catalyst

환원된 1, 2, 4 및 8CeRhO 촉매의 구조를 Rh K edge EXAFS으로 조사하였고, 그 결과는 도 5에 나타내었다. The structures of the reduced 1, 2, 4 and 8CeRhO catalysts were investigated by Rh K edge EXAFS, and the results are shown in FIG. 5 .

도 5에 나타낸 바와 같이, 2.6 Å에서 Rh-Rh 피크는 환원 후 나타났다. EXAFS 피팅 결과는 하기 표 3에 나타내었다.As shown in Fig. 5, a Rh-Rh peak at 2.6 Å appeared after reduction. EXAFS fitting results are shown in Table 3 below.

Figure pat00003
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표 3에 나타낸 바와 같이, 환원된 1, 2, 4 및 8CeRhO는 각각 2.6, 3.3, 5.9 및 5.9의 Rh-Rh 상호작용에 대한 배위수를 가진다. Rh-O 상호작용의 배위수는 각각 3.1, 2.9, 1.8 및 1.7로 감소하였다. 도핑된 Rh의 양이 4 wt%로 증가하였을 때, 보다 금속 Rh-Rh 결합이 관찰되었고, 이는 용출에 의한 Rh 금속 나노입자의 형성을 나타낸다. Rh-Rh 결합은 도핑된 Rh 양이 8 wt%로 증가하여도 더 이상 변화하지 않았다. 도핑된 4 wt% Rh는 환원에 의해 용출된 Rh 나노입자를 형성하기에 충분할 수 있다.As shown in Table 3, reduced 1, 2, 4 and 8CeRhO have coordination numbers for the Rh-Rh interaction of 2.6, 3.3, 5.9 and 5.9, respectively. The coordination number of the Rh-O interaction decreased to 3.1, 2.9, 1.8 and 1.7, respectively. When the amount of doped Rh was increased to 4 wt%, more metallic Rh-Rh bonds were observed, indicating formation of Rh metal nanoparticles by elution. The Rh-Rh bond did not change any more even when the amount of doped Rh increased to 8 wt%. 4 wt% Rh doped may be sufficient to form reduction-eluted Rh nanoparticles.

5.2: 환원된 촉매의 고해상도 XRD 패턴 분석 결과5.2: Results of high-resolution XRD pattern analysis of reduced catalysts

환원 후 1, 2, 4 및 8CeRhO 촉매의 변화된 구조를 조사하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다. 도 6에서 두꺼운 줄은 실시예 1에서 제조된 촉매를 나타내고, 반투명한 줄은 실시예 2에 따른 환원 열처리를 한 환원된 촉매를 나타낸다. 실시예 1에서 제조된 1, 2, 4, 8CeRhO과 실시예 2의 환원 후 촉매의 XRD 패턴을 조사하였고, 그 결과는 도 6의 (a)에 나타내었다. Rh 원자는 Ce 원자 보다 더 작은 원자반지름을 갖기 때문에, CeRhO 담지체의 격자정수(lattice parameter)는 감소하였다. CeO2 (밀러 지수: 111) 피크는 Rh 원자가 산화세륨 격자에 도핑되었을 때 더 높은 도(degree) 쪽으로 이동하였다. 용출된 Rh 나노입자가 환원 후 표면상에 나타나면, 산화세륨 격자정수는 확장되고, CeO2 (111) 피크는 더 작은 도(degree) 쪽으로 이동하였다. 격자정수 확장은 산화세륨 격자로부터 표면으로의 Rh 종의 용출을 나타내었다.After reduction, the changed structures of the 1, 2, 4 and 8CeRhO catalysts were investigated, and the results are shown in FIG. 6 . In FIG. 6, the thick line represents the catalyst prepared in Example 1, and the translucent line represents the reduced catalyst subjected to reduction heat treatment according to Example 2. XRD patterns of the 1, 2, 4, 8CeRhO prepared in Example 1 and the catalyst after reduction in Example 2 were investigated, and the results are shown in (a) of FIG. Since the Rh atom has a smaller atomic radius than the Ce atom, the lattice parameter of the CeRhO support decreased. The CeO 2 (Miller index: 111) peak shifted to a higher degree when Rh atoms were doped into the cerium oxide lattice. When the eluted Rh nanoparticles appeared on the surface after reduction, the lattice constant of cerium oxide broadened and the CeO 2 (111) peak shifted to a smaller degree. The lattice constant expansion indicated the elution of Rh species from the cerium oxide lattice to the surface.

5.3: 환원된 촉매의 격자정수 이동 분석 결과5.3: Lattice constant shift analysis result of reduced catalyst

환원 후 격자정수 이동을 계산하였고, 그 결과는 도 6의 (b)에 나타내었다. 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 격자정수 이동은 1, 2, 4 및 8CeRhO 상에서 각각 0.0019 Å, 0.0111 Å, 0.0186 Å 및 0.0223 Å으로 증가하였다. 격자정수의 변화는 4CeRhO까지 증가하였지만, Rh의 양이 8 wt%인 경우, 포화되기 시작하였다. 이는 4 wt% Rh 양이 용출을 위해 충분하다는 EXAFS 피팅 결과와 일치한다. The lattice constant shift after reduction was calculated, and the results are shown in (b) of FIG. As shown in (b) of FIG. 6, the lattice constant shifts increased to 0.0019 Å, 0.0111 Å, 0.0186 Å, and 0.0223 Å for 1, 2, 4, and 8CeRhO, respectively. The change in lattice constant increased up to 4CeRhO, but started to saturate when the amount of Rh was 8 wt%. This is consistent with the EXAFS fitting result that the amount of 4 wt% Rh is sufficient for elution.

5.4: 환원된 촉매의 재-산화 후 고해상도 XRD 분석 결과5.4: Results of high-resolution XRD analysis after re-oxidation of the reduced catalyst

용출된 Rh 나노입자는 재-산화 처리(500℃, 3시간, 공기) 후 산화세륨 격자로 용해되지 않는 것으로 보이는데, 이는 CeO2 (111) 피크가 환원된 4CeRhO 샘플의 재-산화 후 더 높은 도(degree)로 다시 이동하지 않기 때문이며, 이러한 결과는 도 7에 나타내었다. The eluted Rh nanoparticles do not appear to dissolve into the cerium oxide lattice after re-oxidation treatment (500 °C, 3 h, air), which indicates that the CeO 2 (111) peak is higher after re-oxidation of the reduced 4CeRhO sample. This is because it does not move back to (degree), and these results are shown in FIG.

5.5: 환원된 촉매의 XPS 분석 결과5.5: Results of XPS analysis of reduced catalyst

XPS 결과는 환원 후 Rh의 변화된 표면 산화 상태를 나타내었고, 이는 도 도 6의 (c)에 나타내었다. 실시예 1에서 제조된 CeRhO에서 도핑된-Rh 종은 308.7 eV 내지 309 eV에서 더 높은 결합에너지를 갖는데, 이는 고용체의 형성을 나타낸다. 반면에, 금속성 Rh 계(phase)는 환원 후 307. 7 eV에서 관찰되었고, 이는 표면상 용출된 Rh 금속 나노입자의 형성을 나타낸다. XPS results showed the changed surface oxidation state of Rh after reduction, which is shown in FIG. 6(c). The doped-Rh species in CeRhO prepared in Example 1 have higher binding energies from 308.7 eV to 309 eV, indicating the formation of a solid solution. On the other hand, a metallic Rh phase was observed at 307.7 eV after reduction, indicating the formation of eluted Rh metal nanoparticles on the surface.

5.6: 환원 전 및 후 촉매의 BET 표면적 분석 결과5.6: Results of BET surface area analysis of catalysts before and after reduction

도 6의 (d) 및 하기 표 4에 환원 후 BET 표면적의 변화를 나타내었다.6(d) and Table 4 below show changes in the BET surface area after reduction.

Figure pat00004
Figure pat00004

도 6의 (d) 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 나노-도메인 크기의 CeRhO는 환원성 처리 후에도 여전히 높은 표면적(> 55 m2/g)을 유지하여, 용출 현상을 유발하였다. 종래의 Rh/CeO2 촉매 또한 환원 후 측정하였을 때 40 m2/g을 넘는 표면적을 얻었다.As shown in FIG. 6(d) and Table 4, CeRhO of nano-domain size still maintained a high surface area (> 55 m 2 /g) even after reductive treatment, causing elution. Conventional Rh/CeO 2 catalysts also obtained surface areas in excess of 40 m 2 /g as measured after reduction.

5.7: 환원된 촉매의 5.7: of the reduced catalyst In-situIn-situ TEM 분석 결과 TEM analysis results

4CeRhO상의 용출을 In-situ TEM으로 직접적으로 관찰하였고, 그 결과는 도 8에 나타내었다. 실시예 1의 4CeRhO를 5분, 10분 및 30분 동안 500℃에서 10% H2/Ar- 가스에 노출시켰다. 실온일 때, 표면상 Rh 나노입자는 없었다(도 8의 (a) Room T 참조). 5분 동안의 환원성 처리 후, 모아레 무늬(moire fringe) 패턴 몇 부분을 관찰할 수 있었는데 이는 용출된 Rh 나노입자가 나타나 산화세륨 표면에 겹쳐졌기 때문이다. 모아레 무늬 패턴은 30분 동안 환원에 의해서도 여전히 확인되었다. 이웃하는 Rh 나노입자를 상기 부분의 근처 영역에서 계산한 경우, 평균 크기가 약 2 nm 내지 3 nm이었다. 용출된 Rh 나노입자의 평균 크기는 30분이 넘는 환원 후에는 변화하지 않았다. 이러한 결과는 단기간 환원이 높은 표면적을 가진 나노-도메인 CeRhO 촉매에서 Rh 종의 용출에 충분하다는 것을 나타낸다. 반면에, 종래의 페로브스카이트 물질은 용출 현상을 위해서 800℃가 넘는 대개 비교적 장시간(> 4 h)의 환원을 필요로 한다.Elution of the 4CeRhO phase was directly observed by in-situ TEM, and the results are shown in FIG. 8 . 4CeRhO of Example 1 was exposed to 10% H 2 /Ar- gas at 500° C. for 5 min, 10 min and 30 min. At room temperature, there were no Rh nanoparticles on the surface (see (a) Room T in FIG. 8). After 5 min of reducing treatment, some moire fringe patterns could be observed, which is due to the appearance of eluted Rh nanoparticles superimposed on the cerium oxide surface. The moiré fringe pattern was still confirmed by reduction for 30 minutes. When neighboring Rh nanoparticles were counted in the vicinity of the portion, the average size was about 2 nm to 3 nm. The average size of the eluted Rh nanoparticles did not change after reduction over 30 minutes. These results indicate that short-duration reduction is sufficient for elution of Rh species from nano-domain CeRhO catalysts with high surface area. On the other hand, conventional perovskite materials usually require relatively long (> 4 h) reduction over 800 °C for elution.

5.8: 환원된 촉매의 5.8: of the reduced catalyst Ex-situEx-situ TEM 및 EDX 스펙트럼 분석 결과 TEM and EDX spectral analysis results

게다가, 4CeRhO 촉매상의 용출된 Rh 나노입자는 ex-situ TEM에의해 조사하였고, 그 결과는 도 9에 나타내었다. 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 환원(500℃, 3시간, 10% H2/N2) 후, 작은 Rh 나노입자는 여전히 상단 TEM 이미지에 나타났고, 주황색 박스에서 EDX 매핑에 의해 Rh 종으로 확인되었다. In addition, the eluted Rh nanoparticles on the 4CeRhO catalyst were investigated by ex-situ TEM, and the results are shown in Fig. 9. As shown in (a) of FIG. 9 , after reduction (500° C., 3 hours, 10% H 2 /N 2 ), small Rh nanoparticles still appeared in the top TEM image, and Rh identified as a species.

도 10에 나타낸 바와 같이, EDX 스펙트럼은 주황색 박스에서만 Rh 종이 관찰되었음을 명확하게 나타내었고, 이는 환원성 처리에 의해 산화세륨 도메인으로부터 Rh 용출을 나타낸다. 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이, 하단 TEM 이미지는 용출된 Rh 나노입자가 산화세륨과 겹치지 않았음을 나타내었다. 용출된 Rh 나노입자의 확대된 TEM 이미지는 좌측에 나타내었다. 주황색 박스의 Rh 나노입자는 Rh 결정에 대한 FFT 패턴을 나타내었다. 반면에, 초록색 박스의 산화세륨은 CeO2 결정에 대한 FFT 패턴만을 가졌다. 이러한 결과는 작은 용출된 Rh 나노입자가 환원성 처리 후 표면상에 나타났음을 명확하게 보여주었다. 높은 Rh 양을 갖는 8CeRhO 샘플에서 700℃의 고온에서 환원 후 용출된 Rh 나노입자가 또한 관찰되었고, 결과는 도 11에 나타내었다. 작은 Rh 나노입자가 환원 후 산화세륨 도메인으로부터 용출되었다.As shown in Fig. 10, the EDX spectrum clearly showed that Rh species were observed only in the orange box, indicating Rh elution from the cerium oxide domains by the reductive treatment. As shown in (b) of FIG. 9 , the bottom TEM image showed that the eluted Rh nanoparticles did not overlap with the cerium oxide. Magnified TEM images of eluted Rh nanoparticles are shown on the left. The orange boxed Rh nanoparticles show the FFT pattern for the Rh crystal. On the other hand, the cerium oxide in the green box had only the FFT pattern for the CeO 2 crystal. These results clearly showed that small eluted Rh nanoparticles appeared on the surface after reductive treatment. In the 8CeRhO sample with high Rh content, eluted Rh nanoparticles were also observed after reduction at a high temperature of 700 °C, and the results are shown in FIG. 11 . Small Rh nanoparticles were eluted from the cerium oxide domains after reduction.

5.9: 환원 전 및 후 4CeRhO 촉매의 CO-DRIFT 분석 결과5.9: Results of CO-DRIFT analysis of 4CeRhO catalyst before and after reduction

실시예 1에서 제조된 4CeRhO 및 환원(500℃, 3시간, 10% H2/N2) 후 촉매의 CO-DRIFT 결과는 도 12에 나타내었다. 실시예 1에서 제조된(as-made) 4CeRhO는 2106 cm-1에서 산화성 Rh 원자(CO-RhO)상에 주요한 CO 흡착 피크를 나타내었다. 2089 cm-1 및 2025 cm-1에서의 약한 두 개의 피크 또한 Rh 원자(Rh-(CO)2)상의 제미날-다이카보닐(gem-dicarbonyl) 종의 대칭 및 비대칭 신축진동(stretching vibration)으로 각각 관찰되었다. 환원성 처리 후, Rh 금속에 선형-결합된(linear-bound) CO 흡착 피크 및 가교-결합된(bridge-bound) 흡착된 CO 피크가 각각 2059 cm-1 and 1850 cm-1에서 추가로 확인되었다. 이는 도핑된-로듐 원자가 환원 후 분리되어 표면상에 로듐 나노입자를 형성하였다는 것을 나타내었다.The CO-DRIFT results of the catalyst after 4CeRhO and reduction (500°C, 3 hours, 10% H 2 /N 2 ) prepared in Example 1 are shown in FIG. 12 . The as-made 4CeRhO in Example 1 exhibited a major CO adsorption peak on oxidative Rh atoms (CO—RhO) at 2106 cm −1 . The two weak peaks at 2089 cm -1 and 2025 cm -1 are also attributed to symmetric and asymmetric stretching vibrations of the geminal-dicarbonyl species on the Rh atom (Rh-(CO) 2 ). each was observed. After reductive treatment, a linear-bound CO adsorption peak and a bridge-bound adsorbed CO peak at 2059 cm −1 and 1850 cm −1 respectively were further identified on Rh metal. This indicated that the doped-rhodium atoms separated after reduction to form rhodium nanoparticles on the surface.

5.10: 환원 전 및 후 4Rh/CeO5.10: 4Rh/CeO before and after reduction 22 촉매의 CO-DRIFT 분석 결과 Results of CO-DRIFT analysis of the catalyst

CO-DRIFT는 또한 Rh/CeO2의 구조를 관찰하기 위해 수행되었고, 그 결과는 도 13에 나타내었다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에서 제조된(as-made) Rh/CeO2상에서는 추가적인 가교-결합된 CO 피크를 1960 cm-1에서 얻었고, 이는 표면상의 로듐 산화물 나노입자의 형성을 나타낸다. CO-DRIFT was also performed to observe the structure of Rh/CeO 2 , and the results are shown in FIG. 13 . As shown in FIG. 13, an additional cross-linked CO peak was obtained at 1960 cm −1 on the as-made Rh/CeO 2 phase in Comparative Example 1, indicating the formation of rhodium oxide nanoparticles on the surface.

5.11: 환원 전 및 후의 4CeRhO 및 4Rh/CeO5.11: 4CeRhO and 4Rh/CeO before and after reduction 22 촉매의 CO-화학흡착 분석 결과 Results of CO-chemisorption analysis of the catalyst

Rh의 분산 및 추정되는 크기는 CO-화학흡착을 사용하여 측정하였고, 그 결과는 하기 표 5에 나타내었다.The dispersion and estimated size of Rh were measured using CO-chemisorption, and the results are shown in Table 5 below.

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표 5에 나타낸 바와 같이, 4CeRhO 촉매에서 용출된 Rh 나노입자의 크기를 조사하기 위해, 표면 Rh 양을 200℃에서 HNO3와 함께 침출(leaching) 처리를 이용하여 측정하였다. 표면 Rh 양은 실시예 1에서 제조된 4CeRhO 및 환원 후 촉매에 대해 각각 1.4 wt% 및 2.1 wt%이었다. 표면 Rh 양을 기반으로 하여, CO-화학흡착 결과는 용출된 Rh 나노입자의 평균 크기가 환원된 4CeRhO에 대해 2.7 nm로 관찰되었음을 나타내었고, 이는 In-situ TEM 이미지로부터 얻은 크기와 유사하였다. 대조 샘플로서, 4Rh/CeO2 및 환원된 4Rh/CeO2의 Rh 나노입자의 평균 크기는 각각 2.3 nm 및 3.9 nm를 나타내었다.As shown in Table 5, in order to investigate the size of Rh nanoparticles eluted from the 4CeRhO catalyst, the amount of surface Rh was measured using a leaching treatment with HNO 3 at 200 °C. The amount of surface Rh was 1.4 wt% and 2.1 wt% for the 4CeRhO prepared in Example 1 and the catalyst after reduction, respectively. Based on the surface Rh amount, the CO-chemisorption results indicated that the average size of eluted Rh nanoparticles was observed to be 2.7 nm for reduced 4CeRhO, which was similar to the size obtained from in-situ TEM images. As a control sample, the average sizes of the Rh nanoparticles of 4Rh/CeO 2 and reduced 4Rh/CeO 2 were 2.3 nm and 3.9 nm, respectively.

5.12: 소결 저항성 조사 결과 - XRD 피크 분석5.12: Results of sinter resistance investigation - XRD peak analysis

용출된 Rh 나노입자의 안정성을 평가하기 위해, 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매의 소결 저항성을 열 처리 후 Rh (111)의 XRD 피크를 통해 조사하였고, 그 결과를 도 14에 나타내었다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매는 500℃에서 3시간 동안 10% H2/N2에서 환원되었고, 그 다음 N2 가스를 8시간 동안 각각 500℃, 700℃ 및 900℃에 도입하였다. Rh (111) 피크는 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매상에서 500℃에서 에이징(aging) 후 관찰되지 않았고, 이는 표면상의 작은 Rh 나노입자를 나타낸다. 크기는 4CeRhO상에서 700℃ 및 900℃에서 열 처리 후 각각 3.6 nm 및 6.8 nm로 측정되었다. 용출된 Rh 나노입자의 크기는 약간 증가하였다. 반면에, 4Rh/CeO2는 700℃ 및 900℃에서 에이징 후, 각각 12.1 nm 및 12.5 nm의 큰 Rh 나노입자를 나타내었다. CeO2에 증착된 Rh 나노입자는 고온에서 심각하게 소결되었다. 이러한 결과는 용출된 Rh 나노입자가 CeRhO 담지체와 이의 강한 앵커링 때문에 고온에서 Rh의 이동에 보다 저항성이 있었음을 나타내었다. To evaluate the stability of the eluted Rh nanoparticles, the sintering resistance of the 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts was investigated through XRD peaks of Rh (111) after heat treatment, and the results are shown in FIG. 14 . As shown in FIG. 14, the 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts prepared in Example 1 were reduced in 10% H 2 /N 2 at 500° C. for 3 hours, and then N 2 gas was supplied at 500° C. for 8 hours, respectively. , 700 ° C and 900 ° C were introduced. No Rh (111) peak was observed after aging at 500° C. on 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts, indicating small Rh nanoparticles on the surface. The size was measured to be 3.6 nm and 6.8 nm, respectively, after heat treatment at 700 °C and 900 °C on 4CeRhO. The size of the eluted Rh nanoparticles slightly increased. On the other hand, 4Rh/CeO 2 showed large Rh nanoparticles of 12.1 nm and 12.5 nm, respectively, after aging at 700°C and 900°C. Rh nanoparticles deposited on CeO 2 were severely sintered at high temperatures. These results indicated that the eluted Rh nanoparticles were more resistant to the migration of Rh at high temperatures because of the CeRhO support and its strong anchoring.

5.13: 금속-담지체 상호작용 - 승온환원 분석 결과5.13: Metal-Support Interaction - Temperature Reduction Analysis Result

도 15는 4CeRhO 및 4Rh/CeO2의 저온(cryo) H2 승온환원(H2 temperature-programmed reduction, H2-TPR)을 나타내며, 이는 금속-담지체 상호작용을 나타낸다. 용출된 Rh 산화물 나노입자는 4CeRhO에서 120℃에서 Rh 금속으로 환원되었다. 고온(~260℃)에서 어깨 모양 부분은 고용체 형태에서 CeO2 격자의 Rh 환원에 대한 특성으로 여겨진다. 반면에, CeO2에 증착된 Rh 산화물 나노입자는 75℃의 더 낮은 온도에서 환원 피크를 나타내었다. 이러한 결과는 용출된 Rh 나노입자가 Rh/CeO2에서 증착된 Rh 나노입자 대비 강력한 금속-담지체 상호작용(strong metal-support interaction, SMSI)을 갖는다는 것을 나타낸다.FIG. 15 shows cryo H 2 temperature-programmed reduction (H 2 -TPR ) of 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 , which indicates metal-support interaction. The eluted Rh oxide nanoparticles were reduced to Rh metal at 120 °C in 4CeRhO. At high temperatures (~260 °C), the shoulder-like region is believed to be characteristic for the Rh reduction of the CeO 2 lattice in solid solution form. On the other hand, Rh oxide nanoparticles deposited on CeO 2 showed a reduction peak at a lower temperature of 75°C. These results indicate that the eluted Rh nanoparticles have a strong metal-support interaction (SMSI) compared to the Rh nanoparticles deposited in Rh/CeO 2 .

실시예 6: 프로판 습식 개질 반응 방법Example 6: Propane wet reforming reaction method

프로판 습식 개질(propane steam reforming, PSR) 반응은 U-모양의 석영 유리 고정층 흐름 반응기에서 대기압에서 관찰하였다. 촉매 60 mg을 2의 S/C (Steam to Carbon)로 5 sccm C3H8, 155 sccm Ar, 10 sccm N2 및 1.34 mL/h 물의 동일한 피드 조건(feed condition)하에서 수행하였다. 물은 시린지 펌프로 주입되었고 다른 피드 가스(feed gas)와 함께 예열 선(pre-heating line)을 따라 기화되었다. 열전도검출기(thermal conductivity detector, TCD) 및 불꽃이온화검출기(flame ionization detector, FID)가 장착된 가스 크로마토그래프로 생성된 가스(CH4, CO, CO2, 및 H2)를 분석하였다. 프로판 전환율(Propane conversion), 수소 수득률(Hydrogen yield) 및 생성 가스에 대한 선택도(Selectivity)는 하기 식 1 내지 식 3으로 계산하였다.The propane steam reforming (PSR) reaction was observed at atmospheric pressure in a U-shaped quartz glass fixed bed flow reactor. 60 mg of catalyst was carried out under the same feed conditions of 5 sccm C 3 H 8 , 155 sccm Ar, 10 sccm N 2 and 1.34 mL/h water with S/C (Steam to Carbon) of 2. Water was injected with a syringe pump and vaporized along a pre-heating line along with other feed gases. Produced gases (CH 4 , CO, CO 2 , and H 2 ) were analyzed with a gas chromatograph equipped with a thermal conductivity detector (TCD) and a flame ionization detector (FID). Propane conversion, hydrogen yield, and selectivity for the product gas were calculated using Equations 1 to 3 below.

[식 1][Equation 1]

프로판 전환율(%) = (F프로판, in - F프로판, out)/F 프로판, in Х 100 Propane conversion rate (%) = (F propane, in - F propane, out )/F propane, in Х 100

[식 2][Equation 2]

수소 수득률(%) = 2Х(생성된 H2 몰)/(피드에서 H 원자의 총 몰) Х 100Hydrogen yield (%) = 2Х ( 2 moles of H produced)/(total moles of H atoms in the feed) Х 100

[식 3][Equation 3]

가스 x의 선택도(%) = F가스 x, out/(FCH4, out + FCO, out + FCO2, out + FH2, out) Х 100)Selectivity (%) of gas x = Fgas x, out/(FCH4, out+FCO, out+ FCO2, out+ FH2, out) Х 100)

실시예 7: 프로판 습식 개질 반응 결과Example 7: Propane wet reforming reaction results

프로판 습식 개질(propane steam reforming, PSR)은 일반적으로 고온(> 600℃)에서 작동하며 환원 동안 활성 금속 사이트에 응집(agglomeration) 또는 코크 침적을 유발하므로, 안정적인 수소 생산을 위해서는 높은 내구성을 갖는 촉매가 필요하다. Since propane steam reforming (PSR) typically operates at high temperatures (> 600 °C) and causes agglomeration or coke deposition on the active metal sites during reduction, a highly durable catalyst is required for stable hydrogen production. need.

7.1 프로판 전환율 및 수소 수득률7.1 Propane Conversion and Hydrogen Yield

장기간 PSR 반응은 65시간 동안 4CeRhO 및 4Rh/CeO2에 대해 각각 수행되었고, 결과는 도 16에 나타내었다. 각 촉매는 반응 전에 500℃에서 환원되었다. A long-term PSR reaction was performed for 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 for 65 hours, respectively, and the results are shown in FIG. 16 . Each catalyst was reduced at 500 °C before reaction.

촉매 모두에 대한 프로판 전환율은 초기 20시간 동안에는 거의 100%이었다. 전환율은 4CeRhO 촉매에서는 65시간 동안 유지된 반면, 4Rh/CeO2에서는 전환율이 97%에서 76%로 감소하였다. Propane conversion for all catalysts was nearly 100% during the first 20 hours. The conversion rate was maintained for 65 hours with the 4CeRhO catalyst, whereas the conversion rate decreased from 97% to 76% with the 4Rh/CeO 2 catalyst.

H2 수득률은 4CeRhO 촉매에서 70%로 안정적으로 유지되었다. 반면에, 이는 65시간 후에 4Rh/CeO2에서는 51%로 감소되었다. 촉매 모두에 대한 선택도는 도 17에 나타내었다. 이러한 결과는 4CeRhO 촉매상에 용출된 Rh 나노입자가 어떠한 분해 없이 수소 가스를 안정적으로 생산할 수 있음을 나타내었다. The H 2 yield remained stable at 70% with 4CeRhO catalyst. On the other hand, it decreased to 51% in 4Rh/CeO 2 after 65 hours. Selectivity for all catalysts is shown in FIG. 17 . These results indicate that the Rh nanoparticles eluted on the 4CeRhO catalyst can stably produce hydrogen gas without any decomposition.

본 발명에서 얻은 활성과 내구성을 문헌의 값과 비교하여, 하기 표 6에 나타내었다.The activity and durability obtained in the present invention are compared with the literature values and are shown in Table 6 below.

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 표 6에서 참고한 문헌인 Ref2 내지 Ref7에 대한 정보는 다음과 같다.Information on Ref 2 to Ref 7 referenced in Table 6 is as follows.

Ref2. Heo, J. N.; Son, N.; Shin, J.; Do, J. Y.; Kang, M. Efficient hydrogen production by low-temperature steam reforming of propane using catalysts with very small amounts of Pt loaded on NiMn2O4 particles. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45(41), 20904-20921.Ref 2 . Heo, J.N.; Son, N.; Shin, J.; Do, JY; Kang, M. Efficient hydrogen production by low-temperature steam reforming of propane using catalysts with very small amounts of Pt loaded on NiMn2O4 particles. Int. J. Hydrog. Energy 2020 , 45 (41), 20904-20921.

Ref3. Im, Y.; Lee, J. H.; Kwak, B. S.; Do, J. Y.; Kang, M., Effective hydrogen production from propane steam reforming using M/NiO/YSZ catalysts (M = Ru, Rh, Pd, and Ag). Catal. Today 2018, 303, 168-176Ref 3 . Im, Y.; Lee, JH; Kwak, B.S.; Do, JY; Kang, M., Effective hydrogen production from propane steam reforming using M/NiO/YSZ catalysts (M = Ru, Rh, Pd, and Ag). Catal. Today 2018 , 303 , 168-176

Ref4. Hou, T. F.; Yu, B.; Zhang, S. Y.; Zhang, J. H.; Wang, D. Z.; Xu, T. K.; Cui, L.; Cai, W. J., Hydrogen production from propane steam reforming over Ir/Ce0.75Zr0.25O2 catalyst. Appl. Catal. B 2015, 168, 524-530.Ref 4 . Hou, T. F.; Yu, B.; Zhang, S.Y.; Zhang, JH; Wang, DZ; Xu, T K; Cui, L.; Cai, WJ, Hydrogen production from propane steam reforming over Ir/Ce0.75Zr0.25O2 catalyst. Appl. Catal. B 2015 , 168 , 524-530.

Ref5. Lee, H. J.; Lim, Y. S.; Park, N. C.; Kim, Y. C. Catalytic autothermal reforming of propane over the noble metal-doped hydrotalcite-type catalysts. Chem. Eng. J. 2009, 146(2), 295-301.Ref 5 . Lee, HJ; Lim, YS; Park, NC; Kim, YC Catalytic autothermal reforming of propane over the noble metal-doped hydrotalcite-type catalysts. Chem. Eng. J. 2009 , 146 (2), 295-301.

Ref6. Resini, C.; Arrighi, L.; Delgado, M. C. H.; Vargas, M. A. L.; Alemany, L. J.; Riani, P.; Berardinelli, S.; Marazza, R.; Busca, G. Production of hydrogen by steam reforming of C3 organics over Pd-Cu/gamma-Al2O3 catalyst. Int. J. Hydrog. Energy 2006, 31(1), 13-19.Ref 6 . Resini, C.; Arrighi, L.; Delgado, MCH; Vargas, MAL; Alemany, LJ; Riani, P.; Berardinelli, S.; Marazza, R.; Busca, G. Production of hydrogen by steam reforming of C3 organics over Pd-Cu/gamma-Al2O3 catalyst. Int. J. Hydrog. Energy 2006 , 31 (1), 13-19.

Ref7. Fard, A. A.; Aruaneh, R.; Alavi, S. M.; Bazyari, A.; Valaei, A. Propane steam reforming over promoted Ni-Ce/MgAl2O4 catalysts: Effects of Ce promoter on the catalyst performance using developed CCD model. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44(39), 21607-21622.Ref 7 . Fard, AA; Aruaneh, R.; Alavi, SM; Bazyari, A.; Valaei, A. Propane steam reforming over promoted Ni-Ce/MgAl2O4 catalysts: Effects of Ce promoter on the catalyst performance using developed CCD model. Int. J. Hydrog. Energy 2019 , 44 (39), 21607-21622.

상기 표 6에 나타낸 바와 같이, 촉매의 안정성을 평가하기 위해서 반응 조건을 표 리스트에 포함시켰다. 본 발명의 용출된 CeRhO 촉매는 다른 촉매와 비교하여 높은 공간 속도(space velocity, 200,000 mL/gcat/h) 및 온도(700℃)의 열악한 조건하에서조차 65시간 동안 높은 H2 수득률(70%)과 낮은 탄소에 대한 수증기의 비율(stream to carbon ratio, S/C=2)을 가졌다.As shown in Table 6 above, the reaction conditions were included in the table list in order to evaluate the stability of the catalyst. The eluted CeRhO catalyst of the present invention has a high H 2 yield (70%) for 65 hours even under poor conditions of high space velocity (200,000 mL/g cat /h) and temperature (700 °C) compared to other catalysts. and a low stream to carbon ratio (S/C=2).

7.2: 프로판 습식 개질 반응에 사용된 촉매의 XRD 분석 결과7.2: Results of XRD analysis of the catalyst used in the propane wet reforming reaction

사용된 4CeRhO 및 4Rh/CeO2에 대한 XRD 패턴을 각각 얻었고, 그 결과는 도 18에 나타내었다. 형석(Fluorite) 유형의 CeO2 피크가 주로 관찰되었고 Rh (111) 피크 또한 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매에 대해 각각 약 41°에서 나타났다. 특히, 뾰족한 Rh (111) 피크는 사용된 4Rh/CeO2상에서 얻은 반면, 사용된 4CeRhO는 확대된 XRD 패턴에서 넓은 피크를 나타내었다. Rh 나노입자의 크기를 측정하여, 그 결과는 하기 표 7에 나타내었다.XRD patterns for the used 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 were obtained, respectively, and the results are shown in FIG. 18 . A fluorite-type CeO 2 peak was mainly observed, and a Rh (111) peak also appeared at about 41° for the 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts, respectively. In particular, a sharp Rh (111) peak was obtained on the used 4Rh/CeO 2 phase, whereas the used 4CeRhO exhibited a broad peak in the expanded XRD pattern. The size of the Rh nanoparticles was measured, and the results are shown in Table 7 below.

Figure pat00007
Figure pat00007

표 7에 나타낸 바와 같이, 4CeRhO상의 Rh 나노입자는 PSR 반응 후에 5.0 nm를 나타내었고, 이는 Rh 크기가 약간 증가하였음을 나타낸다. 반면에 4Rh/CeO2는 25.5 nm의 심각하게 소결된 Rh 나노입자를 가졌다. 이러한 결과는 용출된 Rh 나노입자가 종래의 4Rh/CeO2와 비교하여 열악한 조건하에서 높은 소결 저항성을 갖는다는 것을 명확하게 나타내었다.As shown in Table 7, the Rh nanoparticles on 4CeRhO showed a size of 5.0 nm after the PSR reaction, indicating a slight increase in Rh size. On the other hand, 4Rh/CeO 2 had heavily sintered Rh nanoparticles of 25.5 nm. These results clearly indicated that the eluted Rh nanoparticles had high sintering resistance under harsh conditions compared to conventional 4Rh/CeO 2 .

7.3: 프로판 습식 개질 반응 후 촉매상의 코크 침적 저항성 조사 결과7.3: Investigation of coke deposition resistance on catalyst after propane wet reforming reaction

코크 침적(coke deposition)이 촉매 표면상의 큰 금속 근처에서 선호되는 것은 알려져 있다(Kim, J. H.; Suh, D. J.; Park, T. J.; Kim, K. L. Effect of metal particle size on coking during CO2 reforming of CH4 over Ni-alumina aerogel catalysts. Appl. Catal. A 2000, 197, 191-200 참조). PSR 반응 후 사용된 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매상의 코크 침적을 조사하기 위해서, 다양한 특성 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 19에 나타내었다. 도 19의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, TEM 이미지는 4CeRhO의 코크 침적 보다 4Rh/CeO2 촉매상에서 더 심각한 코크 침적을 나타내었다.It is known that coke deposition is favored near large metals on the catalyst surface (Kim, JH; Suh, DJ; Park, TJ; Kim, KL Effect of metal particle size on coking during CO2 reforming of CH4 over Ni- alumina airgel catalysts (see Appl. Catal. A 2000 , 197 , 191-200). In order to investigate coke deposition on the 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts used after the PSR reaction, various characterizations were performed, and the results are shown in FIG. 19 . As shown in (a) and (b) of FIG. 19 , the TEM images showed more severe coke deposition on the 4Rh/CeO 2 catalyst than on 4CeRhO.

7.3.1: 코크 침적 저항성 - 승온산화 분석 결과7.3.1: Coke Deposition Resistance - Thermal Oxidation Analysis Results

도 19의 (c)에 나타낸 바와 같이, 승온산화(temperature programmed oxidation, TPO)는 코크 침적에 의한 CO2 신호를 나타내었고, 이는 코크 특성을 나타낸다. 사용된 4CeRhO는 330℃에서 CO2 생성 피크를 나타내었고, 이는 활성 금속상의 탄소 종 침착(deposit)을 나타낸다. 반면에, 사용된 4Rh/CeO2 촉매에서는 두 개의 피크가 얻어졌다. 고온인 600℃에서 피크는 촉매 분해와 관련된 담지체상에서 보다 결정 유형의 또는 필라멘트 유형의 코크를 나타내었다. 330℃에서 코크 침적의 양은 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 상에서 각각 0.036 mmolC/gcat 및 0.032 mmolC/gcat이었다. 더욱이, 4Rh/CeO2는 600℃에서 0.012 mmolC/gcat의 양으로 더 많은 코크 침적을 가졌다. 이러한 결과는 4Rh/CeO2가 PSR 반응 동안 더 많은 코크를 겪는 것을 나타내었다.As shown in (c) of FIG. 19 , temperature programmed oxidation (TPO) showed a CO 2 signal due to coke deposition, which indicates coke characteristics. The 4CeRhO used showed a CO 2 production peak at 330 °C, indicating carbon species deposit on the active metal. On the other hand, two peaks were obtained for the 4Rh/CeO 2 catalyst used. At the high temperature of 600° C., the peak showed a more crystalline or filamentary type of coke on the support associated with catalytic decomposition. The amount of coke deposition at 330° C. was 0.036 mmol C /g cat and 0.032 mmol C /g cat on 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 , respectively. Moreover, 4Rh/CeO 2 had more coke deposition at 600° C. in an amount of 0.012 mmol C /g cat . These results indicated that 4Rh/CeO 2 undergoes more coke during the PSR reaction.

7.3.2: 코크 침적 저항성 - 라만 스펙트럼 분석 결과7.3.2: Coke deposition resistance - results of Raman spectral analysis

사용된 4CeRhO 및 4Rh/CeO2 촉매의 코크에 대한 라만 스펙트럼을 조사하였다. 1350 cm-1에서의 피크(ID)는 비정질(amorphous) 또는 결함이 있는(defective) 탄소와 관련이 있는 D 밴드(band)의 결과이고, 1590 cm-1에서의 피크(IG)는 더 균일한(ordered) 구조를 가진 탄소와 관련된 G 밴드의 결과이다. 4Rh/CeO2의 ID/IG 비율(1.56)은 4CeRhO의 비율(2.92) 보다 더 작았다. ID/IG의 낮은 값은 탄소의 더 높은 흑연화도(graphitization degree)를 나타내고 일반적으로 더 심각한 촉매상의 코크 침적을 나타낸다. 이러한 결과는 CeRhO 촉매상의 용출된 Rh 나노입자가 PSR 반응에서 코크 침적에 대한 우수한 저항성을 갖는다는 것을 명확하게 나타낸다.Raman spectra of coke of the used 4CeRhO and 4Rh/CeO 2 catalysts were investigated. The peak (I D ) at 1350 cm -1 is a result of the D band associated with amorphous or defective carbon, and the peak (I G ) at 1590 cm -1 is more It is a result of the G band associated with carbon with an ordered structure. The I D /I G ratio of 4Rh/CeO 2 (1.56) was smaller than that of 4CeRhO (2.92). A lower value of I D /I G indicates a higher graphitization degree of carbon and generally indicates more severe coke deposition on the catalyst. These results clearly indicate that the eluted Rh nanoparticles on the CeRhO catalyst have excellent resistance to coke deposition in the PSR reaction.

결론conclusion

나노-도메인 Rh-도핑된 산화세륨은 공침법에 의해 제조되었다. Rh 종의 용출은 10% H2/N2 플로우와 함께 3시간 동안 500℃에서 환원되어 유발되었고, 표면적이 55 m2/g 이상으로 높게 유지되었다. XRD, EXAFS, XPS 및 CO-DRIFT 결과는 로듐이-도핑된 산화세륨 담지체로부터 용출된 Rh 나노입자가 산화세륨 격자와 치환되어 표면상에 형성되었다는 것을 확인하였다. In-situ TEM 이미지는 2 nm 내지 3 nm의 용출된 Rh 나노입자가 환원성 조건하에서 표면상에 나타났다는 것을 명확하게 밝혔다. 4CeRhO 촉매의 프로판 습식 개질 반응을 대조 샘플인 종래의 습윤 함침법으로 합성된 4Rh/CeO2와 비교하였다. 4CeRhO는 거의 100%의 프로판 전환율과 70%의 수소 수득률을 안정적으로 65시간 동안 유지하였다. 반면에, 4Rh/CeO2의 프로판 전환율은 76%로, 수소 수득률은 51%로 감소하였다. XRD 패턴은 4CeRhO상의 용출된 Rh 나노입자가 4Rh/CeO2 보다 더 우수한 소결 저항성을 갖는다는 것을 나타내었다. 더욱이, TPO 및 라만 스펙트럼 결과는 4Rh/CeO2와 비교하여 65시간 동안 반응 후 4CeRhO상에서 더 낮은 코크 침적을 보여주었고, 이는 로듐 용출 촉매의 높은 안정성을 나타낸다. 본 발명은 용출에 의한 높은 내구성의 촉매에 대한 나노-크기의 디자인을 입증하였다.Nano-domain Rh-doped cerium oxide was prepared by coprecipitation. Elution of the Rh species was induced by reduction at 500° C. for 3 hours with 10% H 2 /N 2 flow, and the surface area remained high, above 55 m 2 /g. XRD, EXAFS, XPS, and CO-DRIFT results confirmed that Rh nanoparticles eluted from the rhodium-doped cerium oxide carrier were formed on the surface by replacing the cerium oxide lattice. In-situ TEM images clearly revealed that eluted Rh nanoparticles of 2 nm to 3 nm appeared on the surface under reducing conditions. The propane wet reforming reaction of the 4CeRhO catalyst was compared with a control sample, 4Rh/CeO 2 synthesized by a conventional wet impregnation method. 4CeRhO stably maintained nearly 100% propane conversion and 70% hydrogen yield for 65 hours. On the other hand, the propane conversion rate of 4Rh/CeO 2 decreased to 76% and the hydrogen yield to 51%. The XRD pattern indicated that the eluted Rh nanoparticles on 4CeRhO had better sintering resistance than 4Rh/CeO 2 . Moreover, the TPO and Raman spectral results showed lower coke deposition on 4CeRhO after reaction for 65 hours compared to 4Rh/CeO 2 , indicating the high stability of the rhodium-eluting catalyst. The present invention demonstrates a nano-scale design for highly durable catalysts by elution.

Claims (20)

다음 단계를 포함하는 습식 개질(steam reforming) 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매의 제조방법:
a) 산화세륨 전구체 용액 및 로듐 전구체 용액을 혼합하는 단계;
b) 상기 a) 단계의 결과물을 소성시키는 단계; 및
c) 상기 b) 단계의 결과물을 환원 열처리하는 단계.
A method for preparing a rhodium-cerium oxide elution catalyst for steam reforming reaction comprising the following steps:
a) mixing a cerium oxide precursor solution and a rhodium precursor solution;
b) firing the product of step a); and
c) subjecting the product of step b) to reduction heat treatment.
제 1 항에 있어서, 상기 b) 단계에서 소성은 300℃ 내지 500℃의 공기 또는 산소하에서 수행되는 것인, 제조방법.
The method of claim 1, wherein the firing in step b) is performed under air or oxygen at 300 °C to 500 °C.
제 1 항에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리는 5분 내지 4시간 동안 400℃ 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것인, 제조방법.
The method of claim 1, wherein the reduction heat treatment in step c) is performed at a temperature of 400° C. to 700° C. for 5 minutes to 4 hours.
제 3 항에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리는 수소 기체 및 비활성 기체 하에서 수행되는 것인, 제조방법.
The method of claim 3, wherein the reduction heat treatment in step c) is performed under hydrogen gas and an inert gas.
제 4 항에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소(N2), 헬륨(He) 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 제조방법.
The method of claim 4, wherein the inert gas is at least one selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), helium (He), and argon (Ar).
제 1 항에 있어서, 상기 c) 단계에서 환원 열처리에 의해 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출(exsolution)되는 것인, 제조방법.
The method according to claim 1, wherein rhodium nanoparticles are eluted on the surface of the cerium oxide carrier doped with rhodium by reduction heat treatment in step c).
제 1 항에 있어서, 상기 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 0.5 wt% 내지 8.0 wt%인 것인, 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the rhodium-cerium oxide eluting catalyst has a weight of 0.5 wt% to 8.0 wt% relative to the total weight of the catalyst.
환원 열처리에 의해 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체 표면상에 로듐 나노입자가 용출되어 있는 습식 개질 반응용 로듐-산화세륨 용출 촉매.
A rhodium-cerium oxide elution catalyst for a wet reforming reaction in which rhodium nanoparticles are eluted on the surface of a cerium oxide carrier doped with rhodium by reduction heat treatment.
제 8 항에 있어서, 상기 로듐-산화세륨 용출 촉매 총 중량 대비 로듐의 중량은 0.5 wt% 내지 8.0 wt%인 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the weight of rhodium relative to the total weight of the rhodium-cerium oxide eluting catalyst is 0.5 wt% to 8.0 wt%.
제 8 항에 있어서, 상기 환원 열처리는 5분 내지 4시간 동안 400℃ 내지 700℃의 온도에서 수행되는 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the reduction heat treatment is performed at a temperature of 400 °C to 700 °C for 5 minutes to 4 hours.
제 8 항에 있어서, 상기 환원 열처리는 수소 기체 및 비활성 기체 하에서 수행되는 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the reduction heat treatment is performed under hydrogen gas and an inert gas.
제 8 항에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소(N2), 헬륨(He) 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the inert gas is at least one selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), helium (He), and argon (Ar).
제 8 항에 있어서, 상기 용출된 로듐 나노입자는 상기 로듐이 도핑된 산화세륨 담지체의 격자(lattice) 속에 앵커링되어 있는 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the eluted rhodium nanoparticles are anchored in a lattice of the rhodium-doped cerium oxide carrier.
제 8 항에 있어서, 상기 촉매는 55 m2/g 이상의 표면적을 갖는 것인, 촉매
9. The catalyst according to claim 8, wherein the catalyst has a surface area of 55 m 2 /g or greater.
제 8 항에 있어서, 상기 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.0 nm 내지 3.0 nm인 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the eluted rhodium nanoparticles have a size of 2.0 nm to 3.0 nm.
제 8 항에 있어서, 상기 습식 개질 반응 후 상기 용출된 로듐 나노입자의 크기는 2.0 nm 내지 10.0 nm인 것인, 촉매.
The catalyst according to claim 8, wherein the eluted rhodium nanoparticles have a size of 2.0 nm to 10.0 nm after the wet reforming reaction.
제 8 항에 있어서, 상기 습식 개질 반응 후 라만 스펙트럼에서 1590 cm-1에서의 G 밴드 피크 세기(IG)에 대한 1350 cm-1에서의 D 밴드 피크 세기(ID)인 ID/IG 비율이 2.00 내지 3.50인 것인, 촉매.
The method of claim 8, wherein the D band peak intensity (I D ) at 1350 cm -1 relative to the G band peak intensity (I G ) at 1590 cm -1 in the Raman spectrum after the wet reforming reaction is I D /I G The catalyst, wherein the ratio is 2.00 to 3.50.
제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 촉매를 탄화수소와 수증기에 가하여 수소 가스를 얻는 단계를 포함하는 습식 개질 반응방법.
A wet reforming reaction method comprising the step of obtaining hydrogen gas by adding the catalyst according to any one of claims 8 to 17 to hydrocarbon and steam.
제 18 항에 있어서, 상기 반응방법은 탄소에 대한 수증기 비율인 S/C(steam to carbon ratio)가 1 내지 4로 수증기 및 탄화수소를 포함하는 피드(feed) 조건하에서 수행되는 것인, 습식 개질 반응방법.
The wet reforming reaction of claim 18, wherein the reaction method is carried out under feed conditions including steam and hydrocarbons with a steam to carbon ratio (S/C) of 1 to 4. Way.
제 18 항에 있어서, 상기 반응방법은 600℃ 내지 800℃에서 수행되는 것인, 습식 개질 반응방법.The wet reforming reaction method according to claim 18, wherein the reaction method is carried out at 600 ° C to 800 ° C.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115779980A (en) * 2022-12-08 2023-03-14 常州大学 Ni/CeO 2 Application of-Rh catalyst in reaction for preparing cyclohexanol by selective hydrogenation of guaiacol

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101403698B1 (en) * 2011-07-29 2014-06-27 한국에너지기술연구원 Metal-structured catalyst and manufacturing method thereof
KR20170093899A (en) * 2014-12-08 2017-08-16 바스프 코포레이션 Nitrous oxide removal catalysts for exhaust systems
KR20180101427A (en) 2016-01-06 2018-09-12 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 Integrated system for quantitative real-time monitoring of hydrogen-induced cracking in simulated sour environments
KR20200024573A (en) * 2018-08-28 2020-03-09 한국과학기술원 Fully dispersed rhodium ensemble catalyst with improved low-temperature activity and its preparation method
KR102151067B1 (en) * 2019-09-30 2020-09-02 한국과학기술원 Catalyst for oxidative coupling of methane containing palladium supported on cerium palladium solid solution and oxidative coupling method using the same
JP6794811B2 (en) * 2016-12-09 2020-12-02 日本製鉄株式会社 Steam reforming catalyst, methane reforming catalyst, catalyst production method and hydrogen production method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101403698B1 (en) * 2011-07-29 2014-06-27 한국에너지기술연구원 Metal-structured catalyst and manufacturing method thereof
KR20170093899A (en) * 2014-12-08 2017-08-16 바스프 코포레이션 Nitrous oxide removal catalysts for exhaust systems
KR20180101427A (en) 2016-01-06 2018-09-12 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 Integrated system for quantitative real-time monitoring of hydrogen-induced cracking in simulated sour environments
JP6794811B2 (en) * 2016-12-09 2020-12-02 日本製鉄株式会社 Steam reforming catalyst, methane reforming catalyst, catalyst production method and hydrogen production method
KR20200024573A (en) * 2018-08-28 2020-03-09 한국과학기술원 Fully dispersed rhodium ensemble catalyst with improved low-temperature activity and its preparation method
KR102151067B1 (en) * 2019-09-30 2020-09-02 한국과학기술원 Catalyst for oxidative coupling of methane containing palladium supported on cerium palladium solid solution and oxidative coupling method using the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115779980A (en) * 2022-12-08 2023-03-14 常州大学 Ni/CeO 2 Application of-Rh catalyst in reaction for preparing cyclohexanol by selective hydrogenation of guaiacol
CN115779980B (en) * 2022-12-08 2024-02-13 常州大学 Ni/CeO 2 Application of Rh catalyst in selective hydrogenation of guaiacol to preparation of cyclohexanol

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