WO2023055108A1 - 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법 - Google Patents

수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2023055108A1
WO2023055108A1 PCT/KR2022/014625 KR2022014625W WO2023055108A1 WO 2023055108 A1 WO2023055108 A1 WO 2023055108A1 KR 2022014625 W KR2022014625 W KR 2022014625W WO 2023055108 A1 WO2023055108 A1 WO 2023055108A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
platinum
catalyst
hydrogen
dehydrogenation
hydrogenation
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/014625
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
서영웅
오진호
조영인
김태완
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020210185870A external-priority patent/KR20230046179A/ko
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Publication of WO2023055108A1 publication Critical patent/WO2023055108A1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02—Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/04—Alumina
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42—Platinum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/04—Mixing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08—Heat treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16—Reducing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen

Definitions

  • the present disclosure relates to a platinum-supported catalyst with improved reversibility of hydrogenation/dehydrogenation and a method for storing and releasing hydrogen based on a liquid organic hydrogen carrier using the same. More specifically, the present disclosure provides a hydrogenation/dehydrogenation catalyst in which platinum (Pt) metal, in which single atom and cluster forms are mixed as active metals, is supported on an alumina support based on a solid phase method, and the same It relates to a technology capable of reversibly storing and releasing hydrogen with high selective conversion rate and high efficiency using the present invention.
  • renewable energy such as wind power, tidal power, geothermal energy, hydrogen energy, and solar energy is in the limelight, and each of the energy sources listed above has advantages and disadvantages.
  • new and renewable energy is difficult to supply and demand smoothly due to the instability of energy sources over time and the natural environment, in order to effectively replace conventional fossil fuels, surplus energy is stored and It is necessary to develop the technology to supply.
  • hydrogen energy is (i) the most energy efficient per unit mass, (ii) combustion produces only water and no other harmful by-products, and (iii) water, the main source of hydrogen, is abundant in nature and used. Since it is converted into water after water, it is advantageous in terms of reuse, and (iv) it is attracting attention because it is suitable for securing competitiveness in the precision and IT industries as a distributed power source that uses hydrogen as a fuel.
  • hydrogen can be produced using other renewable energies such as solar energy and wind power, and can be widely applied not only to various energy sources but also to other industrial fields (eg, various petrochemical fields) at home and abroad. It is emerging as a key energy source in the future.
  • Hydrogen has an excellent energy storage capacity per mass, but a low energy storage capacity per volume, so hydrogen can be used efficiently.
  • Storage technology is the biggest obstacle to the practical use of hydrogen energy.
  • materials having a mass storage density of 10% by weight or more under the condition of 77 K are known, but the volume storage density of these materials is 40 g/L, which is low for actual use as a hydrogen storage material. . Therefore, research on a technology for storing as much hydrogen as possible in a storage medium that is as light as possible and has a small volume is being actively conducted.
  • materials having hydrogen storage capacity for example, metal-organic frameworks (MOFs), porous organic or inorganic nanomaterials such as carbon nanotubes, zeolites, and activated carbon, metal hydrides, etc. may be used. It is attracting attention as a material that effectively stores energy (Nature, 427, 523 (2004); J. Am. Chem. Soc., 127, 14904 (2005); Japanese Patent Publication No. 2008-95172, 2011- 131120, etc.).
  • MOFs metal-organic frameworks
  • porous organic or inorganic nanomaterials such as carbon nanotubes, zeolites, and activated carbon, metal hydrides, etc.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • a LOHC-based hydrogen storage and release process using a platinum-loaded catalyst known to have good hydrogenation activity can be considered.
  • a platinum-supported catalyst since hydrogen can generally be easily dissociated into hydrogen atoms, it is effective in a reaction in which hydrogen gas is brought into contact with a reactant, such as hydrogenolysis or hydrogenation.
  • a reactant such as hydrogenolysis or hydrogenation.
  • it can act as an active point for releasing hydrogen through a cyclic compound, and can be effective in dehydrogenation.
  • platinum-supported porous alumina support catalyst is used for the LOHC hydrogenation/dehydrogenation reaction, the dehydrogenation (hydrogen release) activity may still be insufficient because the dispersion degree of the active metal is not high.
  • platinum-supported alumina catalysts are typically prepared by an impregnation method, but since a plurality of steps are involved in synthesizing the alumina support and supporting the metal, it takes a long time to prepare the catalyst, which is disadvantageous in terms of commercialization.
  • catalytic stability can be secured to some extent due to the unique characteristics of alumina, but there is a limit to achieving additionally improved performance.
  • it is intended to provide a catalyst having improved properties in terms of hydrogenation/dehydrogenation reaction efficiency and reversibility, long-term stability, scalability of liquid organic hydrogen carriers, and a method for preparing the same.
  • Platinum which has a monoatomic form and a cluster form, as an active metal supported on the alumina-containing support;
  • the content of platinum (on an elemental basis) in the catalyst is 0.01 to 10% by weight, and
  • a catalyst having a platinum content in the form of clusters in the range of 10 to 55% of the supported platinum is provided.
  • the content of platinum (on an elemental basis) in the catalyst ranges from 0.01 to 10% by weight, and
  • a method in which the platinum content in the form of clusters in the supported platinum is in the range of 10 to 55% is provided.
  • the catalyst used in at least one of the hydrogenation step and the dehydrogenation step is the catalyst used in at least one of the hydrogenation step and the dehydrogenation step
  • Platinum which has a monoatomic form and a cluster form, as an active metal supported on the alumina-containing support;
  • the content of platinum in the catalyst is 0.01 to 10% by weight, and the platinum content in cluster form among the supported platinum is in the range of 10 to 55%, and
  • platinum including monoatomic platinum and cluster-type platinum is supported as an active metal on an alumina support in the catalyst, not only a nitrogen-containing liquid organic hydrogen carrier, but also a hydrocarbon-containing liquid It is possible to achieve good hydrogenation (hydrogen storage)/dehydrogenation (hydrogen release) activity for all organohydrogen carriers, and offers the advantage of improving the hydrogenation/dehydrogenation reversibility in particular.
  • a single-step reaction is performed by applying simple physical or mechanical external energy such as milling to a raw material mixture including a platinum precursor and an alumina precursor without using a solvent, and in particular, heat treatment or
  • simple physical or mechanical external energy such as milling
  • a raw material mixture including a platinum precursor and an alumina precursor without using a solvent, and in particular, heat treatment or
  • heat treatment or
  • the catalyst prepared in this way can overcome the technical limitations of the two-step catalyst preparation method, such as the relatively high catalyst preparation cost and time-consuming impregnation method, as well as improved activity during hydrogenation/dehydrogenation of liquid organic hydrogen carriers. It can provide multiple advantages, such as maintaining for a long period of time.
  • FIG. 1 shows a platinum-carrying catalyst (MPtA) according to Examples (solid phase method) and comparative examples (impregnation method) carrying various amounts of platinum (1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, and 5 wt%) ) XRD patterns for each of the platinum-supported catalysts (Pt/gA) according to;
  • 2a and 2b are platinum-supported catalysts (MPtA) and comparison according to examples (solid phase method), each carrying various amounts of platinum (1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, and 5 wt%) It is a dark field HAADF-STEM picture for a platinum-supported catalyst (Pt/gA) according to Example (impregnation method);
  • MPTA platinum-supported catalyst
  • Examples solid phase method; Pt supported amount: 1% by weight, 2% by weight, 3% by weight and 5% by weight
  • comparative examples including A CO-DRIFT spectrum graph for each of the platinum-supported catalysts (Pt/gA) according to the precipitation method;
  • FIG. 4 is a platinum-supported catalyst (MPtA) and a comparative example (impregnation method) according to examples (solid phase method) supported with various amounts of platinum (1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, and 5 wt%)
  • MPtA platinum-supported catalyst
  • FIG. 4 A graph showing H 2 -TPD results for each platinum-supported catalyst (Pt/gA) according to (the numbers in the figure are hydrogen adsorption amount (unit: mmol g Pt -1 ));
  • 5a and 5b show platinum-supported catalysts (MPtA) according to examples (solid phase method) and comparative examples (impregnation method), respectively, of various amounts of platinum (1 wt%, 3 wt%, and 5 wt%).
  • FIG. 6a and 6b show platinum-supported catalysts (MPtA) and comparative examples according to examples (solid-phase method) carrying various amounts of platinum (1 wt%, 2 wt%, 3 wt%, and 5 wt%), respectively.
  • FIG. 7 is a graph showing XRD patterns (a, b) and H 2 -TPD results (c, d) for Pt-supported catalysts (supported amounts: 1 wt% and 3 wt%) according to firing conditions;
  • FIGS. 8a and 8b are HAADF-STEM photographs of a Pt-supported catalyst according to a change in firing conditions (3 wt% in FIGS. 8a and 8b, and 1 wt% in FIGS. 8c and 8d);
  • Figure 9 is a hydrogen release curve with time of the dehydrogenation reaction for the Pt-supported catalyst according to the calcination condition change (FIG. 9a supported amount 3% by weight, and FIG. 9b supported amount 1% by weight) and (reaction conditions: 250 °C, 1 bar, 4 h, noble metal (mol)/reactant (mol) 0.1%);
  • FIG. 10 shows the dehydrogenation reaction results for evaluating the long-term stability of the catalyst for each of a platinum-supported catalyst (M3PtA) according to an example (solid phase method) and a platinum-supported catalyst (3Pt/gA) according to a comparative example (impregnation method). It is a graph showing (reaction conditions: 250 °C, 1 bar, 4 h, noble metal (mol) / reactant (mol) 0.1%);
  • FIG. 11 shows XRD patterns (a and b) before and after reaction of a platinum-supported catalyst (M3PtA) according to an example (solid phase method) and a platinum-supported catalyst (3Pt/gA) according to a comparative example (impregnation method) and after use.
  • 12a and 12b show hydrogen storage of H 0 -BT using a platinum-supported catalyst (M3PtA) according to an example (solid phase method) and a platinum-supported catalyst (3Pt/gA) according to a comparative example (impregnation method), respectively; It is a graph showing the result of comparing the release efficiency (hydrogenation reaction conditions: 150 °C, 35 bar H 2 , 2 h; dehydrogenation reaction conditions: 250 °C, 4 h).
  • M3PtA platinum-supported catalyst
  • 3Pt/gA platinum-supported catalyst
  • a “heterogeneous catalyst” may refer to a catalyst that is present in a different phase from the reactants during a catalytic reaction, for example, a catalyst that does not dissolve in a reaction medium.
  • a heterogeneous catalyst in order for a reaction to occur, at least one reactant needs to be diffused and adsorbed on the surface of the heterogeneous catalyst, and after the reaction, a product needs to be desorbed from the surface of the heterogeneous catalyst.
  • “Support” can mean a material (typically a solid material) having a high specific surface area to which a catalytically active component is attached.
  • Active metal in single atom form can be understood as an active metal attached to or fixed to a support in an isolated or individualized state in atomic form.
  • Active metal in cluster form means an active metal having, for example, a size of about 5 nm or less, specifically about 3 nm or less, more specifically about 2 nm or less (i.e., at least two It can be understood that a set of active metal atoms) is attached or immobilized to a support.
  • Hydrolysis may refer to a reaction that increases the hydrogen content in a compound by chemically adding hydrogen to at least a portion of the compound by contacting the compound with a catalyst under a supply of hydrogen.
  • Dehydrogenation may refer to a reaction in which hydrogen in a compound is removed and the removed hydrogen is further released from the compound.
  • “Impregnation” may refer to a method of preparing a catalyst by impregnating a separately synthesized support with a solution in which a catalyst precursor is dissolved, and then, if necessary, going through a drying and/or calcining (or reduction) treatment process. there is.
  • Salt may refer generically to a compound in which a metal cation is combined with an inorganic anionic or organic anionic species.
  • a platinum-supported alumina catalyst conventionally known as a catalyst for hydrogenation/dehydrogenation reaction
  • a hydrogen storage and release ie, hydrogenation and dehydrogenation
  • a liquid organic hydrogen carrier ie, water
  • the size of a metal acts as a factor that significantly affects reaction activity. That is, when the same amount of active metal is supported on a support having the same surface area, the number of metal active sites supported on the same support increases as the size of the metal is minimized. Therefore, the catalytic activity per metal atom can be promoted by increasing the dispersion of the active metal and increasing the ratio of coordinated surface atoms.
  • a single atom catalyst (SAC) bonded to a support in an atomic unit is effective in increasing the active site of the catalyst, but has a high surface energy, so it has agglomeration or aggregation at high temperatures. It induces aggregation and shows a tendency to increase the particle size.
  • SAC single atom catalyst
  • a catalyst supported in the form of a cluster a plurality of metal atoms and ligands are bonded, and since it has a systematic structure similar to that of other metal oxides, it is excellent in terms of catalyst stability.
  • the platinum-supported catalyst according to the present embodiment can enhance the activity by evenly dispersing the metal over a wide surface area, especially in the form of a combination (mixed) of single atoms and clusters. Since it supports platinum, it is possible to provide an effect that exceeds the degree expected from each of the single atom form and cluster form by implementing the advantages of each of the single atom and cluster form at once. In particular, when produced by the impregnation method, it is supported in the form of particles larger than clusters, which is a factor that clearly differentiates the catalyst according to the present embodiment from the platinum-supported catalyst according to the prior art.
  • platinum is supported in a form including a combination of single atoms and clusters through the catalyst synthesis method, and is an excellent catalyst for both gas-phase or liquid-phase hydrogenation and dehydrogenation reactions even in a single reactor. It can exhibit good reversibility as well as activity, and furthermore, it can provide improved properties in terms of long-term stability of the catalyst.
  • hydrogenation/dehydrogenation reactions specifically liquid organic hydrogen carriers of various ranges, specifically liquid organic hydrogen carriers with nitrogen-containing heterocycles as well as liquid organic hydrogen carriers consisting only of hydrocarbons are used.
  • a catalyst suitable for storage/release of hydrogen through hydrogenation/dehydrogenation reactions i.e., heterogeneous catalyst is provided.
  • the hydrogenation / dehydrogenation catalyst is a supported catalyst containing platinum as an active metal on a largely porous alumina-containing support, in particular, platinum may be dispersed and supported on the support in the form of a mixture of single atoms and clusters, , may also be in the form of crystallites. At this time, the platinum crystal may mainly contain the (111) plane.
  • platinum in the catalyst may be in an oxidized state and/or a reduced state (or elemental state or partially reduced state), and more specifically, may be in a reduced state. At this time, the reduced state can be implemented by reducing the catalyst in an oxidized state (calcined state).
  • the content (supported amount) of platinum in the catalyst, on an elemental basis is, for example, about 0.01 to 10% by weight, specifically about 0.1 to 5% by weight, more specifically about 0.5 to 3% by weight.
  • platinum in the catalyst may be in the form of a combination of single atoms and clusters having a size of about 5 nm or less, specifically about 3 nm or less, and more specifically about 0.1 to 2 nm.
  • platinum size exceeds a certain level, it may be advantageous to adjust the size within the above range as much as the reaction efficiency decreases due to the decrease in the dispersion of the metal supported on the support, but depending on the reaction conditions, etc. It may be changed.
  • the support for the hydrogenation/dehydrogenation catalyst may be an alumina-containing support.
  • alumina may be mesoporous alumina, and may typically exhibit ink-bottle or channel-type pore (pore) connectivity, resulting in a relatively high surface area, high packing density, thermal It can indicate stability, physical strength and regenerative power.
  • the BET specific surface area of the support in the catalyst is, for example, at least about 300 m 2 / g, specifically about 320 to 400 m 2 / g, more specifically about 350 to 380 m / g. there is.
  • This specific surface area is significantly higher than that of gamma-alumina supports conventionally used in various chemical reactions, and is suitable for effectively dispersing platinum, an active metal.
  • the pore volume of the support in the catalyst may range, for example, from about 0.4 to 0.55 cm 3 /g, specifically from about 0.42 to 0.5 cm 3 /g, more specifically from about 0.45 to 0.49 cm 3 /g. .
  • the pore size (size) of the support in the catalyst may be, for example, about 3 to 4.5 nm, specifically about 3.5 to 4.3 nm, and more specifically about 3.8 to 4.1 nm.
  • the shape of the catalyst is not particularly limited, but considering the stability and efficiency of the catalyst, it may be applied in a structure such as a ball shape, tablet shape, granule shape, or pellet shape.
  • the size (or diameter) of the catalyst may range, for example, from about 0.1 to 10 mm, specifically from about 0.5 to 5 mm, and more specifically from about 1 to 3 mm, but this can be understood for illustrative purposes. .
  • the platinum-supported alumina catalyst according to the present embodiment can increase the hydrogenation/dehydrogenation reaction activity for a wide range of liquid organic hydrogen carriers, and can particularly improve the reversibility of the hydrogenation/dehydrogenation reaction. Furthermore, the fact that good catalytic activity (i.e., long-term stability) can be maintained even under continuous repeated operation of hydrogenation/dehydrogenation reactions due to improved interaction between metal components constituting the catalyst is a conventional platinum-supported catalyst (typically prepared by the impregnation method).
  • a method for preparing a hydrogenation/dehydrogenation catalyst of a liquid organic hydrogen carrier in which platinum as an active metal is supported on an alumina support in the form of a combination of single atoms and clusters is provided.
  • platinum is present in the form of particles on the alumina support, and in order to exhibit a predetermined activity, a relatively high It is necessary to carry a certain amount of platinum.
  • the catalyst preparation method in the case of the impregnation method (a method of preparing a liquid metal precursor solution and then contacting it with a porous inorganic oxide support (specifically, alumina) to fix or attach the metal precursor to the pores of the support) through a simple method of reacting a platinum precursor and an alumina precursor in a single step without using a solvent required for preparing a metal precursor solution and subsequently performing heat treatment (specifically, heat treatment under an oxygen-containing atmosphere).
  • the activity and reversibility of the hydrogenation/dehydrogenation reaction can be improved by selectively uniformly dispersing platinum in mixed forms and cluster forms on an alumina-containing support, and furthermore, liquid organic hydrogen carriers having nitrogen-containing heterocycles can be used.
  • a catalyst having excellent hydrogenation/dehydrogenation activity in a liquid phase or gas phase reaction can be prepared even for a liquid organic hydrogen carrier composed of only hydrocarbons.
  • an alumina support is known to be effective in terms of catalyst stability because it is basically strongly bonded to an active metal precursor, but in the case of gamma-alumina, which is widely used as an alumina support by an impregnation method, It is difficult to provide properties (particularly, specific surface area) for uniformly dispersing metals into fine sizes such as single atoms and clusters.
  • a precursor mixture comprising at least one alumina precursor, at least one platinum precursor and a base component is first prepared.
  • the precursor mixture may mix three components simultaneously.
  • it may be prepared by first mixing two of the three components and then adding the remaining components.
  • the platinum precursor may be added and mixed.
  • the platinum precursor may be an organic acid or inorganic acid salt of platinum, a complex, or a combination thereof.
  • platinum precursors are PtF 6 , PtF 4 , [PtF 5 ] 4 , PtCl 3 , PtCl 4 , Pt 6 Cl 12 , PtBr 3 , PtBr 4 , PtI 2 , PtI 3 , PtI 4 , PtO, PtO 2 , PtO , PtS, PtS 2 , Pt(CO) 4 , [PtCl 2 (NH 3 ) 2 ], [PtCl 2 (NH 3 ) 2 ], K 2 [PtCl 6 ], K 2 [Pt(CN) 4 ], PtCl 4 ⁇ 5H 2 O, K[PtCl 3 (NH 3 )], Na 2 [PtBr 6 ] 6H 2 O, (NH 4 ) 2 [PtBr 6 ], K 2 [
  • the alumina precursor may be an organic or inorganic acid salt of aluminum, an alkoxide, a complex, or a combination thereof, and representative examples thereof include aluminum acetate, aluminum acetylacetonate, aluminum bromide, aluminum t-butoxide, and aluminum sec-butoxide.
  • aluminum pentoxide, aluminum ethoxide, aluminum isopropoxide, aluminum tributoxide, aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum iodide, aluminum sulfate, aluminum nitrate and may be at least one selected from the group consisting of hydrates thereof. More specifically, aluminum nitrate and/or a hydrate thereof may be used.
  • the basic component is ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium chloride, ammonium oxalate, ammonium sulfate, ammonium hydroxide, ammonium nitrate, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide , It may be at least one selected from the group consisting of calcium hydroxide and magnesium hydroxide, and more specifically, ammonium bicarbonate may be used.
  • a base is used in this way is that, in forming a metal oxide from an acidic metal precursor, a neutralization reaction occurs in which a metal salt and water are formed as a base component is added and precipitated.
  • the molar ratio of the platinum precursor/base component in the precursor mixture may range, for example, from about 0.0001 to 0.1, specifically from about 0.002 to 0.05, and more specifically from about 0.008 to 0.02. If the amount of is too small or too large, the time required to form a gel, which is the final stage of synthesis, becomes shorter or longer, and as a result, it is difficult to form a metal oxide having a desired crystalline phase, and furthermore, the specific surface area and metal dispersion It may be advantageous to properly adjust within the above-mentioned range as much as it can affect catalyst properties such as degree, particle size, and the like. However, the above range can be changed depending on the type of precursor and base. In addition, the mixing ratio between the platinum precursor and the alumina precursor in the precursor mixture may be determined according to the contents of each of the alumina support and platinum in the catalyst described above.
  • the reaction may be performed while applying external energy in the process of preparing the above-described precursor mixture or after forming a physical mixture thereof, and unlike in the impregnation method, the reaction may be performed without using a solvent and between the solid-state precursors. only react In this way, by inducing a stronger interaction between the metal precursors (platinum precursor and inorganic oxide (alumina) precursor) through the solid phase method, as described below, when sintering or heat treatment conditions are adjusted after the solid phase reaction, platinum aggregation (or Aggregation) can be significantly reduced, and in particular, platinum can be supported on the alumina support in the form of a combination of single atoms and clusters.
  • platinum precursors platinum precursor and inorganic oxide (alumina) precursor
  • alumina inorganic oxide
  • the external energy applied to carry out the solid-state reaction between the above three components may typically be physical or mechanical energy, for example in the form of frictional energy such as milling, grinding or pulverization, specifically ball It may be frictional energy by a mill, but this is an example, and any external energy may be used without particular limitation as long as it can induce a reaction between the platinum precursor and the alumina precursor under solvent-free conditions.
  • the solid-state reaction under the external energy application may be performed for, for example, about 5 to 40 minutes, specifically about 10 to 30 minutes, and more specifically about 13 to 25 minutes, but this is an exemplary embodiment. It can be understood as the purpose, and the reaction time may be changed depending on the reaction scale and the like.
  • a solid catalyst in the form of a gel may be formed.
  • the base component is partially or completely decomposed, and when the metal precursor is in the form of a metal salt, it bonds with a metal cation.
  • the anion or anionic species may be substituted with a hydroxide group.
  • gases derived from the precursor and base may be released. For example, when ammonium bicarbonate is used as a base, a large amount of carbon dioxide can be mainly generated.
  • the precursors form a gel, then their hardness increases through solidification, and then go through a process of forming a gel again. As a result, a solid catalyst in the form of a gel can be obtained.
  • a step of converting the catalyst solids in gel form into an oxide may be performed by heat-treating, that is, calcining (or calcining) the catalyst solids formed from the solid phase reaction under an oxygen-containing atmosphere (specifically, an air atmosphere).
  • an oxygen-containing atmosphere specifically, an air atmosphere.
  • platinum may be evenly dispersed in the pores of the alumina support.
  • the single atoms and clusters of platinum can be supported on the alumina support at an appropriate ratio by controlling the heat treatment conditions to affect the crystallinity of platinum. In this regard, when the heat treatment time is reduced or the heating rate is lowered, the proportion of monoatomic platinum tends to increase.
  • the activity resulting from the monoatomic catalyst is improved, whereas platinum is agglomerated under the elevated temperature conditions accompanying the hydrogenation/dehydrogenation reaction of the liquid organic hydrogen carrier.
  • This is undesirable from a stability point of view. Therefore, in the present embodiment, the catalyst activity and the reversibility of hydrogenation / dehydrogenation reaction are maintained at a good level by supporting platinum in the form of a combination of single atoms and clusters by adjusting the heat treatment time and / or temperature increase rate during the catalyst preparation process by the solid phase method.
  • the content of the cluster form in the platinum supported in the catalyst can be determined through observation by, for example, HAADF-STEM (specifically, dark field HAADF-STEM).
  • HAADF-STEM specifically, dark field HAADF-STEM
  • the number of single atoms and clusters of platinum supported in the catalyst (most of the supported platinum exists as single atoms and clusters, but a size larger than the cluster (eg, about 2 to 8 nm, specifically It may further contain nanoparticles having a size of about 2.5 to 6 nm, more specifically about 3 to 5 nm), and in this case, the relative ratio of the cluster form by measuring the number of single atoms, clusters, and nanoparticles (content) can be calculated.
  • the content of nanoparticles having a larger size than the cluster in platinum may be, for example, about 20% or less, specifically about 10% or less, and more specifically about 5% or less.
  • the content of the cluster type in the platinum supported on the alumina support is, for example, about 10 to 55%, specifically about 12 to 50%, more specifically about 15 to 40%.
  • the content of the cluster form in platinum as an active metal may be controlled in the range of about 20 to 35%, specifically about 22 to 30%.
  • the content of the cluster form in platinum is out of a certain range (ie, when the monoatomic content is too high or low)
  • the dehydrogenation reaction activity is reduced, so that it is difficult to improve the reversibility of the hydrogenation / dehydrogenation reaction
  • the heat treatment may be performed under a temperature condition of, for example, about 300 to 800 °C, specifically about 400 to 750 °C, and more specifically about 500 to 700 °C.
  • the temperature increase rate is, for example, about 1 to 15 °C / min (specifically about 1.5 to 12 °C / min, more specifically about 2 to 10 °C / min), and the heat treatment time, for example, about 3 to 60 hours (specifically, about 5 to 50 hours, and more specifically, about 10 to 40 hours), it may be advantageous to appropriately adjust the ratio in consideration of a desired ratio of single atoms and clusters.
  • reduction treatment may be additionally performed to activate a catalyst for hydrogenation/dehydrogenation reaction, which is an end use.
  • a catalyst for hydrogenation/dehydrogenation reaction which is an end use.
  • hydrogen, carbon monoxide, methane or a combination thereof may be used, and more typically, reduction treatment may be performed under a hydrogen atmosphere.
  • the reduction treatment temperature may be, for example, in the range of about 300 to 600 °C (specifically about 350 to 550 °C, more specifically about 400 to 500 °C).
  • the heating rate may be, for example, about 1 to 10 °C / min, specifically about 4 to 6 °C / min.
  • the reduction treatment time may be set within the range of, for example, about 1 to 10 hours, specifically about 2 to 5 hours.
  • the pressure (partial pressure of the reducing gas) during the reduction treatment is not particularly limited, but is, for example, in the range of about 1 to 5 bar, specifically about 1.5 to 4 bar, and more specifically about 2 to 3 bar.
  • the above-described reduction treatment conditions may be understood as illustrative, and are not necessarily limited thereto.
  • a catalyst in which platinum as an active metal is supported on an alumina support for example, in a completely reduced (ie, elemental) state or a partially reduced (or oxidized) state, specifically in a completely reduced state, can be prepared. there is.
  • a liquid organic hydrogen carrier may be used as a hydrogen storage material, which liquid organic hydrogen carrier system is composed of hydrogen-lean and hydrogen-rich organic compounds, and is a repeating liquid phase or Hydrogen can be stored and released through catalytic hydrogenation and dehydrogenation cycles in the gas phase.
  • handling hydrogen in the form of a liquid organic hydrogen carrier can utilize existing fuel facilities and, unlike hydrogen storage by hydrogenation of a gas (eg carbon dioxide or nitrogen), can release hydrogen from a liquid organic hydrogen carrier.
  • pure hydrogen can be produced after condensation of a carrier compound having a relatively high boiling point.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the above-described platinum-supported catalyst is a liquid organic hydrogen carrier composed of a nitrogen-containing heterocyclic liquid organic hydrogen carrier and a hydrocarbon (specifically, an aromatic hydrocarbon-based liquid organic hydrogen carrier such as dibenzyltoluene). It can be effectively applied to a wide range of liquid organic hydrogen carriers including hydrogen carriers). Such compounds may typically have at least one conjugated bond in the molecule.
  • the liquid organic hydrogen carrier may be at least one (hydrogen-lean form) selected from compounds represented by the following general formulas 1 to 9:
  • R 8 , R 9 , R 10 , R 11 , R 12 , R 13 , R 14 , R 15 , R 16 , R 17 and R 18 are each hydrogen or an alkyl group of C 1 to C 6
  • X is -(CHR 19 ) n - (n is an integer of 1 to 3
  • R 19 is H, OH, or a C 1 to C 6 alkyl group
  • Y is CH or N.
  • the exemplified liquid organohydrogen carrier compounds can exhibit a melting point in the range of about 100 ° C or less, specifically about 0 to 80 ° C, more specifically about 10 to 60 ° C, and can maintain a liquid phase at room temperature , and may also have a boiling point in the range of about 380 °C or less, specifically about 130 to 350 °C, more specifically about 180 to 300 °C. Due to these melting point and boiling point characteristics, the hydrogen storage and release system using a liquid organic hydrogen carrier has the advantage of omitting the use of a separate solvent and/or additive for improving reactivity.
  • a catalyst in which platinum as an active metal is supported on an alumina support in a mixed form of single atoms and clusters is suitable for performing hydrogen storage and release in a manner of repeating the hydrogenation/dehydrogenation cycle of the liquid organic hydrogen carrier.
  • a method for storing and releasing hydrogen may involve contacting an organic compound (specifically in liquid form) that is a liquid organic hydrogen carrier with the aforementioned platinum-supported alumina catalyst in a reaction system.
  • the active metal (Pt)/LOHC ratio (M/R) in the catalyst is, for example, about 0.05 to 0.4 mol%, specifically about 0.07 to 0.35 mol%, and more specifically about 0.1 to 0.3 mol%. range can be set.
  • the M/R ratio can be distinguished in the hydrogenation reaction and the dehydrogenation reaction, for example, it is set relatively high in the hydrogenation reaction, whereas it can be set relatively low in the dehydrogenation reaction.
  • the M/R ratio when the M/R ratio is too low, insufficient reaction activity may be exhibited because there is a limit to lowering the activation energy of the reaction.
  • the M/R ratio when the M/R ratio is too high, the solid catalyst significantly increases in volume compared to the liquid reactant, forming an excessive slurry state, making it difficult to stir during the reaction process and diffusion limitation. A phenomenon in which the active points of can not be sufficiently utilized may be induced. Therefore, it may be advantageous to appropriately adjust the M/R ratio within the above range.
  • the ratio may vary depending on the type of hydrogen storage compound used.
  • the ratio of M / R in the hydrogenation reaction is controlled in the range of, for example, about 0.1 to 0.4 mol% (specifically about 0.15 to 0.35 mol%, more specifically about 0.2 to 0.3 mol%).
  • the ratio of M / R in the dehydrogenation reaction (hydrogen release) is, for example, about 0.05 to 0.15 mol% (specifically about 0.07 to 0.13 mol%, more specifically about 0.09 to 0.12 mol%). range can be adjusted.
  • a hydrogenation reaction may be performed to store hydrogen in a hydrogen storage material (liquid organic hydrogen carrier), the hydrogenation reaction temperature being, for example, about 50 to 250 ° C, specifically about 80 to 220 ° C, More specifically, it may range from about 100 to 190 °C.
  • the hydrogenation reaction pressure may range, for example, from about 5 to 100 bar, specifically from about 20 to 80 bar, more specifically from about 25 to 70 bar, particularly from about 30 to 50 bar.
  • the hydrogenation reaction time is not particularly limited, but may be, for example, about 0.5 to 24 hours, specifically about 1 to 12 hours, and more specifically 1.5 to 6 hours.
  • the hydrogenation reaction efficiency (defined as the number of moles of hydrogen stored by the actual hydrogenation reaction compared to the number of moles of hydrogen that can be theoretically stored in 1 mole of the dehydrogenation reactant) by using the above-mentioned platinum / alumina supported catalyst Silver can be, for example, at least about 62%, specifically at least about 90%, and more specifically at least about 96%.
  • the selectivity for the hydrogenation product corresponding to the hydrogen storage compound may be, for example, at least about 58%, specifically at least about 90%, and more specifically at least about 99%.
  • a dehydrogenation reaction may be performed to release hydrogen from a hydrogen storage material (liquid organic hydrogen carrier). Since this dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, it is a higher reaction than the hydrogenation reaction (exothermic reaction) of the same hydrogen storage material. It may be carried out at a temperature (eg, about 50 to 150 ° C., specifically about 60 to 120 ° C., more specifically about 80 to 100 ° C. higher than the hydrogenation reaction temperature). According to an exemplary embodiment, the dehydrogenation reaction temperature may range, for example, from about 100 to 350 °C, specifically from about 150 to 320 °C, and more specifically from about 180 to 290 °C.
  • the dehydrogenation reaction pressure may be at a low level compared to the pressure conditions of the hydrogenation reaction, for example, about 1 to 10 bar, specifically about 1 to 5 bar, more specifically, atmospheric pressure conditions. there is.
  • the dehydrogenation reaction time is not particularly limited, but may be set in the range of, for example, about 0.5 to 24 hours, specifically about 2 to 12 hours, and more specifically about 3 to 8 hours.
  • the dehydrogenation reaction efficiency (defined as the number of moles of hydrogen produced by the actual dehydrogenation reaction compared to the number of moles of hydrogen that can be theoretically released from 1 mole of the hydrogenation reactant) by using the above-described catalyst is, for example For example, it may be at least about 50%, specifically at least about 60%, and more specifically at least about 86%.
  • the hydrogenation / dehydrogenation reaction may be carried out using a known reactor known in the art, such as a batch reactor, a continuous reactor, a semi-continuous reactor, etc., in particular, a liquid organic hydrogen carrier, particularly a relatively high boiling point
  • a stirrer may be provided in the reactor as hydrogenation and dehydrogenation reactions can occur in the liquid phase.
  • the reaction may be carried out in a fixed bed reactor using a particulate catalyst.
  • a sample dispersed in methanol was dropped on a Cu grid specimen using a transmission electron microscope (TEM, HAADF-STEM, JEOL, TEM2100F), dried in a vacuum oven at 60 ° C for more than 20 hours, and metal particles supported on the support size was measured.
  • TEM transmission electron microscope
  • CO-DRIFT chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform
  • the gel solids mixed for 20 minutes were placed in a crucible and calcined for 5 hours under a heat treatment temperature condition of 600° C. (heating rate: 2° C./min).
  • heat treatment temperature condition 600° C.
  • reduction treatment using hydrogen was performed (500 ° C., 5 ° C./min, 3 hours), and reaction activity was compared with respect to the reduced catalyst (the platinum / alumina catalyst prepared according to the example was M3PtA x_y ( x; calcination temperature, y; calcination time) (platinum loading 3 wt%)
  • platinum/alumina catalysts with various platinum loading amounts (1 wt%, 2 wt%, and 5 wt%) were subjected to the same procedure. Prepared according to the activity was evaluated.
  • a 3 wt% Pt metal precursor solution (0.182 g of [Pt(NH 3 ) 4 ](NO 3 ) 2 ) and 2 ml of distilled water were uniformly mixed with 3 g of commercial ⁇ -Al 2 O 3 (gA) by an impregnation method. After being physically supported through and dried in an oven at 100 °C, it was put into a crucible and fired for 5 hours (600 °C, 2 °C/min).
  • platinum/alumina catalysts having various platinum loadings (1 wt%, 2 wt%, and 5 wt%) were prepared according to the same procedure and their activities were evaluated.
  • Platinum-supported catalysts (MPtA) according to Examples (solid phase method) and platinum according to Comparative Example (impregnation method) carrying various amounts of platinum (1% by weight, 2% by weight, 3% by weight and 5% by weight) - XRD patterns for each of the supported catalysts (Pt/gA) are shown in FIG.
  • the size of the platinum crystal is different depending on the synthesis method.
  • the crystal sizes of Pt(111), (200), and (220) were large even at a low platinum content of 1 wt%.
  • the catalyst (Example) prepared by the solid phase method only Pt (111) crystals were formed even when 5% by weight of platinum was supported, which means that the catalyst according to the Example has more uniform platinum than the Comparative Example. indicates that they are well distributed.
  • platinum-supported catalysts according to Examples (solid phase method) and comparative examples (impregnation method) carrying various amounts of platinum (1% by weight, 2% by weight, 3% by weight and 5% by weight)
  • Dark field HAADF-STEM images of the platinum-supported catalyst (Pt/gA) are shown in FIGS. 2a and 2b, respectively.
  • peaks were formed at 2090 cm -1 , 2070 cm -1 and 2040 cm -1 .
  • the peak at 2060 cm -1 corresponding to the peak at 2070 cm -1 was formed relatively larger, and the peak at 2090 cm -1 corresponding to the monoatom was 1% by weight of platinum. Even if supported, it was hardly observed.
  • Platinum-supported catalysts according to Examples (solid phase method) and platinum according to Comparative Example (impregnation method) carrying various amounts of platinum (1% by weight, 2% by weight, 3% by weight and 5% by weight) -
  • a graph showing the H 2 -TPD results for each of the supported catalysts (Pt/gA) is shown in FIG. 4 .
  • the catalyst supported with 3 wt% of platinum showed the best activity in both hydrogenation and dehydrogenation reactions.
  • the catalyst loaded with 1 wt% of platinum showed the best activity, which is considered to be because the size of platinum increased as the amount of platinum supported increased.
  • this difference in activity is due to the difference in the size of the platinum particles supported on the alumina support according to the method of preparing the catalyst.
  • Example 1 M1PtA c600 5h_2 78.9 58.5 62.5
  • Example 2 M3PtA c600 5h_2 96.7 99.7 96.2
  • Example 3 M1PtA c600 40h_2 85.3 76.4 75.2
  • Example 4 M1PtA c600 5h_10 80.3 72.2 69.1
  • Example 5 M3PtA c600 40h_2 97.2 98.1 96.3
  • Example 6 M3PtA c600 5h_10 80.1 62.4 65.0
  • Example 1 M1PtA c600 5h_2 38.8 74.0 33.7
  • Example 2 M3PtA c600 5h_2 88.0 86.2 81.9
  • Example 3 M1PtA c600 20h_2 86.4 78.8 77.2
  • Example 4 M1PtA c600 40h_2 90.1 85.4 83.5
  • Example 5 M1PtA c600 5h_10 72.4 69.8 61.5
  • Example 6 M3PtA c600 20h_2 90.3 86.3 84.1
  • Example 7 M3PtA c600 40h_2 91.4 89.8 86.7
  • Example 8 M3PtA c600 5h_10 65.7 53.8 50.5
  • the catalyst (3Pt / gA) according to the comparative example rapidly decreased in catalytic activity when reused 5 times.
  • the XRD pattern before and after use was almost the same for the catalyst (M3PtA) according to the example, and platinum atoms and clusters were still found in STEM analysis. It was relatively unevenly distributed. This is considered to be due to the strong interaction between platinum and the alumina support in the catalyst (M3PtA) according to the embodiment.
  • the initial hydrogen release efficiency (55.7%) decreased by about two times to 27.4% when reused 5 times. It is believed that this is because the interaction between the platinum and the alumina support is weakened and the particle size increases due to the sintering of the platinum.
  • the catalyst (M3PtA) according to Example continuously maintains the initial hydrogen storage and release efficiency under the same reaction conditions for hydrogenation and dehydrogenation, whereas the catalyst (3Pt/gA) according to Comparative Example is hydrogen The storage and release efficiencies showed a continuous decrease.
  • Example catalyst name M/R (%) Temperature (°C) Reaction time (h) Reaction efficiency (%) H 10 -quinolin
  • Example 1 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 53.5 Comparative Example 1 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 43.3 H 12 -MBP
  • Example 2 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 64.1 Comparative Example 2 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 54.8 H 12 -NEC
  • Example 4 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 46.2 Comparative Example 4 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 30.7 H 12 -BT
  • Example 5 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 83.1 Comparative Example 5 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 52.3 H 18
  • Platinum-supported catalysts were prepared according to the solid phase method (platinum supported amount: 1 wt%, 3 wt%, and 5 wt%) while varying heat treatment conditions (heat treatment temperature, time, and heating rate). At this time, the number of single atoms and clusters (additionally, nanoparticles larger than the cluster) was measured from the dark-field HAADF-STEM image to calculate the cluster content in the supported platinum. The results are shown in Table 7 below (reaction conditions: 250 ° C., 1 bar, 4 hours, noble metal (mol) / reactant (mol) 0.1%).
  • the firing conditions corresponding to a are 600 ° C, 5 h (heating rate 2 ° C / min)
  • the firing conditions corresponding to b1 are 600 ° C, 40 h (heating rate 2 ° C / min)
  • the firing conditions corresponding to b2 It indicates that the firing conditions are 600 ° C., 5 h (heating rate 10 ° C./min).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 개시 내용에서는 고상법을 기반으로 하여 활성 금속으로서 단원자(single atom) 및 클러스터(cluster) 형태가 혼재된 백금(Pt) 금속이 알루미나 지지체에 담지된 수소화/탈수소화 촉매 및 이를 이용하여 높은 선택적 전환율 및 고효율로 수소를 가역적으로 저장 및 방출할 수 있는 기술이 기재된다.

Description

수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법
본 개시 내용은 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 고상법을 기반으로 하여 활성 금속으로서 단원자(single atom) 및 클러스터(cluster) 형태가 혼재된 백금(Pt) 금속이 알루미나 지지체에 담지된 수소화/탈수소화 촉매 및 이를 이용하여 높은 선택적 전환율 및 고효율로 수소를 가역적으로 저장 및 방출할 수 있는 기술에 관한 것이다.
화석연료의 매장량 감소, 연소 시 발생하는 오염 물질 및 이산화탄소로 인한 지구 온난화 등의 환경오염 문제가 심각하게 대두됨에 따라 대체 에너지 개발에 대한 전 세계적인 관심 및 수요가 폭발적으로 증가하고 있다.
대체 에너지원으로서 풍력, 조력, 지열, 수소 에너지, 태양 에너지 등과 같은 신재생 에너지가 각광받고 있는 바, 상기 열거된 에너지원 각각마다 장단점을 갖고 있다. 이와 관련하여, 신재생 에너지는 시간 및 자연 환경에 따른 에너지원의 불안정성으로 인하여 원활한 수요 및 공급이 곤란하므로, 종래의 화석연료를 효과적으로 대체하기 위하여는 안정적으로 에너지를 공급할 수 있도록 잉여 에너지를 저장하고 공급하는 기술에 대한 개발이 필요하다.
이러한 관점에서, 수소 에너지는, (i) 단위 질량 당 가장 에너지 효율이 높고, (ii) 연소 시 물만 발생할 뿐, 다른 유해한 부산물이 없으며, (iii) 수소의 주된 소스인 물은 자연에 풍부하며 사용 후 물로 전환되므로 재사용 면에서 유리하고, 그리고 (iv) 수소를 연료로 사용하는 분산 전원으로 정밀산업 및 IT 산업경쟁력을 확보하는데 적합하기 때문에 특히 주목받고 있다. 더욱이, 수소는 태양에너지, 풍력 등과 같은 다른 신재생 에너지를 이용하여 생산할 수 있고, 다양한 에너지원뿐만 아니라, 다른 산업분야(예를 들면, 각종 석유화학 분야)에서도 광범위하게 적용될 수 있는 등, 국내외에서 미래의 핵심 에너지원으로 부상하고 있다.
일반적으로 수소 에너지의 연구 개발은 크게 수소의 제조 분야, 운반(수송) 분야, 및 저장 분야로 구분되는데, 수소는 질량 대비 에너지 저장 능력이 우수한 반면, 체적 대비 에너지 저장 능력은 낮기 때문에 수소를 효율적으로 저장하는 기술이 수소 에너지의 실용화에 가장 큰 장애 요인으로 작용하고 있다. 예를 들면, 77 K 조건에서 10 중량% 이상의 질량 저장밀도를 갖는 물질이 알려졌으나, 이러한 물질들의 부피저장 밀도는 40 g/L로서 실제 수소 저장 물질로 사용하기 위하여는 체적 저장밀도가 낮은 편이다. 따라서, 최대한 가볍고 부피가 작은 저장 매체에 가급적 많은 량의 수소를 저장하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 관련하여, 각국은 수년간 많은 연구 개발비를 투자하였고, 지금까지 연구 개발된 수소의 효율적인 저장 방법은 700 bar의 압력을 이용해 수소를 압축하는 CGH2 방법 및 영하 253 ℃에서 액화시켜 액체 수소를 보관하는 LH2 방법이 있다. 그러나 이러한 가압 또는 액화 방식은 낮은 온도를 유지해야 하며, 액상 수소의 밀도 역시 71.2 kg/㎥으로 낮은 수준이다.
이에 대한 대안으로서 수소 저장능을 갖는 물질, 예를 들면 무기-유기 골격구조체(Metal-organic frameworks; MOFs), 탄소나노튜브, 제올라이트, 활성탄 등의 다공성 유기 또는 무기 나노소재, 메탈하이드라이드 등이 수소 에너지를 효과적으로 저장하는 물질로서 관심을 받고 있다(Nature, 427, 523 (2004); J. Am. Chem. Soc., 127, 14904 (2005); 일본특허공개번호 제2008-95172호, 제2011-131120호 등). 그러나, MOFs, 다공성 나노 소재의 물리적 흡수에 의한 상온 기상 수소 저장 기술의 경우, 에너지 저장 밀도가 상대적으로 낮고, 수소의 저장 및 탈착 시 요구되는 에너지가 비교적 크기 때문에 소형화 및 모듈화가 곤란하다.
최근에는 유기물, 구체적으로 액체 유기 수소 운반체(LOHC; Liquid Organic Hydrogen Carrier)를 이용한 가역적 촉매 수소화/탈수소화 반응에 의한 수소 저장 기술이 개발된 바 있다(미국특허번호 제7,901,491호 등). LOHC 기술은 미국 에너지부 (DOE)의 권고안인 5 중량% 이상의 수소를 저장할 수 있으며, 낮은 압력 범위에서 운전할 수 있고, 저장 물질을 용이하게 재생할 수 있는 등의 장점을 갖고 있고, 또한 액상 화석 연료의 장점인 취급성 및 높은 에너지 밀도로 인하여 기존의 액체 연료 수송 및 저장 인프라를 이용한 효율적인 수송 및 저장이 가능한 실용적인 수소 저장 시스템을 제공할 수 있다(Energy Rev., 6 (2002) 141, Energy Environ. Sci., 8 (2015) 1035-1045).
LOHC 물질로서 파이-공액 기재 형태의 화합물을 이용하는 기술이 알려져 있으나(예를 들면, 미국특허번호 제7,351,395호 등), 파이-공액으로 인하여 일률적인 반응성을 확보하기 곤란하고, 또한 대부분 고상으로 존재하므로 혼합물 형태로 사용된다. 상술한 곤란성을 완화하고자, 수소 저장 물질로서 벤질톨루엔 및 디벤질톨루엔을 사용하는 기술도 알려져 있다(예를 들면, 국내특허공개번호 제2015-97558호 등). 이러한 수소 운반체는 상온에서 액상으로 존재하며, 280 ℃ 이상의 비점을 갖기 때문에 활용 측면에서 제약은 거의 없으나, 탄화수소 구조의 한계로 인하여 수소화 및 탈수소화 반응 효율을 높이는데 한계가 있다.
한편, LOHC를 이용한 수소 저장/방출 시스템을 상용화하기 위하여는 수소 저장 물질의 개발 이외에도 다양한 기술 요인을 고려해야 한다. 이중 촉매에 있어서는, 수소화/탈수소화 반응의 활성 및 가역성, 촉매의 안정성(재사용 가능성), 상용 공정에 적합한 LOHC의 적용 가능성 등이 검토되어야 한다.
이와 관련하여, 양호한 수소화 활성을 갖는 것으로 알려진 백금을 담지한 촉매를 이용한 LOHC 기반의 수소 저장 및 방출 프로세스를 고려할 수 있다. 백금 담지 촉매의 경우, 일반적으로 수소를 쉽게 수소 원자로 해리할 수 있기 때문에 수소첨가분해반응(hydrogenolysis) 또는 수소화 반응(hydrogenation)과 같은 수소 기체를 반응물과 접촉하는 반응에 효과적이다. 또한, LOHC 시스템에서는 고리 화합물을 통하여 수소를 방출하기 위한 활성점으로 작용하여, 탈수소화 반응 (dehydrogenation)에도 효과적일 수 있다.
그러나, LOHC의 수소화/탈수소화 반응에 백금-담지 다공성 알루미나 지지체 촉매를 사용한다 해도, 활성 금속의 분산도가 높지 않기 때문에 여전히 탈수소화(수소 방출) 활성이 불충분할 수 있다. 또한, 백금-담지 알루미나 촉매는 전형적으로 함침법에 따라 제조되고 있는데, 알루미나 지지체를 합성하고, 금속을 담지하기 위하여는 복수의 단계를 수반하기 때문에 촉매 제조에 장시간이 소요되어 상용화 측면에서 불리하다. 특히, 알루미나 고유의 특성으로 인하여 촉매 안정성을 어느 정도 확보할 수 있으나, 추가적으로 개선된 성능을 달성하는데 한계가 있다.
또한, 기존의 수소화/탈수소화 촉매의 경우, 주로 질소-함유 헤테로고리를 갖는 LOHC 시스템을 중심으로 비교적 양호한 수소 저장/방출 성능을 나타내고 있으나, 상용 업체에서는 데칼린과 같이 탄화수소로만 이루어지는 LOHC에서도 양호한 수소 저장/방출 성능을 제공할 수 있는 기술에 대한 요구가 높은 실정이다.
따라서, 종래에 알려진 금속-담지 촉매, 특히 백금-담지 촉매에 비하여 수소화/탈수소화 반응 활성 및 가역성 면에서 보다 양호할 뿐만 아니라, 다양한 종류의 LOHC에 대하여도 양호한 성능을 제공하는 촉매가 요구되고 있다.
본 개시 내용의 일 구체예에서는 액체 유기 수소 운반체에 대한 수소화/탈수소화 반응 효율 및 가역성, 장기 안정성, 액체 유기 수소 운반체의 확장성 등에 있어서 개선된 성상을 갖는 촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 전술한 촉매를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장/방출 공정을 제공하고자 한다.
본 개시 내용의 제1 면에 따르면,
액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 촉매로서,
알루미나 지지체, 및
상기 알루미나-함유 지지체에 담지되는 활성 금속으로서 단원자 형태 및 클러스터 형태를 포함하는 백금;
을 포함하며,
촉매 내 백금의 함량(원소 기준)은 0.01 내지 10 중량%이고, 그리고
상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 10 내지 55% 범위인 촉매가 제공된다.
본 개시 내용의 제2 면에 따르면,
액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 촉매의 제조방법으로서,
a) 적어도 하나의 알루미나 전구체, 적어도 하나의 백금 전구체 및 염기 성분을 포함하는 혼합물에 외부 에너지를 가하면서 용매의 부존재 하에서 고상 반응을 수행하여 겔 형태의 촉매 고형물을 형성하는 단계; 및
b) 상기 촉매 고형물을 산소-함유 분위기 하에서 열 처리하여 단원자 및 클러스터 형태를 포함하는 백금을 알루미나-함유 지지체에 담지시키는 단계;
를 포함하며,
촉매 내 백금의 함량(원소 기준)은 0.01 내지 10 중량% 범위이고, 그리고
상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 10 내지 55% 범위인 방법이 제공된다.
본 개시 내용의 제3 면에 따르면,
액체 유기수소 운반체를 촉매의 존재 하에서 수소를 저장하는 수소화 단계; 및
상기 수소화된 액체 유기 수소 운반체로부터 촉매의 존재 하에서 수소를 방출시키는 탈수소화 단계를 포함하며,
상기 수소화 단계 및 상기 탈수소화 단계 중 적어도 하나에 사용되는 촉매는,
알루미나 지지체, 및
상기 알루미나-함유 지지체에 담지되는 활성 금속으로서 단원자 형태 및 클러스터 형태를 포함하는 백금;
을 포함하며,
촉매 내 백금의 함량(원소 기준)은 0.01 내지 10 중량%이고, 상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 10 내지 55% 범위인 촉매이고, 그리고
상기 수소화 단계 및 탈수소화 단계가 교대로 수행됨에 따라 수소를 저장하거나 수소를 방출하는 방법이 제공된다.
본 개시 내용의 구체예에 따르면, 촉매 내 알루미나 지지체 상에 단원자 형태의 백금 및 클러스터 형태의 백금을 포함하는 백금이 활성 금속으로 담지됨에 따라 질소-함유 액체 유기수소 운반체뿐만 아니라, 탄화수소로 이루어지는 액체 유기수소 운반체 모두에 대하여 양호한 수소화(수소 저장)/탈수소화(수소 방출) 활성을 달성할 수 있으며, 특히 수소화/탈수소화 가역성을 개선하는 장점을 제공한다. 또한, 본 개시 내용의 다른 구체예에서는 용매의 사용 없이도 백금 전구체 및 알루미나 전구체를 포함하는 원료 혼합물에 대하여 밀링과 같은 간단한 물리적 또는 기계적 외부 에너지를 가하는 방식으로 단일 단계 반응을 수행하고, 특히 열 처리 또는 소성 조건을 조절하여 백금의 존재 형태에 영향을 미치는 방식으로 전술한 백금-담지 알루미나 촉매 특유의 성상을 구현할 수 있다. 이와 같이 제조된 촉매는 비교적 높은 촉매 제조비용 및 시간이 소요되는 함침법 등의 2 단계 촉매 제조 방식의 기술적 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응 시 개선된 활성을 장기간에 걸쳐 유지하는 등, 복합적인 장점을 제공할 수 있다.
도 1은, 다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA) 각각에 대한 XRD 패턴이고;
도 2a 및 도 2b는, 각각 다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA)에 대한 암시야(dark field) HAADF-STEM 사진이고;
도 3은 다양한 함량의 백금을 담지한, 실시예(고상법; Pt 담지량: 1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법; Pt 담지량: 1 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA) 각각에 대한 CO-DRIFT 스펙트럼 그래프이고;
도 4는 다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA) 각각에 대한 H2-TPD 결과를 나타내는 그래프(도면 내 수치는 수소 흡착량(단위: mmol gPt -1))이고;
도 5a 및 도 5b는 각각 다양한 함량의 백금(1 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA)에 대한 EXAFS 피팅 결과를 보여주는 그래프(참고 물질은 Pt 포일 및 PtO2임)이고;
도 6a 및 도 6b는 각각 다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA)를 이용한 수소화 및 탈수소화 반응 효율을 비교한 그래프이고;
도 7은 소성 조건 변화에 따른 Pt-담지 촉매(담지량: 1 중량% 및 3 중량%)에 대한 XRD 패턴(a, b) 및 H2-TPD 결과(c, d)를 나타내는 그래프이고;
도 8은 소성 조건 변화에 따른 Pt-담지 촉매에 대한 HAADF-STEM 사진(도 8a 및 도 8b는 담지량 3 중량%, 그리고 도 8c 및 도 8d는 담지량 1 중량%)이고;
도 9는 소성 조건 변화에 따른 Pt-담지 촉매에 대한 탈수소화 반응의 시간에 따른 수소방출 곡선(도 9a는 담지량 3 중량%, 그리고 도 9b는 담지량 1 중량%)이고(반응조건: 250 ℃, 1 bar, 4 h, 귀금속(mol)/반응물(mol) 0.1%);
도 10은 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(M3PtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(3Pt/gA) 각각에 대한 촉매 장기안정성 평가를 위한 탈수소화 반응 결과를 나타내는 그래프이고(반응조건: 250 ℃, 1 bar, 4 h, 귀금속(mol)/반응물(mol) 0.1%);
도 11은 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(M3PtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(3Pt/gA) 각각의 반응 전후 XRD 패턴(a, b) 및 사용 후 촉매의 HAADF-STEM 사진(c, d)이고; 그리고
도 12a 및 도 12b는 각각 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(M3PtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(3Pt/gA)를 이용한 H0-BT의 수소 저장 및 방출 효율을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다(수소화 반응 조건: 150℃, 35 bar H2, 2 h; 탈수소화 반응 조건: 250 ℃, 4 h).
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아님을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.
"불균일계 촉매"는 촉매 반응 과정에서 반응물과 상이한 상(phase)으로 존재하는 촉매를 의미할 수 있는 바, 예를 들면 반응 매질 내에서 용해되지 않는 촉매를 의미할 수 있다. 불균일계 촉매의 경우, 반응이 일어나기 위하여는 적어도 하나의 반응물이 불균일계 촉매의 표면으로 확산되어 흡착되어야 하며, 반응 후에는 생성물이 불균일계 촉매의 표면으로부터 탈착될 필요가 있다.
"지지체(support)"는 촉매 활성 성분이 부착된 높은 비표면적을 갖는 재료(전형적으로 고상 재료)를 의미할 수 있다.
"단원자(single atom) 형태의 활성 금속"은 지지체에 부착 또는 고정되는 활성 금속이 원자 형태로 단리되거나(isolated) 개별화된 상태로 존재하는 것으로 이해될 수 있다.
"클러스터(cluster) 형태의 활성 금속"은, 예를 들면 약 5 nm 이하의 사이즈, 구체적으로 약 3 nm 이하의 사이즈, 보다 구체적으로 약 2 nm 이하의 사이즈를 갖는 활성 금속(즉, 적어도 2개의 활성 금속 원자의 집합)이 지지체에 부착 또는 고정되는 것으로 이해될 수 있다.
"수소화(hydrogenation)"는 수소의 공급 하에서 화합물을 촉매와 접촉시켜 화합물의 적어도 일부분에 수소를 화학적으로 부가함으로써 화합물 내 수소 함량을 증가시키는 반응을 의미할 수 있다.
"탈수소화(dehydrogenation)"는 화합물 내 수소가 제거되고, 더 나아가 제거된 수소를 화합물로부터 방출하는 반응을 의미할 수 있다.
"함침법(impregnation)"은 촉매 전구체를 용해시킨 용액을 별도로 합성된 지지체에 함침시킨 다음, 필요시 건조 및/또는 소성(또는 환원) 처리 과정을 거치는 방식으로 촉매를 제조하는 방법을 의미할 수 있다.
"염"은 포괄적으로는 금속 양이온이 무기 음이온 또는 유기 음이온 종과 결합된 화합물을 의미할 수 있다.
전체적인 개시 내용
본 개시 내용의 일 구체예는 종래에 수소화/탈수소화 반응용 촉매로 알려진 백금-담지 알루미나 촉매가 액체 유기수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출(즉, 수소화 및 탈수소화) 프로세스에 적용되는 경우에 양호한 수소화/탈수소화 반응의 가역성을 확보하기 곤란한 점, 촉매의 장기 안정성이 저하되어 반복적인 수소 저장 및 방출 시스템의 운전이 곤란한 점, 제한된 종류의 액체 유기수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출에 적용 가능한 점 등과 같은 기술적 한계를 일거에 해결할 수 있다.
일반적으로 촉매 내 활성 금속인 금속(특히, 나노미터 수준의 금속 입자)의 사이즈는 반응 활성에 중대한 영향을 미치는 요인으로 작용한다. 즉, 동일한 표면적을 갖는 지지체에 동일한 량의 활성 금속을 담지할 경우, 금속의 사이즈를 최소화할수록 동일한 지지체에 담지되는 금속 활성 점의 수가 증가하게 된다. 따라서, 활성 금속의 분산도를 높여 배위된 표면 원자의 비율을 증가시킴으로써 금속 원자 당 촉매 활성을 촉진시킬 수 있다.
이와 관련하여, 원자 단위(단원자 형태)로 지지체에 결합되어 있는 단원자 촉매(single atom catalyst : SAC)는 촉매의 활성점을 증가시키는데 효과적이기는 하나, 표면 에너지가 크기 때문에 고온에서 응집 또는 뭉침 현상(aggregation)을 유발하여 입자 크기가 증가하는 경향을 나타낸다. 반면, 클러스터 형태로 담지된 촉매의 경우, 복수의 금속 원자와 리간드가 결합되며, 다른 금속 산화물과 유사하게 조직적인 구조를 갖기 때문에 촉매 안정성 면에서 우수하다. 본 구체예에 따른 백금-담지 촉매는 종래의 함침법으로 제조된 합성된 촉매에 비하여 넓은 표면적에 고르게 금속을 분산시켜 활성을 증진시킬 수 있으며, 특히 단원자 및 클러스터가 조합(혼합)된 형태의 백금을 담지하고 있어 단원자 및 클러스터 각각의 장점을 일거에 구현함으로써 단원자 형태 및 클러스터 형태 각각으로부터 예상되는 정도를 초과하는 효과를 제공할 수 있다. 특히, 함침법에 의하여 제조되는 경우에는 클러스터에 비하여 큰 입자(particle) 형태로 담지되는 바, 이는 본 구체예에 따른 촉매가 종래 기술에 따른 백금-담지 촉매와 명확히 차별화되는 요소에 해당된다.
이처럼, 본 구체예에 따른 백금-담지 촉매의 경우, 촉매 합성법을 통하여 백금이 단원자 및 클러스터의 조합을 포함하는 형태로 담지되어 단일 반응기 내에서도 기상 또는 액상의 수소화 및 탈수소화 반응 모두에 대하여 우수한 촉매 활성은 물론, 양호한 가역성을 나타낼 수 있으며, 더 나아가 촉매의 장기안정성 면에서도 개선된 성상을 제공할 수 있다. 특히 주목할 점은, 담지되는 활성 금속(백금) 중 클러스터(또는 단원자) 형태의 백금 비율을 소정 범위에서 적절히 조절할 경우, 액체 유기 수소 운반체를 이용한 수소 저장/방출 반응에 있어서, 수소 저장 효율에 비하여 개선하기 어려운 백금계 촉매의 수소 방출 효율을 효과적으로 증가시킬 수 있다는 것이다.
수소화/탈수소화 촉매
본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 수소화/탈수소화 반응, 구체적으로 다양한 범위의 액체 유기 수소 운반체, 구체적으로 질소-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기 수소 운반체뿐만 아니라 탄화수소로만 이루어지는 액체 유기 수소 운반체 모두에 대하여 수소화/탈수소화 반응을 통한 수소의 저장/방출에 적합한 촉매(즉, 불균일계 촉매)가 제공된다.
이와 관련하여, 수소화/탈수소화 촉매는, 크게 다공성 알루미나-함유 지지체에 활성 금속으로서 백금을 포함하는 담지 촉매이며, 특히 백금은 단원자 및 클러스터의 혼합 형태로 지지체 상에 분산 담지된 상태일 수 있고, 또한 결정(crystallites) 형태일 수 있다. 이때, 백금 결정은 (111) 면을 주로 함유할 수 있다. 또한, 촉매 내 백금은 산화 상태 및/또는 환원 상태(또는 원소 상태 또는 부분적 환원 상태)일 수 있으며, 보다 구체적으로 환원 상태일 수 있다. 이때, 환원 상태는 산화된 상태(소성 처리된 상태)의 촉매를 환원 처리하는 방식으로 구현할 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 촉매 내 백금의 함량(담지량)은, 원소 기준으로, 예를 들면 약 0.01 내지 10 중량%, 구체적으로 약 0.1 내지 5 중량%, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 3 중량% 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 촉매 내 백금은 약 5 nm 이하, 구체적으로 약 3 nm 이하, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 2 nm 범위의 사이즈를 갖는 단원자 및 클러스터의 조합 형태일 수 있다. 백금 사이즈가 일정 수준을 초과할 경우에는 지지체 상에 담지되는 금속의 분산도 저하로 인하여 반응 효율이 감소하는 만큼, 전술한 범위 내에서 조절되는 것이 유리할 수 있으나, 반응 조건 등에 따라 상기 수치 범위에서 다소 변경될 수도 있다.
한편, 본 구체예에서 수소화/탈수소화 촉매의 지지체는 알루미나-함유 지지체일 수 있다. 이러한 알루미나는 메조다공성 알루미나일 수 있고, 전형적으로 잉크 병 (ink-bottle) 또는 채널 형 포어(세공) 연결성을 나타낼 수 있는 바, 수소화/탈수소화 반응에 있어서 상대적으로 높은 표면적, 높은 충진 밀도, 열적 안정성, 물리적 강도 및 재생력을 나타낼 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 촉매 내 지지체의 BET 비표면적은, 예를 들면 적어도 약 300 ㎡/g, 구체적으로 약 320 내지 400 ㎡/g, 보다 구체적으로 약 350 내지 380 ㎡/g 범위일 수 있다. 이러한 비표면적은 종래에 다양한 화학 반응에서 사용된 감마-알루미나 지지체에 비하여 현저히 높은 수준인 바, 활성 금속인 백금을 효과적으로 분산시키는데 적합하다.
예시적 구체예에 따르면, 촉매 내 지지체의 포어 체적은, 예를 들면 약 0.4 내지 0.55 ㎤/g, 구체적으로 약 0.42 내지 0.5 ㎤/g, 보다 구체적으로 약 0.45 내지 0.49 ㎤/g 범위일 수 있다. 또한, 촉매 내 지지체의 포어 사이즈(크기)는, 예를 들면 약 3 내지 4.5 nm, 구체적으로 약 3.5 내지 4.3 nm, 보다 구체적으로 약 3.8 내지 4.1 nm 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 촉매의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니나, 촉매의 안정성 및 효율을 고려하면 볼 형상, 태블릿 형상, 그래뉼 형상, 펠렛 형상 등의 구조물로 적용할 수 있다. 이때, 촉매의 사이즈(또는 직경)는, 예를 들면 약 0.1 내지 10 mm, 구체적으로 약 0.5 내지 5 mm, 보다 구체적으로 약 1 내지 3 mm 범위일 수 있으나, 이는 예시적 목적으로 이해될 수 있다.
본 구체예에 따른 백금-담지 알루미나 촉매는 넓은 범위의 액체 유기수소 운반체에 대한 수소화/탈수소화 반응 활성을 높일 수 있고, 특히 수소화/탈수소화 반응의 가역성을 개선할 수 있다. 더 나아가, 촉매를 구성하는 금속 성분 간 개선된 상호 작용에 의하여 수소화/탈수소화 반응의 지속적인 반복 운전 하에서도 양호한 촉매 활성(즉, 장기 안정성)을 유지할 수 있는 점은 종래의 백금-담지 촉매(전형적으로 함침법에 의하여 제조됨)과 구별된다.
촉매의 제조
본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 활성 금속인 백금이 단원자 및 클러스터의 조합 형태로 알루미나 지지체에 담지되는 액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 촉매의 제조방법이 제공된다.
이와 관련하여, 종래기술에서 통상적으로 적용되고 있는 함침법에 의하여 백금/알루미나 담지 촉매를 제조할 경우, 알루미나 지지체 상에 백금이 입자 형태로 존재하게 되고, 소정의 활성을 나타내기 위하여는 상대적으로 높은 함량의 백금을 담지할 필요가 있다. 그러나, 본 구체예에 따른 촉매 제조방법에서는 함침법(액상 금속 전구체 용액을 제조한 후에 이를 다공성 무기 산화물 지지체(구체적으로 알루미나)와 접촉시켜 지지체의 포어에 금속 전구체를 고정 또는 부착시키는 방식)의 경우에 금속 전구체 용액 제조에 필요한 용매를 사용하지 않으면서 백금 전구체 및 알루미나 전구체를 단일 단계로 반응시키고, 후속적으로 열 처리(구체적으로 산소-함유 분위기 하에서의 열 처리)를 수행하는 간단한 방식을 통하여 단원자 형태 및 클러스터 형태가 혼재된 백금을 선택적으로 알루미나-함유 지지체 상에 균일하게 분산시킴으로써 수소화/탈수소화 반응의 활성 및 가역성을 개선할 수 있고, 더 나아가 질소-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기 수소 운반체뿐만 아니라, 탄화수소로만 이루어지는 액체 유기 수소 운반체에 대하여도 액상 또는 기상 반응 시 우수한 수소화/탈수소화 활성을 갖는 촉매를 제조할 수 있다.
더욱이, 촉매의 장기 안정성을 향상시키기 위하여는 활성 금속과 지지체 사이에 강한 상호 작용이 요구되며, 또한 가급적 활성 금속을 지지체에 균일하게 분산 담지시키는 것이 바람직하다. 금속 산화물(metal oxide) 기반의 지지체로서 알루미나 지지체는 기본적으로는 활성 금속의 전구체와 강하게 결합되므로 촉매 안정성 면에서 효과적인 것으로 알려져 있으나, 함침법에 의한 알루미나 지지체로서 널리 사용되는 감마-알루미나의 경우, 활성 금속을 단원자 및 클러스터와 같은 미세한 사이즈로 균일하게 분산시키기 위한 성상(특히, 비표면적)을 제공하기 어렵다. 또한, 상대적으로 높은 비표면적을 갖는 알루미나를 지지체로 하여 함침법에 의하여 백금을 담지하는 경우에도, 제조 방식의 특성 상 최종 촉매의 비표면적을 획기적으로 증가시키는데 한계가 있고, 여전히 단원자 수준까지 백금 사이즈를 저감하기 곤란하다.
일 구체예에 따르면, 먼저 적어도 하나의 알루미나 전구체, 적어도 하나의 백금 전구체 및 염기 성분을 포함하는 전구체 혼합물을 제조한다.
예시적으로, 전구체 혼합물은 3가지 성분을 동시에 혼합할 수 있다. 택일적으로, 3가지 성분 중 2개의 성분을 먼저 혼합한 후에 나머지 성분을 첨가하는 방식으로 제조될 수도 있다. 예를 들면, 알루미나 전구체와 염기 성분을 먼저 혼합한 후에 백금 전구체를 첨가하여 혼합할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 백금 전구체는 백금의 유기산염 또는 무기산염, 착체 또는 이의 조합일 수 있다. 이러한 백금 전구체의 예는 PtF6, PtF4, [PtF5]4, PtCl3, PtCl4, Pt6Cl12, PtBr3, PtBr4, PtI2, PtI3, PtI4, PtO, PtO2, PtO, PtS, PtS2, Pt(CO)4, [PtCl2(NH3)2], [PtCl2(NH3)2], K2[PtCl6], K2[Pt(CN)4], PtCl4ㅇ5H2O, K[PtCl3(NH3)], Na2[PtBr6]·6H2O, (NH4)2[PtBr6], K2[PtI6], (NH4)2[PtCl6], K2[Pt(CN)6], (NH4)2[PtCl4], K2[Pt(NO2)4], K[PtCl3(C2H4)]·H2O, [Pt(NH3)4](NO3)2, H2PtCl6 등으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 구체예에 따르면, 백금 전구체로 [Pt(NH3)4](NO3)2를 사용할 수 있다.
또한, 알루미나 전구체는 알루미늄의 유기산염 또는 무기산염, 알콕사이드, 착체 또는 이의 조합일 수 있는 바, 이의 대표적인 예는 알루미늄아세테이트, 알루미늄아세틸아세토네이트, 알루미늄 브로마이드, 알루미늄 t-부톡사이드, 알루미늄 sec-부톡사이드, 알루미늄 펜톡사이드, 알루미늄 에톡사이드, 알루미늄 이소프록사이드, 알루미늄 트리부톡사이드, 알루미늄 클로라이드, 알루미늄 브로마이드, 알루미늄 이오다이드, 알루미늄 설페이트, 알루미늄 니트레이트 및 이의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 보다 구체적으로는 알루미늄 니트레이트 및/또는 이의 수화물을 사용할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 염기 성분은 암모늄카보네이트, 암모늄바이카보네이트, 암모늄 클로라이드, 암모늄 옥살레이트, 암모늄 설페이트, 암모늄 하이드록사이드, 암모늄 니트레이트, 리튬 하이드록사이드, 소디움 하이드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 칼슘 하이드록사이드 및 마그네슘 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로는 암모늄바이카보네이트를 사용할 수 있다. 이와 같이 염기를 사용하는 이유는 산성의 금속 전구체로부터 금속산화물을 형성함에 있어서, 염기 성분이 첨가되어 침전되면서 금속 염 및 물이 형성되는 중화 반응이 발생하기 때문이다.
예시적 구체예에 따르면, 전구체 혼합물 내 백금 전구체/염기 성분의 몰 비는, 예를 들면 약 0.0001 내지 0.1, 구체적으로 약 0.002 내지 0.05, 보다 구체적으로 약 0.008 내지 0.02의 범위일 수 있는 바, 염기의 사용량이 지나치게 적거나 많은 경우에는 합성의 최종 단계인 겔이 형성하는데 소요되는 시간이 더 짧아지거나 길어지고, 그 결과 원하는 결정상을 갖는 금속 산화물을 형성하기 곤란하고, 더 나아가 비표면적, 금속의 분산도, 입자 크기 등과 같은 촉매 성상에 영향을 미칠 수 있는 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 상기 범위는 전구체 및 염기의 종류에 따라 변경 가능하다. 또한, 전구체 혼합물 내 백금 전구체 및 알루미나 전구체 간의 혼합 비는 앞서 기재된 촉매 내 알루미나 지지체 및 백금 각각의 함량에 따라 결정될 수 있다.
일 구체예에 따르면, 전술한 전구체 혼합물을 제조하는 과정에서, 또는 이의 물리적 혼합물을 형성한 후에 외부 에너지를 가하면서 반응을 수행할 수 있으며, 함침법에서와는 달리 용매를 사용하지 않고 고상 형태의 전구체 간의 반응만을 수행한다. 이처럼, 고상법을 통하여 금속 전구체들(백금 전구체 및 무기 산화물(알루미나)의 전구체) 간에 보다 강한 상호 작용을 유도함으로써, 후술하는 바와 같이 고상 반응 후에 소성 또는 열처리 조건을 조절할 경우, 백금의 뭉침(또는 응집) 현상이 현저히 감소할 수 있고, 특히 백금이 단원자 및 클러스터의 조합 형태로 알루미나 지지체에 담지될 수 있다.
일 구체예에 따르면, 전술한 3가지 성분 간 고상 반응을 수행하기 위하여 인가되는 외부 에너지는 전형적으로 물리적 또는 기계적 에너지일 수 있으며, 예를 들면 밀링, 그라인딩 또는 분쇄와 같은 마찰 에너지 형태, 구체적으로 볼 밀에 의한 마찰 에너지일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 무용매 조건 하에서 백금 전구체와 알루미나 전구체 상호 간의 반응을 유도할 수 있는 한, 임의의 외부 에너지가 특별한 제한 없이 이용될 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 외부 에너지 인가 하에서의 고상 반응은, 예를 들면 약 5 내지 40 분, 구체적으로 약 10 내지 30 분, 보다 구체적으로 약 13 내지 25 분 동안 수행될 수 있으나, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있으며, 반응 스케일 등에 따라 반응 시간은 변경될 수 있다.
이때, 전구체 간 고상 반응이 진행됨에 따라 겔 형태의 촉매 고형물이 형성될 수 있다. 구체적으로, 고상 반응 과정, 또는 외부 에너지(예를 들면, 마찰 에너지)의 인가 하에서 혼합되는 과정에서, 염기 성분은 부분적 또는 완전하게 분해되는 바, 금속 전구체가 금속 염 형태인 경우에는 금속 양이온과 결합되어 있는 음이온 또는 음이온 종이 수산화물기로 치환될 수 있다. 그 과정에서, 전구체 및 염기로부터 유래하는 가스를 방출할 수 있다. 예를 들면, 염기로서 암모늄 바이카보네이트를 사용할 경우에는 주로 다량의 이산화탄소가 발생할 수 있다. 이와 같이 가스 방출 하에서 반응이 진행되면서 전구체들은 겔을 형성한 후, 고형화(solidification)에 의하여 경도가 증가하다가 다시 겔을 형성하는 과정을 거치게 되며, 결과적으로 겔 형태의 촉매 고형물을 얻을 수 있다.
그 다음, 고상 반응으로부터 형성된 촉매 고형물을 산소-함유 분위기(구체적으로 공기 분위기) 하에서 열 처리, 즉 소성(또는 하소)시켜 겔 형태의 촉매 고형물을 산화물로 전환시키는 단계가 수행될 수 있다. 이러한 열 처리 단계를 통하여 백금이 알루미나 지지체의 포어(기공) 내에 고르게 분산될 수 있다. 이때, 열 처리 조건을 조절하여 백금의 결정성에 영향을 미침으로써 백금의 단원자 및 클러스터가 적절한 비로 알루미나 지지체에 담지될 수 있음을 주목할 필요가 있다. 이와 관련하여, 열 처리 시간을 감소시키거나, 또는 승온 속도를 낮출 경우, 단원자 형태의 백금 비율이 증가하는 경향을 나타낸다.
다만, 전술한 바와 같이, 단원자 형태의 백금만으로 담지될 경우, 단원자 촉매로부터 기인하는 활성은 개선되는 반면, 액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응 시 수반되는 승온 조건에서 백금이 응집되므로 장기 안정성 측면에서 바람직하지 않다. 따라서, 본 구체예에서는 고상법에 의한 촉매 제조 과정 중 열처리 시간 및/또는 승온 속도를 조절하여 백금을 단원자 및 클러스터가 조합된 형태로 담지함으로써 촉매 활성 및 수소화/탈수소화 반응의 가역성을 양호한 수준으로 유지함과 동시에 수소의 저장/방출의 반복 운전에서도 장기 안정성을 확보할 수 있다. 이는 기존의 촉매에 관한 인식 수준에서는 예상치 못한 효과에 상당한다.
예시적 구체예에 따르면, 촉매 내 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 함량은, 예를 들면 HAADF-STEM(구체적으로 암시야 HAADF-STEM)에 의한 관찰을 통하여 결정할 수 있다. 이와 관련하여, 촉매 내 담지되는 백금 중 단원자 및 클러스터 각각의 개수(담지되는 백금 대부분이 단원자 및 클러스터로 존재하기는 하나, 클러스터보다 큰 사이즈(예를 들면, 약 2 내지 8 nm, 구체적으로 약 2.5 내지 6 nm, 보다 구체적으로 약 3 내지 5 nm의 사이즈)를 갖는 나노입자를 더 함유할 수도 있으며, 이 경우에는 단원자, 클러스터 및 나노입자 각각의 개수)를 측정하여 클러스터 형태의 상대적인 비율(함량)을 산출할 수 있다. 이때, 백금 중 클러스터보다 큰 사이즈의 나노입자의 함량은, 예를 들면 약 20% 이하, 구체적으로 약 10% 이하, 보다 구체적으로 약 5% 이하일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 알루미나 지지체 상에 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 함량은, 예를 들면 약 10 내지 55%, 구체적으로 약 12 내지 50%, 보다 구체적으로 약 15 내지 40%의 범위에서 조절될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 활성 금속인 백금 중 클러스터 형태의 함량은, 약 20 내지 35%, 구체적으로 약 22 내지 30% 범위에서 조절될 수 있다. 이와 관련하여, 백금 중 클러스터 형태의 함량이 일정 범위를 벗어나는 경우(즉, 단원자 함량이 지나치게 높거나 낮은 경우)에는 탈수소화 반응 활성이 감소하여 수소화/탈수소화 반응의 가역성을 개선하기 곤란한 만큼, 전술한 범위 내에서 클러스터 형태의 함량이 조절되도록 열 처리 조건을 설정하는 것이 유리할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 열 처리는, 예를 들면 약 300 내지 800 ℃, 구체적으로 약 400 내지 750 ℃, 보다 구체적으로 약 500 내지 700 ℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 이때, 승온 속도는, 예를 들면 약 1 내지 15 ℃/min(구체적으로 약 1.5 내지 12 ℃/min, 보다 구체적으로 약 2 내지 10 ℃/min), 그리고 열 처리 시간은, 예를 들면 약 3 내지 60 시간(구체적으로 약 5 내지 50 시간, 보다 구체적으로 약 10 내지 40 시간)의 범위 내에서 원하는 단원자 및 클러스터의 비를 고려하여 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.
한편, 산소-분위기 하에서의 열 처리 후에는 최종 용도인 수소화/탈수소화 반응을 위한 촉매 활성화를 위하여 환원 처리를 추가적으로 수행할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 환원 처리용 가스로서, 수소, 일산화탄소, 메탄 또는 이의 조합을 사용할 수 있으며, 보다 전형적으로는 수소 분위기 하에서 환원 처리할 수 있다.
일 예로서, 환원 처리 온도는, 예를 들면 약 300 내지 600 ℃(구체적으로 약 350 내지 550 ℃, 보다 구체적으로 약 400 내지 500℃) 범위일 수 있다. 이때, 승온 속도는, 예를 들면 약 1 내지 10 ℃/min, 구체적으로 약 4 내지 6 ℃/min 범위일 수 있다. 또한, 환원 처리 시간은, 예를 들면 약 1 내지 10 시간, 구체적으로 약 2 내지 5 시간 범위 내에서 정하여질 수 있다. 이외에도, 환원 처리 시 압력(환원 가스의 분압)은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 예를 들면 약 1 내지 5 bar, 구체적으로 약 1.5 내지 4 bar, 보다 구체적으로 약 2 내지 3 bar의 범위일 수 있다. 상술한 환원 처리 조건은 예시적으로 이해될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 환원 처리를 통하여, 알루미나 지지체 상에 활성 금속인 백금이, 예를 들면 완전 환원(즉, 원소) 상태 또는 부분적 환원(또는 산화) 상태, 구체적으로 완전 환원 상태로 담지된 촉매를 제조할 수 있다.
액체 유기수소 운반체 화합물 이용한 수소화/탈수소화 반응(수소의 저장 및 방출)
본 개시 내용의 구체예에 따르면, 수소 저장 물질로서 액체 유기 수소 운반체(LOHC)를 사용할 수 있는 바, 이러한 액체 유기 수소 운반체 시스템은 수소-희박 및 수소-풍부 유기 화합물로 이루어지며, 반복되는 액상 또는 기상에서의 촉매적 수소화 및 탈수소화 사이클을 통하여 수소를 저장 및 방출할 수 있다. 특히, 액체 유기 수소 운반체 형태로 수소를 취급함으로써 기존의 연료용 설비를 활용할 수 있고, 기체(예를 들면, 이산화탄소 또는 질소)의 수소화에 의한 수소 저장과 달리, 액체 유기 수소 운반체로부터 수소를 방출할 경우, 상대적으로 고비점을 갖는 운반체 화합물의 응축 후에 순수한 수소를 생성할 수 있다.
본 구체예에 따르면, 알루미나 지지체에 백금이 단원자 및 클러스터의 조합된 형태로 담지된 촉매를 이용하여 액체 유기 수소 운반체(LOHC)의 가역적 수소화/탈수소화 반응에 적용할 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 전술한 백금-담지 촉매는 액체 유기 수소 운반체로서 질소-함유 헤테로고리 액체 유기 수소 운반체 및 탄화수소로 이루어지는 액체 유기 수소 운반체(구체적으로, 디벤질톨루엔과 같은 방향족 탄화수소계 액체 유기 수소 운반체)를 포함하는 넓은 범위의 액체 유기 수소 운반체에 효과적으로 적용될 수 있다. 이러한 화합물은 전형적으로 분자 내에 적어도 하나의 공액 결합을 가질 수 있다.
일 구체예에 따르면, 액체 유기 수소 운반체는 하기 일반식 1 내지 9으로 표시되는 화합물로부터 선택된 적어도 하나(수소-희박 형태)일 수 있다:
[일반식 1]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000001
[일반식 2]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000002
[일반식 3]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000003
[일반식 4]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000004
[일반식 5]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000005
[일반식 6]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000006
[일반식 7]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000007
[일반식 8]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000008
[일반식 9]
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000009
상기 식에서, R, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7. R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17 및 R18 각각은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고, X는 -(CHR19)n-(n은 1 내지 3의 정수이고, R19는 H, OH, 또는 C1 내지 C6의 알킬기임), 그리고 Y는 CH 또는 N이다.
상기 예시된 액체 유기수소 운반체 화합물은, 예를 들면 약 100 ℃ 이하, 구체적으로 약 0 내지 80 ℃, 보다 구체적으로 약 10 내지 60 ℃ 범위의 융점을 나타낼 수 있는 바, 실온에서 액상을 유지할 수 있고, 또한 비점은 약 380 ℃ 이하, 구체적으로 약 130 내지 350 ℃, 보다 구체적으로 약 180 내지 300 ℃ 범위일 수 있다. 이러한 융점 및 비점 특성으로 인하여, 액체 유기 수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출 시스템에 반응성 개선을 위한 별도의 용매 및/또는 첨가물의 사용을 생략할 수 있는 장점을 갖는다.
전술한 바와 같이, 알루미나 지지체에 활성 금속으로서 백금이 단원자 및 클러스터의 혼합 형태로 담지된 촉매는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 사이클을 반복하는 방식으로 수소 저장 및 방출을 수행하는데 적합하다.
예시적 구체예에 따른 수소 저장 및 방출 방법은 액체 유기 수소 운반체인 유기 화합물(구체적으로 액상 형태)을 반응계 내에서 전술한 백금-담지 알루미나 촉매와 접촉하는 단계를 수반할 수 있다. 일 예로서, 촉매 내 활성 금속(Pt)/LOHC의 비(M/R)는, 예를 들면 약 0.05 내지 0.4 몰%, 구체적으로 약 0.07 내지 0.35 몰%, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.3 몰% 범위에서 정하여질 수 있다. 이때, M/R 비는 수소화 반응 및 탈수소화 반응에서 구별될 수 있는 바, 예를 들면 수소화 반응에서는 상대적으로 높게 설정되는 반면, 탈수소화 반응에서는 상대적으로 낮게 설정될 수 있다. 이와 관련하여, M/R 비가 지나치게 낮은 경우에는 반응의 활성화 에너지를 낮추는데 한계가 있기 때문에 불충분한 반응 활성을 나타낼 수 있다. 한편, M/R 비가 지나치게 높은 경우에는 체적 면에서 고상 촉매가 액상의 반응물에 비하여 상당히 증가하여 과도한 슬러리 상태를 형성하게 되어 반응 과정 중 교반이 곤란할 뿐만 아니라, 확산 저항(diffusion limitation)이 발생되므로 촉매의 활성 점을 충분히 활용할 수 없는 현상이 유발될 수 있다. 따라서, 전술한 범위 내에서 M/R 비를 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 사용되는 수소 저장 화합물의 종류 등에 따라 상기 비율은 변화 가능하다.
일 예로서, 수소화 반응(수소 저장)에서 M/R의 비는, 예를 들면 약 0.1 내지 0.4 몰%(구체적으로 약 0.15 내지 0.35 몰%, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.3 몰%) 범위에서 조절될 수 있는 한편, 탈수소화 반응(수소 방출)에서 M/R의 비는, 예를 들면 약 0.05 내지 0.15 몰%(구체적으로 약 0.07 내지 0.13 몰%, 보다 구체적으로 약 0.09 내지 0.12 몰%)의 범위에서 조절될 수 있다.
이와 관련하여, 수소 저장 물질(액체 유기수소 운반체) 내 수소를 저장하기 위하여 수소화 반응을 수행할 수 있는 바, 수소화 반응 온도는, 예를 들면 약 50 내지 250 ℃, 구체적으로 약 80 내지 220 ℃, 보다 구체적으로 약 100 내지 190 ℃ 범위일 수 있다. 또한, 수소화 반응 압력은, 예를 들면 약 5 내지 100 bar, 구체적으로는 약 20 내지 80 bar, 보다 구체적으로는 약 25 내지 70 bar, 특히 구체적으로 약 30 내지 50 bar의 범위일 수 있다. 이외에도, 수소화 반응 시간은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 0.5 내지 24 시간, 구체적으로 약 1 내지 12 시간, 보다 구체적으로 1.5 내지 6 시간의 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 전술한 백금/알루미나 담지 촉매를 사용함으로써 수소화 반응 효율(탈수소화 반응물 1 몰에서 이론적으로 저장될 수 있는 수소의 몰수 대비 실제 수소화 반응에 의하여 저장되는 수소 몰수로 정의됨)은, 예를 들면 적어도 약 62%, 구체적으로 적어도 약 90%, 보다 구체적으로 적어도 약 96%일 수 있다. 이때, 수소 저장 화합물에 대응되는 수소화 생성물에 대한 선택도는, 예를 들면 적어도 약 58%, 구체적으로 적어도 약 90%, 보다 구체적으로 적어도 약 99%일 수 있다.
한편, 수소 저장 물질(액체 유기수소 운반체)로부터 수소를 방출하기 위하여 탈수소화 반응이 수행될 수 있는 바, 이러한 탈수소화 반응은 흡열 반응이므로 동일 수소 저장 물질의 수소화 반응(발열 반응)에 비하여 높은 반응 온도(예를 들면, 수소화 반응 온도 대비 약 50 내지 150 ℃, 구체적으로 약 60 내지 120℃, 보다 구체적으로 약 80 내지 100 ℃ 더 높은 온도 대역)에서 수행될 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 탈수소화 반응 온도는, 예를 들면 약 100 내지 350 ℃, 구체적으로 약 150 내지 320 ℃, 보다 구체적으로 약 180 내지 290 ℃ 범위일 수 있다. 또한, 반응 온도에서와 달리 탈수소화 반응 압력은 수소화 반응의 압력 조건에 비하여 낮은 수준일 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 10 bar, 구체적으로 약 1 내지 5 bar, 보다 구체적으로 상압 조건일 수 있다. 또한, 탈수소화 반응 시간은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 0.5 내지 24 시간, 구체적으로 약 2 내지 12 시간, 보다 구체적으로 약 3 내지 8 시간의 범위에서 설정될 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 전술한 촉매를 사용함으로써 탈수소화 반응 효율(수소화 반응물 1몰에서 이론적으로 방출될 수 있는 수소의 몰수 대비 실제 탈수소화 반응에 의하여 생성되는 수소 몰수로 정의됨)은, 예를 들면 적어도 약 50%, 구체적으로 적어도 약 60%, 보다 구체적으로 적어도 약 86%일 수 있다.
한편, 일 구체예에 따르면, 수소화/탈수소화 반응은 회분식 반응기, 연속 반응기, 반 연속 반응기 등, 당업계에서 알려진 공지의 반응기를 사용하여 수행될 수 있으며, 특히 액체 유기 수소 운반체, 특히 비교적 높은 비점을 갖는 액체 유기수소 운반체 화합물의 경우, 수소화 및 탈수소화 반응이 액상에서 일어날 수 있는 만큼, 반응기에 교반기가 구비될 수도 있다. 예시적 구체예에 따르면, 상기 반응은 입자 형상의 촉매를 이용한 고정층 반응기 내에서 수행될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 및 비교예에 있어서, 제조된 촉매는 하기와 같은 분석 방법에 따라 수행되었다.
- 투과전자현미경(TEM, HAADF-STEM) 분석
투과전자현미경(TEM, HAADF-STEM, JEOL, TEM2100F)을 이용하여 Cu 그리드 시편 상에 메탄올에 분산시킨 시료를 떨어뜨린 후, 60 ℃의 진공 오븐에서 20 시간 이상 건조하였으며, 지지체에 담지된 금속 입자 크기를 측정하였다.
- Pt 금속의 결정상태 분석 (CO-DRIFT)
CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석은 Nicolet 6700 FT-IR(Harrick Praying Mantis high temperature reaction chamber 장착)을 사용하였으며, 측정에 앞서 시료 30 mg을 500 ℃에서 1 시간 동안 5% H2/Ar (100 cm3 min-1) 분위기에서 환원을 수행하였다. 환원 후, 50 ℃까지 온도를 낮춘 다음, Ar 가스로 교환하여 시료 표면에 물리 흡착된 물질을 제거하였다. 5% CO/Ar(50 cm3 min-1)를 흘려 30 분 동안 시료에 노출시킨 다음, 30 분 동안 감압(evacuation)하는 과정을 통하여 흡착된 CO를 탈착시킴으로써 IR 분석을 진행하였다.
실시예
고상법에 의한 백금/알루미나 촉매의 제조
먼저, Al 전구체 (Al(NO3)3ㅇ9H2O) 21.84g, 암모늄 바이카보네이트 (NH4HCO3) 13.88g, 그리고 Pt 금속 전구체 [Pt(NH3)4](NO3)2 0.182g을 용매 없이 막자 사발에 한번에 투입하고 물리적으로 혼합시켰다. 이후, 물리적 혼합물을 20 분 동안 계속 저어줌으로써 마찰 열을 가하였으며, 이때 총 3회 고체 상태의 전구체들이 혼합됨에 따라 많은 량의 CO2를 발생시키면서 겔을 형성하였다. 혼합 후 10 분이 경과하면 겔 형태에서 다시 고형화가 진행하면서 경화되었고, 6 분 후 다시 겔을 형성하여 연화되었다.
그 다음, 20 분 동안 혼합시킨 겔 고형물을 도가니에 넣고, 600 ℃의 열 처리 온도 조건 하에서 5 시간 동안 소성시켰다(승온 속도: 2 ℃/min). 소성 후, 수소를 이용한 환원 처리를 수행하였으며(500 ℃, 5 ℃/min, 3 시간), 환원 처리된 촉매에 대하여 반응 활성을 대비하였다(실시예에 따라 제조된 백금/알루미나 촉매는 M3PtA x_y (x; 소성 온도, y; 소성 시간)로 표시하였다(백금 담지량 3 중량%). 또한, 다양한 백금 담지량(1 중량%, 2 중량%, 및 5 중량%)을 갖는 백금/알루미나 촉매를 동일한 절차에 따라 제조하여 활성을 평가하였다.
비교예
함침법에 의한 백금/알루미나 촉매의 제조
상용 γ-Al2O3(gA) 3g에 3 중량% Pt 금속 전구체 용액([Pt(NH3)4](NO3)2) 0.182g 및 증류수 2 ml를 균일하게 혼합함)을 함침법을 통하여 물리적으로 담지하고 100 ℃ 오븐에서 건조시킨 후에 도가니에 투입하고 5 시간 동안 소성시켰다(600 ℃, 2 ℃/min). 이후, 수소 환원 처리(500 ℃, 3 시간, 승온 속도 5 oC/min)를 수행하였고, 최종적으로 3Pt/gA x_y (x; 소성 온도, y; 소성 시간) 촉매를 수득하였다(백금 담지량 3 중량%). 또한, 다양한 백금 담지량(1 중량%, 2 중량%, 및 5 중량%)을 갖는 백금/알루미나 촉매를 동일한 절차에 따라 제조하여 활성을 평가하였다.
가. 합성법에 따른 촉매의 물성 및 반응 활성 분석
촉매 물성 분석
다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA) 각각에 대한 XRD 패턴을 도 1에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 동일한 백금 함량인 경우에도 합성법에 따라 백금 결정의 사이즈가 상이하였다. 함침법에 의하여 제조된 촉매(비교예)의 경우, 1 중량%의 낮은 백금 함량에서도 Pt(111), (200), 및 (220)의 결정 사이즈가 컸다. 반면, 고상법에 따라 제조된 촉매(실시예)의 경우에는 5 중량%의 백금이 담지되더라도 Pt (111) 결정만이 형성되었는 바, 이는 실시예에 따른 촉매에서 비교예에 비하여 백금이 보다 균일하게 분산되어 있음을 지시한다.
한편, 다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA)에 대한 암시야(dark field) HAADF-STEM 사진을 도 2a 및 도 2b에 각각 나타내었다.
상기 도면에서 확인할 수 있듯이, 실시예에 따른 촉매에서는 백금 단원자 및 클러스터가 비교적 불균일하게 분포되어 있는 반면, 비교예에 따른 촉매에서는 백금이 1 중량%의 낮은 함량으로 담지된다 해도 입자(particle) 형태를 갖고 있었다.
또한, 다양한 함량의 백금을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA) 각각에 대한 CO-DRIFT 스펙트럼 그래프를 도 3에 나타내었다.
상기 도면에 따르면, 실시예에 따른 촉매의 경우, 2090 cm-1, 2070 cm-1 및 2040 cm-1에서 피크가 형성되었다. 반면, 비교예에 따른 촉매는 2070 cm-1의 피크에 대응되는 2060 cm-1의 피크가 상대적으로 더 크게 형성되었는 바, 단원자에 대응되는 2090 cm-1의 피크는 1 중량%의 백금이 담지된다 해도 거의 관찰되지 않았다.
다양한 함량의 백금(1 중량%, 2 중량%, 3 중량% 및 5 중량%)을 담지한, 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(MPtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(Pt/gA) 각각에 대한 H2-TPD 결과를 나타내는 그래프를 도 4에 나타내었다.
상기 도면을 참조하면, H2-TPD에 의하여 백금 함량에 따른 수소의 탈착 정도를 대비한 결과, 실시예에 따른 촉매에서는 백금 함량이 증가함에 따라 수소 탈착 피크가 500 ℃에서 200 ℃ 부근으로 시프트되는 경향을 나타내는 반면, 비교예에 따른 촉매에서는 탈착 구간에 대한 변화가 거의 관찰되지 않았다.
보다 정확한 백금의 형태를 분석하기 위하여, EXAFS 분석을 진행하였는 바, 그 결과를 하기 표 1 및 도 5에 나타내었다.,
상기 표 및 도면에 따르면, 참조 물질인 Pt 포일 및 PtO2의 피팅 결과와 대비하면, 실시예에 따른 촉매는 백금 함량이 증가해도 거의 PtO2와 유사한 패턴을 나타내는 반면, 비교예에 따른 촉매는 Pt 포일과 유사한 패턴을 나타내었다.
구분 촉매 Neighbor N R (Å) σ2 (Å2) ΔE0 (eV) R-factor
비교예 1 Pt foil Pt-Pt 12* 2.761 ± 0.003 0.004 7.2 ± 0.7 0.012
비교예 2 PtO2 Pt-O 6* 2.017 ± 0.008 0.001 10.3 ± 1.0 0.016
Pt-O-Pt 6* 3.108 ± 0.008 0.002
비교예 3 1Pt/gA 600 5h Pt-O 2.5 ± 0.5 1.973 ± 0.014 0.003 9.3 ± 1.2 0.016
Pt-Pt 5.7 ± 0.8 2.768 ± 0.007 0.005
비교예 4 3Pt/gA 600 5h Pt-O 2.1 ± 0.7 1.992 ± 0.020 0.005 9.4 ± 1.1 0.012
Pt-Pt 6.9 ± 0.8 2.771 ± 0.005 0.005
비교예 5 5Pt/gA 600 5h Pt-O 1.5 ± 0.5 1.974 ± 0.018 0.005 10.8 ± 0.8 0.008
Pt-Pt 6.9 ± 0.6 2.761 ± 0.004 0.005
실시예 1 M1PtA 600 5h Pt-O 5.1 ± 0.7 1.995 ± 0.013 0.001 11.0 ± 1.7 0.025
Pt-O-Al 1.7 ± 0.9 2.882 ± 0.039 0.003
Pt-O-Pt 1.6 ± 1.6 3.194 ± 0.054 0.003
실시예 2 M3PtA 600 5h Pt-O 4.0 ± 0.6 2.008 ± 0.015 0.002 13.1 ± 1.8 0.014
Pt-Pt 2.7 ± 0.5 2.769 ± 0.015 0.003
Pt-O-Pt 3.0 ± 1.4 3.210 ± 0.032 0.003
실시예 3 M5PtA 600 5h Pt-O 1.7 ± 0.3 1.980 ± 0.011 0.002 3.9 ± 1.5 0.027
Pt-Pt 5.9 ± 1.0 2.671 ± 0.014 0.015
상기 표에 따르면, 비교예에 따른 촉매에서는 Pt-Pt 결합이 많이 관찰된 반면, 실시예에 따른 촉매의 경우에는 낮은 백금 함량에서 Pt-O, Pt-O-Pt 및 Pt-O-Al 결합이 다수 존재하였고, 백금 함량이 증가할수록 Pt-Pt 결합이 증가하는 경향이 관찰되었다.
반응 활성 분석
실시예 및 비교예 각각에 따라 제조된 촉매에 대한 수소화(반응 조건: M/R 0.22 mol%, 35 bar, 150℃, 그리고 2 시간) 및 탈수소화 반응(반응 조건: M/R 0.1 mol%, 250 ℃, 및 4 시간)의 효율을 대비한 결과를 하기 표 2 및 3, 그리고 도 6에 나타내었다.
구분 촉매 H0-BT 전환율
[mol%]a 		H12-BT 선택도
[mol%]a 		H2 저장효율
[mol%]b
비교예 1 1Pt/gA 600 5h 88.4 77.8 78.6
비교예 2 2Pt/gA 600 5h 81.7 70.4 69.6
비교예 3 3Pt/gA 600 5h 77.4 61.7 62.6
비교예 4 5Pt/gA 600 5h 64.5 53.3 49.4
실시예 1 M1PtA 600 5h 78.9 58.5 62.5
실시예 2 M2PtA 600 5h 95.4 92.7 92.0
실시예 3 M3PtA 600 5h 96.7 99.7 96.2
실시예 4 M5PtA 600 5h 85.4 80.0 76.9
a: GC 분석을 통한 계산 결과임.b: 수소 저장효율 = (full hydrogenation product [mol] × 6H2 + single-ring hydrogenation product [mol] × 3H2)/(reactant [mol] × 6H2) × 100%
구분 촉매 H12-BT 전환율
[mol%]a 		H0-BT 선택도
[mol%]a 		H2 방출효율
[mol%]b
비교예 1 1Pt/gA 600 5h 78.2 84.9 72.3
비교예 2 2Pt/gA 600 5h 70.4 80.4 63.5
비교예 3 3Pt/gA 600 5h 60.1 79.2 53.8
비교예 4 5Pt/gA 600 5h 50.4 29.8 32.7
실시예 1 M1PtA 600 5h 38.8 74.0 33.7
실시예 2 M2PtA 600 5h 76.5 83.4 70.2
실시예 3 M3PtA 600 5h 88.0 86.2 81.9
실시예 4 M5PtA 600 5h 79.2 58.5 62.8
a: GC 분석을 통한 계산 결과임.b: 수소 방출효율 = (full dehydrogenation product [mol] × 6H2 + single-ring dehydrogenation product [mol] × 3H2)/(reactant [mol] × 6H2) × 100%
상술한 결과를 참조하면, 실시예에 따른 촉매의 경우에는 수소화 및 탈수소화 반응 모두 3 중량%의 백금이 담지된 촉매가 가장 우수한 활성을 나타내었다. 반면, 비교예에 따른 촉매에서는 1 중량%의 백금이 담지된 촉매가 가장 양호한 활성을 나타내었는 바, 이는 백금 담지량이 증가함에 따라 백금 사이즈가 증가하였기 때문으로 판단된다. 특히, 이러한 활성 차이는 촉매 제조 방식에 따라 알루미나 지지체에 담지되는 백금 입자의 크기가 상이하기 때문으로 판단된다.
나. 소성 조건에 따른 촉매 물성 및 반응 활성 분석
촉매 물성 분석
소성 조건으로 600 ℃, 5 h (승온 속도 2 ℃/min)을 기준으로, 5 h (승온 속도 10 ℃/min), 20 h (승온 속도 2 ℃/min), 및 40 h (승온 속도 2 ℃/min)으로 변화시켰고, 또한 1 중량% 및 3 중량%의 함량으로 각각 담지된 백금 촉매의 사이즈 변화를 관찰하였다. 소성 조건 변화에 따른 Pt-담지 촉매(담지량: 1 중량% 및 3 중량%)에 대한 XRD 패턴 및 H2-TPD 결과, 그리고 HAADF-STEM 사진을 각각 도 7 및 도 8에 나타내었다.
상기 도면에 있어서, XRD 분석 결과, 소성 온도(600 ℃) 및 소성 시간(5 h)을 고정하고, 승온 속도를 2 ℃/min에서 10 ℃/min으로 변경한 경우, 1 중량% 및 3 중량%를 담지한 백금 촉매 모두 Pt(111) 피크가 증가함을 확인하였다. 추가적으로 소성 온도(600 ℃) 및 승온 속도(2 ℃/min)을 고정하고, 소성 시간을 각각 5 시간에서 20 시간 및 40 시간으로 각각 변경한 경우, 1 중량% 및 3 중량%를 담지한 백금 촉매 모두 Pt(111) 피크가 승온 속도 변경에 비하여는 적지만 상대적으로 증가함을 확인하였다. 또한, H2-TPD 분석에 따르면, 백금 사이즈가 증가함에 따라 수소 탈착 피크가 저온으로 시프트되었다.
한편, 도 8에 따른 HAADF-STEM 결과에서도 확인되는 바와 같이, 도 2의 M1PtA(M1PtA c600 5h_2와 동일) 촉매의 경우에는 백금 단원자가 주로 관찰된 반면, 소성 시간을 40 h로, 그리고 승온 속도를 10 ℃/min로 증가시킨 경우에는 클러스터의 비율이 증가하였고, 입자 형태도 관찰되었다. 상술한 결과를 고려하면, 소성 조건에 따라 금속의 결정성이 영향을 받는 바, 이는 백금의 사이즈를 조절할 수 있는 주된 변수에 해당됨을 시사한다.
반응 활성 분석
소성 조건 변화에 따른 Pt-담지 촉매의 수소화 및 탈수소화 반응 활성을 측정하여 하기 표 4(수소화 반응 조건: M/R 0.22 mol%, 35 bar, 150 ℃, 2 시간) 및 5(탈수소화 반응 조건: M/R 0.1 mol%, 250 ℃, 4 시간), 그리고 도 9에 나타내었다.
구분 촉매 H0-BT 전환율
[mol%]a 		H12-BT 선택도
[mol%]a 		H2 저장효율
[mol%]b
실시예 1 M1PtA c600 5h_2 78.9 58.5 62.5
실시예 2 M3PtA c600 5h_2 96.7 99.7 96.2
실시예 3 M1PtA c600 40h_2 85.3 76.4 75.2
실시예 4 M1PtA c600 5h_10 80.3 72.2 69.1
실시예 5 M3PtA c600 40h_2 97.2 98.1 96.3
실시예 6 M3PtA c600 5h_10 80.1 62.4 65.0
a: GC 분석을 통한 계산결과b: 수소 저장효율 = (full hydrogenation product [mol] × 6H2 + single-ring hydrogenation product [mol] × 3H2)/(reactant [mol] × 6H2) × 100%
구분 촉매 H12-BT 전환율
[mol%]a 		H0-BT 선택도
[mol%]a 		H2 방출효율
[mol%]b
실시예 1 M1PtA c600 5h_2 38.8 74.0 33.7
실시예 2 M3PtA c600 5h_2 88.0 86.2 81.9
실시예 3 M1PtA c600 20h_2 86.4 78.8 77.2
실시예 4 M1PtA c600 40h_2 90.1 85.4 83.5
실시예 5 M1PtA c600 5h_10 72.4 69.8 61.5
실시예 6 M3PtA c600 20h_2 90.3 86.3 84.1
실시예 7 M3PtA c600 40h_2 91.4 89.8 86.7
실시예 8 M3PtA c600 5h_10 65.7 53.8 50.5
a: GC 분석을 통한 계산 결과임.b: 수소 방출효율 = (full dehydrogenation product [mol] × 6H2 + single-ring dehydrogenation product [mol] × 3H2)/(reactant [mol] × 6H2) × 100%
상기 표 및 도면을 참조하면, 백금 단원자의 비율이 높은 M1PtA c600 5h_2 촉매의 경우에는 수소화 및 탈수소화 반응에서 각각 저장 효율 62.5%, 및 방출 효율 33.7%를 나타내었다. 반면, 촉매 제조 시 소성 시간을 증가시킨 M1PtA c600 40h_2 촉매에서는 저장 효율 75.2% 및 방출효율 83.5%로 향상되었다.
다. 합성법에 따른 촉매의 안정성 분석
탈수소화 반응 활성 평가 및 사용 후 촉매의 물성 변화
촉매 장기 안정성 평가를 위하여 탈수소화 반응의 활성 평가를 수행하였다. 실시예(고상법)에 따른 백금-담지 촉매(M3PtA) 및 비교예(함침법)에 따른 백금-담지 촉매(3Pt/gA) 각각에 대한 촉매 장기안정성 평가를 위한 탈수소화 반응 결과를 도 10에 나타내었다. 또한, 실시예에 따른 백금-담지 촉매(M3PtA) 및 비교예에 따른 백금-담지 촉매(3Pt/gA) 각각의 반응 전후 XRD 패턴 및 사용 후 촉매의 HAADF-STEM 사진을 도 11에 나타내었다.
상기 도면을 참조하면, 비교예에 따른 촉매(3Pt/gA)는 5회에 걸친 재사용 시 촉매 활성이 급격하게 감소하였다. 또한, 반응 후 촉매의 금속 입자 상태를 XRD 및 HAADF-STEM을 통하여 관찰한 결과, 실시예에 따른 촉매(M3PtA)에서는 사용 전 후의 XRD 패턴이 거의 동일하였고, STEM 분석에서도 여전히 백금 단원자와 클러스터가 비교적 불균일하게 분포되어 있었다. 이는 실시예에 따른 촉매(M3PtA)에서 백금과 알루미나 지지체 간 상호작용이 강하기 때문으로 판단된다. 반면, 3Pt/gA 촉매의 경우에는 초기 수소방출 효율(55.7%)은 5회에 걸친 재사용 시 27.4%로 약 2배 감소하였다. 이는 백금과 알루미나 지지체 간 상호작용이 약화되어 백금의 소결(sintering)에 의한 입자 사이즈가 증가하였기 때문으로 판단된다.
수소화/탈수소화 반응의 가역성 평가
백금은 수소화 및 탈수소화 반응에 모두 활성을 나타내기 때문에 단일 반응기 내에서 동일한 종류의 촉매를 사용하는 경우에도 수소 저장 및 방출 효율을 달성할 수 있다. 이때, 합성법에 따라 활성 금속과 지지체 간 상호작용이 상이하기 때문에 연속적인 가역 반응에도 영향을 미칠 것으로 판단하여 수소화 및 탈수소화 반응을 연속으로 3세트씩 반복 실험하였다. 이와 관련하여, 실시예에 따른 촉매(M3PtA) 및 비교예에 따른 촉매(3Pt/gA)에 대한 H0-BT의 수소 저장 및 방출 효율을 측정하여 비교한 결과를 도 12에 나타내었다.
상기 도면을 참조하면, 동일한 수소화 및 탈수소화 각각의 반응 조건에서 실시예에 따른 촉매(M3PtA)는 초기 수소 저장 및 방출 효율을 지속적으로 유지하는 반면, 비교예에 따른 촉매(3Pt/gA)는 수소 저장 및 방출 효율이 지속적으로 감소하는 현상을 나타내었다.
라. 액체 유기 수소 운반체의 종류에 따른 탈수소화 반응 활성 평가
다양한 종류의 피리딘계 및 비피리딘계 액체 유기 수소 운반체를 이용한 탈수소화 반응을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
반응물의 화학식 반응물 실시예 촉매명 M/R (%) 온도 (℃) 반응 시간 (h) 반응 효율 (%)
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000010
 H10-quinolin 실시예 1 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 53.5
비교예 1 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 43.3
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000011
 H12-MBP 실시예 2 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 64.1
비교예 2 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 54.8
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000012
 H12-NEC 실시예 3 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 56.5
비교예 3 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 49.7
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000013
 H10-decalin 실시예 4 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 46.2
비교예 4 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 30.7
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000014
 H12-BT 실시예 5 M3PtA_600 5h 0.1 250 4 83.1
비교예 5 3Pt/gA_600 5h 0.1 250 4 52.3
Figure PCTKR2022014625-appb-img-000015
 H18-DBT 실시예 6 M3PtA_600 5h 0.9 290 4 86.9
비교예 6 3Pt/gA_600 5h 2.4 290 4 84.4
상기 표에 따르면, 실시예에 따른 촉매(M3PtA 600 5h)의 경우, 액상 유기 수소 운반체에 상관없이 비교예에 따른 촉매(3Pt/gA 600 5h)에 비하여 반응 효율이 개선되었다.
마. 촉매 내 백금 중 클러스터 함량(비율)에 따른 탈수소화 반응 활성 평가
열 처리 조건(열 처리 온도, 시간 및 승온 속도)을 변화시키면서 고상법에 따른 백금-담지 촉매를 제조하였다(백금 담지량: 1 중량%, 3 중량% 및 5 중량%). 이때, 암시야 HAADF-STEM 사진으로부터 단원자 및 클러스터(추가적으로 클러스터보다 큰 나노입자) 각각의 개수를 측정하여 담지된 백금 중 클러스터 형태의 함량을 산출하였다. 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다(반응조건: 250 ℃, 1 bar, 4 시간, 귀금속(mol)/반응물(mol) 0.1%).
촉매명 단원자
개수		 클러스터
개수		 나노입자
개수		 클러스터의 함량
(%)		 H2 방출효율
(mol%)
M1PtAa 20 1 0 4.8 36.2
M2PtAa 31 6 0 16.2 70.8
M3PtAa 30 10 1 24.4 83.1
M5PtAa 27 8 5 20.0 65.0
M1PtAb1 22 6 0 21.4 81.9
M1PtAb2 28 18 0 39.1 61.3
M3PtAb1 48 14 0 22.6 86.9
M3PtAb2 11 18 4 54.5 49.8
M5PtAb2 10 23 4 62.2 35.2
상기 표에서 a에 해당하는 소성 조건은 600 ℃, 5 h (승온 속도 2 ℃/min), b1에 해당하는 소성 조건은 600 ℃, 40 h (승온 속도 2 ℃/min), 그리고 b2에 해당하는 소성 조건은 600 ℃, 5 h (승온 속도 10 ℃/min)임을 지시한다.
상기 표에 따르면, 담지된 백금 중 클러스터 함량이 지나치게 낮은 경우(M1PtAa: 4.8%), 또는 클러스터 함량이 지나치게 높은 경우(M5PtAb2: 62.2%)에는 수소 방출 효율이 각각 36.2% 및 35.2%로서 낮은 수준이었다. 반면, 클러스터 함량이 적정 범위로 조절될 경우에 양호한 수소 방출 효율을 얻을 수 있었는 바, 특히 M3PtAb1 촉매(클러스터 함량: 22.6%)에서는 86.9%의 높은 수소 방출 효율을 얻을 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (16)

  1. 액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 촉매로서,
    알루미나 지지체, 및
    상기 알루미나-함유 지지체에 담지되는 활성 금속으로서 단원자 형태 및 클러스터 형태를 포함하는 백금;
    을 포함하며,
    촉매 내 백금의 함량(원소 기준)은 0.01 내지 10 중량%이고, 그리고
    상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 10 내지 55% 범위인 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매 내 백금은 5 nm 이하의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촉매 내 알루미나 지지체는, 적어도 300 ㎡/g의 BET 비표면적, 0.4 내지 0.55 ㎤/g의 포어 체적, 그리고 3 내지 4.5 nm의 포어 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 촉매.
  4. 제1항에 있어서, 상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 22 내지 30% 범위인 것을 특징으로 하는 촉매.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 (111) 면을 갖는 백금 결정을 함유하고, 또한 환원 상태인 것을 특징으로 하는 촉매.
  6. 액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 촉매의 제조방법으로서,
    a) 적어도 하나의 알루미나 전구체, 적어도 하나의 백금 전구체 및 염기 성분을 포함하는 혼합물에 외부 에너지를 가하면서 용매의 부존재 하에서 고상 반응을 수행하여 겔 형태의 촉매 고형물을 형성하는 단계; 및
    b) 상기 촉매 고형물을 산소-함유 분위기 하에서 열 처리하여 단원자 및 클러스터 형태를 포함하는 백금을 알루미나-함유 지지체에 담지시키는 단계;
    를 포함하며,
    촉매 내 백금의 함량(원소 기준)은 0.01 내지 10 중량% 범위이고, 그리고
    상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 10 내지 55% 범위인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 b)의 열 처리 단계 중 열 처리 온도는 300 내지 800 ℃, 승온 속도는 1 내지 15 ℃/min, 그리고 열 처리 시간은 3 내지 60 시간의 범위에서 각각 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, c) 상기 열 처리된 촉매 고형물을 환원 처리하여 백금을 환완전 환원 상태 또는 부분적 환원 상태로 전환하는 단계를 더 포함하며,
    여기서, 환원 처리 온도는 300 내지 600 ℃, 승온 속도는 1 내지 10 ℃/min, 그리고 환원 처리 시간은 1 내지 10 시간의 범위에서 각각 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 단계 a) 중 백금 전구체/염기 성분의 몰 비는 0.0001 내지 0.1의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 액체 유기수소 운반체를 촉매의 존재 하에서 수소를 저장하는 수소화 단계; 및
    상기 수소화된 액체 유기 수소 운반체로부터 촉매의 존재 하에서 수소를 방출시키는 탈수소화 단계를 포함하며,
    상기 수소화 단계 및 상기 탈수소화 단계 중 적어도 하나에 사용되는 촉매는,
    알루미나 지지체, 및
    상기 알루미나-함유 지지체에 담지되는 활성 금속으로서 단원자 형태 및 클러스터 형태를 포함하는 백금;
    을 포함하며,
    촉매 내 백금의 함량(원소 기준)은 0.01 내지 10 중량%이고, 상기 담지되는 백금 중 클러스터 형태의 백금 함량은 10 내지 55% 범위인 촉매이고, 그리고
    상기 수소화 단계 및 탈수소화 단계가 교대로 수행됨에 따라 수소를 저장하거나 수소를 방출하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 액체 유기수소 운반체는 하기 일반식 1 내지 9로 표시되는 화합물로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법:
    [일반식 1]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000016
    [일반식 2]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000017
    [일반식 3]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000018
    [일반식 4]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000019
    [일반식 5]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000020
    [일반식 6]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000021
    [일반식 7]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000022
    [일반식 8]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000023
    [일반식 9]
    Figure PCTKR2022014625-appb-img-000024
    상기 식에서, R, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7. R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17 및 R18 각각은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고, X는 -(CHR19)n-(n은 1 내지 3의 정수이고, R19는 H, OH, 또는 C1 내지 C6의 알킬기임), 그리고 Y는 CH 또는 N임.
  12. 제11항에 있어서, 상기 액체 유기수소 운반체는 100 ℃ 이하의 융점, 그리고 380 ℃ 이하의 비점을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 촉매 내 활성 금속(Pt)/액체 유기수소 운반체의 비(M/R)는 0.05 내지 0.4 몰%의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 수소화 단계에서 M/R의 비는 0.1 내지 0.4 몰% 범위에서 조절되는 한편, 탈수소화 단계에서 M/R의 비는 0.05 내지 0.15 몰%의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 수소화 단계는 50 내지 250 ℃의 온도 및 5 내지 100 bar의 압력 조건에서 수행되고, 그리고
    상기 탈수소화 단계는 100 내지 350 ℃의 온도 및 1 내지 10 bar의 압력 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 수소화 단계에서 수소화 반응 효율은 적어도 62%이고, 상기 탈수소화 단계에서 탈수소화 반응 효율은 적어도 50%인 것을 특징으로 하는 방법.
PCT/KR2022/014625 2021-09-29 2022-09-29 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법 WO2023055108A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2021-0128547 2021-09-29
KR20210128547 2021-09-29
KR1020210185870A KR20230046179A (ko) 2021-09-29 2021-12-23 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법
KR10-2021-0185870 2021-12-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023055108A1 true WO2023055108A1 (ko) 2023-04-06

Family

ID=85783212

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/014625 WO2023055108A1 (ko) 2021-09-29 2022-09-29 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023055108A1 (ko)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7351395B1 (en) 2003-05-06 2008-04-01 Air Products And Chemicals, Inc. Hydrogen storage by reversible hydrogenation of pi-conjugated substrates
JP2008095172A (ja) 2006-09-15 2008-04-24 Nippon Oil Corp 水素吸蔵材料及びその製造方法
US7901491B2 (en) 2008-03-31 2011-03-08 General Electric Company Hydrogen storage material and related system
JP2011131120A (ja) 2009-12-22 2011-07-07 Jx Nippon Oil & Energy Corp 水素吸蔵材料
KR20150097558A (ko) 2012-11-28 2015-08-26 하이드로지니어스 테크놀로지스 게엠베하 액체 화합물 및 이를 수소 저장소로 사용하는 방법
KR101950701B1 (ko) * 2017-08-25 2019-02-21 한양대학교 산학협력단 탄소-코팅된 지지체 기반의 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법
WO2019201706A1 (de) * 2018-04-18 2019-10-24 Clariant International Ltd Platin-schwefel-basierter schalenkatalysator, dessen herstellung und verwendung in der dehydrierung von kohlenwasserstoffen
JP2020015034A (ja) * 2018-07-11 2020-01-30 トヨタ紡織株式会社 担持体、及び担持体の製造方法
KR20200012795A (ko) * 2018-07-27 2020-02-05 울산과학기술원 극소량의 백금이 로딩된, 고 수소 발생 활성을 갖는 다중 복합 전기 화학 촉매
KR20200117354A (ko) * 2019-04-04 2020-10-14 한양대학교 산학협력단 팔라듐 담지 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7351395B1 (en) 2003-05-06 2008-04-01 Air Products And Chemicals, Inc. Hydrogen storage by reversible hydrogenation of pi-conjugated substrates
JP2008095172A (ja) 2006-09-15 2008-04-24 Nippon Oil Corp 水素吸蔵材料及びその製造方法
US7901491B2 (en) 2008-03-31 2011-03-08 General Electric Company Hydrogen storage material and related system
JP2011131120A (ja) 2009-12-22 2011-07-07 Jx Nippon Oil & Energy Corp 水素吸蔵材料
KR20150097558A (ko) 2012-11-28 2015-08-26 하이드로지니어스 테크놀로지스 게엠베하 액체 화합물 및 이를 수소 저장소로 사용하는 방법
KR101950701B1 (ko) * 2017-08-25 2019-02-21 한양대학교 산학협력단 탄소-코팅된 지지체 기반의 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법
WO2019201706A1 (de) * 2018-04-18 2019-10-24 Clariant International Ltd Platin-schwefel-basierter schalenkatalysator, dessen herstellung und verwendung in der dehydrierung von kohlenwasserstoffen
JP2020015034A (ja) * 2018-07-11 2020-01-30 トヨタ紡織株式会社 担持体、及び担持体の製造方法
KR20200012795A (ko) * 2018-07-27 2020-02-05 울산과학기술원 극소량의 백금이 로딩된, 고 수소 발생 활성을 갖는 다중 복합 전기 화학 촉매
KR20200117354A (ko) * 2019-04-04 2020-10-14 한양대학교 산학협력단 팔라듐 담지 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ENERGY ENVIRON. SCI., vol. 8, 2015, pages 1035 - 1045
ENERGY REV., vol. 6, 2002, pages 141
J. AM. CHEM. SOC., vol. 127, 2005, pages 14904
NATURE, vol. 427, 2004, pages 523

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020204618A2 (ko) 팔라듐 담지 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법
KR101166943B1 (ko) 탄화수소의 수증기 개질을 통한 수소 생성을 위한 촉매
WO2019054557A1 (ko) 탄소 침적의 감소를 위해, 금속이온이 치환된 페로브스카이트 금속산화물 촉매 및 이의 제조 방법, 그리고 이를 이용한 메탄 개질 반응 방법
TW202106611A (zh) 有機儲氫原料脫氫催化劑以及該催化劑的載體、儲氫合金、和提供高純度氫氣的方法
Baiker et al. Oxidation of carbon monoxide over palladium on zirconia prepared from amorphous Pd Zr alloy I. Bulk structural, morphological, and catalytic properties of catalyst
KR101950701B1 (ko) 탄소-코팅된 지지체 기반의 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법
CN113351251A (zh) 一种核壳催化剂、其制备方法及应用
Song et al. Enhanced low-temperature catalytic carbon monoxide methanation performance via vermiculite-derived silicon carbide-supported nickel nanoparticles
Wang et al. One-step synthesis of Ni/yttrium-doped barium zirconates catalyst for on-site hydrogen production from NH3 decomposition
WO2023055108A1 (ko) 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법
WO2018048236A1 (ko) 수증기 메탄 개질용 니켈계 촉매 성형체 및 이의 이용
CN111889094B (zh) 有机储氢化合物脱氢制氢气催化剂
KR20230046179A (ko) 수소화/탈수소화의 가역성이 개선된 백금 담지 촉매 및 이를 이용한 액체 유기 수소 운반체 기반의 수소 저장 및 방출 방법
US6995115B2 (en) Catalyst for the generation of CO-free hydrogen from methane
WO2017090864A1 (ko) 저온 개질반응용 코발트 담지촉매 및 이의 제조방법
WO2023033528A1 (ko) 양이온-음이온 이중 가수분해를 이용한 암모니아 분해용 촉매 제조방법
Artizzu et al. Catalytic combustion of methane on copper-substituted barium hexaaluminates
Ran et al. An in-situ modified sol–gel process for monolith catalyst preparation used in the partial oxidation of methane
WO2021172107A1 (ja) 典型元素酸化物を含む金属担持物、アンモニア合成用触媒、及びアンモニアの合成方法
WO2023177143A1 (ko) 모노벤질톨루엔 이성질체 혼합물을 함유하는 액체 유기 수소 운반체용 조성물 및 이를 이용한 수소 저장 및 방출 방법
CA1209804A (en) Methanol conversion process
KR100839055B1 (ko) 산화구리가 담지된 알루미나-세리아 복합 촉매
CN116060037A (zh) 一种负载型NiPd/氧化铝催化剂及其制备方法和应用
WO2022108353A1 (ko) 수소 제조용 백금-레늄 촉매 및 이를 이용한 수소의 제조방법
WO2019164342A1 (ko) 탄화수소의 옥시클로로화 공정용 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 탄화수소의 옥시클로로화 화합물의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22876880

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022876880

Country of ref document: EP

Effective date: 20240429