일산화탄소, 수소와 같은 친환경 연료용 가스를 이용하여 메탄화 반응을 거쳐 합성 가스를 생성하였다. 이를 위한 촉매로 상용 알루미나에 담지된 Ni-Co 이원 금속을 증착침전법을 사용하여 제조하였으며 제조된 촉매의 촉매 활성 비교를 위하여 Ni, Co 단일 금속 촉매를 동일한 방법으로 제조하였다. 제조한 촉매를 TEM, XRD, TPR 분석을 실시하여 각각의 촉매 특성을 확인하였고 메탄화 반응을 진행하여 합성 가스 전환율을 측정하였다. 증착침전법으로 제조한 촉매의 경우, 금속 입자가 작은 크기로 분산된 것을 확인하였다. Ni, Co 두 금속이 담지된 이원 촉매는 Ni, Co가 각각 담지된 단일 금속 촉매에 비해 더욱 높은 활성을 나타내었으며 TPR 분석 결과, 이는 두 금속의 공존으로 인한 상호 작용을 통해 활성 수소를 보다 증가시켰기 때문으로 나타났다.
일산화탄소, 수소와 같은 친환경 연료용 가스를 이용하여 메탄화 반응을 거쳐 합성 가스를 생성하였다. 이를 위한 촉매로 상용 알루미나에 담지된 Ni-Co 이원 금속을 증착침전법을 사용하여 제조하였으며 제조된 촉매의 촉매 활성 비교를 위하여 Ni, Co 단일 금속 촉매를 동일한 방법으로 제조하였다. 제조한 촉매를 TEM, XRD, TPR 분석을 실시하여 각각의 촉매 특성을 확인하였고 메탄화 반응을 진행하여 합성 가스 전환율을 측정하였다. 증착침전법으로 제조한 촉매의 경우, 금속 입자가 작은 크기로 분산된 것을 확인하였다. Ni, Co 두 금속이 담지된 이원 촉매는 Ni, Co가 각각 담지된 단일 금속 촉매에 비해 더욱 높은 활성을 나타내었으며 TPR 분석 결과, 이는 두 금속의 공존으로 인한 상호 작용을 통해 활성 수소를 보다 증가시켰기 때문으로 나타났다.
Synthetic natural gas was producd by the reaction of carbon monoxide and hydrogen via methanation. Ni-Co bimetallic catalyst supported on $Al_2O_3$ for methanation was prepared using deposition-precipitation method. For the comparison, Ni, Co monometallic catalyst was prepared using the s...
Synthetic natural gas was producd by the reaction of carbon monoxide and hydrogen via methanation. Ni-Co bimetallic catalyst supported on $Al_2O_3$ for methanation was prepared using deposition-precipitation method. For the comparison, Ni, Co monometallic catalyst was prepared using the same method. The prepared catalysts were characterized by TEM, XRD and TPR and applied to methanation reaction. The catalysts prepared using deposition-precipitation method showed the high metal dispersion. The activity of Ni-Co bimetallic catalyst was higher than that of Ni, Co monometallic catalyst. TPR measurements indicated that Ni-Co bimetallic catalyst had more active hydrogen species than Ni, Co monometallic catalyst due to the synergetic effect in the presence of Ni and Co.
Synthetic natural gas was producd by the reaction of carbon monoxide and hydrogen via methanation. Ni-Co bimetallic catalyst supported on $Al_2O_3$ for methanation was prepared using deposition-precipitation method. For the comparison, Ni, Co monometallic catalyst was prepared using the same method. The prepared catalysts were characterized by TEM, XRD and TPR and applied to methanation reaction. The catalysts prepared using deposition-precipitation method showed the high metal dispersion. The activity of Ni-Co bimetallic catalyst was higher than that of Ni, Co monometallic catalyst. TPR measurements indicated that Ni-Co bimetallic catalyst had more active hydrogen species than Ni, Co monometallic catalyst due to the synergetic effect in the presence of Ni and Co.
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문제 정의
본 연구에서는 메탄화 반응에 활성을 보이는 Ni, Co 금속 촉매 및 Ni-Co 이원 금속 촉매를 제조하고자 하였다. Ni, Co 담지 촉매를 제조하기 위하여 Ni, Co의 침전 pH가 각각 6.
이와 더불어 Ni, Co 두 금속을 적정 pH에서 함께 침전시켰을 경우의 촉매 특성 변화를 관찰하고자 하였으며 제조된 촉매를 바탕으로 메탄화 반응을 수행하여 각기 금속의 영향 및 상호 작용을 관찰하고자 하였다.
제안 방법
154 nm)를 X-ray source로 하여 XRD (X-ray Diffractometer, D/max-2500/PC - Rigaku) 분석을 30° -70° 범위에서 수행하였다. HR-TEM (High-resolution Transmission Electron Microscopy, JEM-3010, JEOL) 분석을 통해 담체 및 금속 입자의 형태 및 크기를 확인하였다. 제조된 금속 촉매의 화학적 특성을 알아보기 위하여 TPR (Temperature Programmed Reduction) 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 메탄화 반응에 활성을 보이는 Ni, Co 금속 촉매 및 Ni-Co 이원 금속 촉매를 제조하고자 하였다. Ni, Co 담지 촉매를 제조하기 위하여 Ni, Co의 침전 pH가 각각 6.7, 6.8로 매우 유사하다는 이론을 바탕으로 증착침전법을 사용하였으며 이와 더불어 기존의 증착침전법을 개선하고자 하였다[13]. 본 연구에서 사용한 증착침전법의 모식도를 Fig.
제조된 금속 촉매의 화학적 특성을 알아보기 위하여 TPR (Temperature Programmed Reduction) 실험을 수행하였다. TPR 분석은 수소와 질소의 비가 1:9인 조건에서 수행하였으며, 5℃/min의 승온 속도로 20℃에서 600℃까지 수행하였다.
1에 나타내었다. 개선된 증착침전법은 수산화나트륨(NaOH)을 침전제로 사용하여 수용액상에서 금속 전구체의 침전 시간을 6시간 이상의 장시간에서 2시간으로 줄였으며 상온에서 간단한 교반작업을 통해 보다 쉽게 촉매 제조를 가능하게 하였다.
메탄화 반응은 헬륨 기체를 운반 기체로 흘려주면서 일산화탄소와 수소를 3:10의 비율로 공간 속도 30000/hr 조건에서 수행하였다. 반응기의 온도를 50℃에서 1℃/min로 승온 시켜 500℃까지 실험을수행하였으며, 반응 후의 기체를 가스 크로마토그래피의 TCD 검출기를 활용하여 분석하였다.
본 연구에서는 개선된 증착침전법을 통해 촉매 제조 시간을 크게 단축시켰으며 상온에서 간단한 교반 작업을 통해 보다 쉽게 촉매를 제조하였다. 제조된 Ni, Co, Ni-Co 촉매는 작은 크기의 금속 입자가 알루미나 담체 위에 분산된 형태를 나타내고 있었으며, Ni 담지 촉매는 침상 형태, Co, Ni-Co 촉매는 구형의 입자 형태를 가지는 것을 확인하였다.
촉매 담체는 범용적으로 사용되는 데구사(Degussa) 제품인 상용 알루미나를 선택하였다. 이를 바탕으로 증착침전법을 활용하여 Ni, Co, Ni-Co 금속 담지 촉매를 제조하였다. 촉매 제조의 과정은 다음과 같다.
HR-TEM (High-resolution Transmission Electron Microscopy, JEM-3010, JEOL) 분석을 통해 담체 및 금속 입자의 형태 및 크기를 확인하였다. 제조된 금속 촉매의 화학적 특성을 알아보기 위하여 TPR (Temperature Programmed Reduction) 실험을 수행하였다. TPR 분석은 수소와 질소의 비가 1:9인 조건에서 수행하였으며, 5℃/min의 승온 속도로 20℃에서 600℃까지 수행하였다.
제조한 Ni/Al2O3, Co/Al2O3, Ni-Co/Al2O3의 결정 상을 분석하기 위하여 CuKα (wavelength = 0.154 nm)를 X-ray source로 하여 XRD (X-ray Diffractometer, D/max-2500/PC - Rigaku) 분석을 30° -70° 범위에서 수행하였다.
대상 데이터
촉매 담체는 범용적으로 사용되는 데구사(Degussa) 제품인 상용 알루미나를 선택하였다. 이를 바탕으로 증착침전법을 활용하여 Ni, Co, Ni-Co 금속 담지 촉매를 제조하였다.
이론/모형
1. Procedure in preparation of catalysts by deposition-precipitation method.
성능/효과
이러한 현상은 Co가 첨가되었을 경우, Co 성분의 영향으로 인하여 침상 형태의 생성이 억제되고 구형 입자가 형성된 것으로 판단된다. Ni 및 Co 금속 모두 최대 30 nm 이하의 크기로 고르게 분산된 것으로 나타났으며 Co 금속이 첨가된 경우 Ni 담지 촉매에 비하여 더욱 고분산되어 작은 입자로 이루어진 것을 알 수 있었다.
제조된 Ni, Co, Ni-Co 촉매는 작은 크기의 금속 입자가 알루미나 담체 위에 분산된 형태를 나타내고 있었으며, Ni 담지 촉매는 침상 형태, Co, Ni-Co 촉매는 구형의 입자 형태를 가지는 것을 확인하였다. Ni-Co 이원 금속 촉매는 Ni, Co의 상호 작용을 통하여 보다 낮은 온도에서 활성화된 수소를 생성하는 것으로 나타났으며, 이 결과 메탄화 반응 실험에서 Ni, Co 단일 금속 담지 촉매에 비하여 매우 우수한 활성을 보이는 것을 확인하였다.
Ni, Co 단일 금속 촉매의 경우, 400℃에서 반응이 서서히 진행되는 것을 관찰할 수 있다. Ni과 Co 단일 금속 담지 촉매는 상당히 유사한 반응 활성을보임을 알 수 있으나 Co 담지 촉매의 온도가 증가함에 따라 500℃ 이하의 온도에서 꾸준한 일산화탄소 전환율을 보이는 것에 비해 Ni 담지 촉매의 경우 450℃이상의 온도에서 급격한 활성 감소 현상이 관찰되었다. 제조된 금속 촉매 중 Ni-Co 이원 금속 담지 촉매의 경우 가장 우수한 일산화탄소 전환율을 보였으며 다른 두 촉매에 비하여 상대적으로 낮은 온도인 350℃에서 반응이 진행되어 400℃에서 급격하게 활성이 증가하였다.
7에 순수한 메탄 생성물의 선택도와 수율을 나타내었다. 메탄의 수율 측면에서 살펴 볼 때, Fig. 5에서 나타낸 일산화탄소 전환율과는 다르게 Co 담지 촉매 보다 Ni 담지 촉매의 수율이 우수한 것을 확인할 수 있다. Ni 담지 촉매의 선택도는 450℃에서 약 63%로 Co 촉매의 34%에 비하여 크게 높은 것을 확인 할 수 있다.
본 연구에서는 개선된 증착침전법을 통해 촉매 제조 시간을 크게 단축시켰으며 상온에서 간단한 교반 작업을 통해 보다 쉽게 촉매를 제조하였다. 제조된 Ni, Co, Ni-Co 촉매는 작은 크기의 금속 입자가 알루미나 담체 위에 분산된 형태를 나타내고 있었으며, Ni 담지 촉매는 침상 형태, Co, Ni-Co 촉매는 구형의 입자 형태를 가지는 것을 확인하였다. Ni-Co 이원 금속 촉매는 Ni, Co의 상호 작용을 통하여 보다 낮은 온도에서 활성화된 수소를 생성하는 것으로 나타났으며, 이 결과 메탄화 반응 실험에서 Ni, Co 단일 금속 담지 촉매에 비하여 매우 우수한 활성을 보이는 것을 확인하였다.
제조된 Ni, Co, Ni-Co 촉매를 사용하여 메탄화 반응을 수행한 결과 상당량의 이산화탄소가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이는 메탄화 반응에서 생성되는 H2O가 고온에서 수성가스 전환반응을 일으켜 이산화탄소를 생성하기 때문이다.
Ni과 Co 단일 금속 담지 촉매는 상당히 유사한 반응 활성을보임을 알 수 있으나 Co 담지 촉매의 온도가 증가함에 따라 500℃ 이하의 온도에서 꾸준한 일산화탄소 전환율을 보이는 것에 비해 Ni 담지 촉매의 경우 450℃이상의 온도에서 급격한 활성 감소 현상이 관찰되었다. 제조된 금속 촉매 중 Ni-Co 이원 금속 담지 촉매의 경우 가장 우수한 일산화탄소 전환율을 보였으며 다른 두 촉매에 비하여 상대적으로 낮은 온도인 350℃에서 반응이 진행되어 400℃에서 급격하게 활성이 증가하였다. 이는 알루미나에 담지된 Ni, Co 두 물질의 상호 작용으로 인하여 촉매에 흡착된 수소가 보다 낮은 온도에서 활성화 되어 일산화탄소와 반응하기 때문이다.
Co 단일 금속 담지 촉매의 경우 340℃에서 피크가 나타났으며 Ni 단일 금속 담지 촉매의 경우 이보다 높은 405℃에서피크가 나타났다. 피크의 크기 역시 차이를 보였으며 Ni 담지 촉매에 의해 나타난 피크가 Co 담지 촉매에 의해 나타난 피크보다 상대적으로 매우 크게 나타났다. Ni-Co 이원 금속 담지 촉매의 경우 Ni 및 Co 금속에 의하여 나타나는 두 피크 모두 관찰되었으며, 두 종류의 피크가 모두 낮은 온도로 이동하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석유가 점차적으로 사용 한계를 드러내고 있는 이유는?
현대 사회의 에너지원인 석유는 매장량 제한과 불안정한 가격 변동, 환경문제 등으로 인하여 점차적으로 사용 한계를 드러내고 있다. 이에 반해 석탄은전 세계적으로 매장량이 풍부하여 이미 4세기부터 연료로써 사용되기 시작하였고, 18세기 산업 혁명 이래 폭발적인 사용량 증가를 보였다.
석탄은 언제부터 연료로써 사용되기 시작하였는가?
현대 사회의 에너지원인 석유는 매장량 제한과 불안정한 가격 변동, 환경문제 등으로 인하여 점차적으로 사용 한계를 드러내고 있다. 이에 반해 석탄은전 세계적으로 매장량이 풍부하여 이미 4세기부터 연료로써 사용되기 시작하였고, 18세기 산업 혁명 이래 폭발적인 사용량 증가를 보였다. 석탄은 직접 연소를 통하여 에너지원으로 활용될 뿐만 아니라 최근 석탄가스화 (coal gasification) 반응을 통한 새로운 물질로의 전환 반응에도 사용되고 있다[1].
담지 촉매는 함침법, 침전법, 증착법 등의 다양한 방법을 통하여 제조가 가능한데 그 중, 증착침전법은 어떤 방법인가?
담지 촉매는 함침법, 침전법, 증착법 등의 다양한 방법을 통하여 제조가 가능하다. 그 중, 증착침전법은 금속 수화물이 침전되는 적정 pH에 담체를 첨가하여 수용액 상에서 침전된 금속 입자를 담체에 증착시키는 제조 방법이다. 이와 같은 제조법은 금 등의 금속을 나노 크기 상태로 담체에 고르게 분산시킬 수 있다.
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