[논문]청정수소 생산을 위한 암모니아 분해 반응에서 Ni/Zeolite 촉매의 반응활성에 관한 연구

김지유; 김경덕; 정운호; 박용하; 이기봉; 구기영

doi:10.7842/kigas.2023.27.3.19

청정수소 생산을 위한 암모니아 분해 반응에서 Ni/Zeolite 촉매의 반응활성에 관한 연구
Ammonia Decomposition over Ni Catalysts Supported on Zeolites for Clean Hydrogen Production 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.27 no.3, 2023년, pp.19 - 26

김지유 (한국에너지기술연구원 수소연구단) , 김경덕 (한국에너지기술연구원 수소연구단) , 정운호 (한국에너지기술연구원 수소연구단) , 박용하 (한국에너지기술연구원 수소연구단) , 이기봉 (고려대학교 화공생명공학과) , 구기영 (한국에너지기술연구원 수소연구단)

초록
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수소는 화석연료를 대체할 수 있는 COx-free 에너지원으로 사용량은 지속적으로 증가할 것이다. 수소는 단위 질량당 에너지 함량이 높으나, 낮은 저장 밀도와 장기 저장의 어려움으로 저장 및 운송에 한계가 존재한다. 반면, 암모니아는 단위 부피당 저장용량이 크고, 비교적 액화가 용이하여 대용량 수소를 저장 및 운송할 수 있는 수소 운반체로 주목받고 있다. 암모니아 분해를 통한 수소 생산 반응은 흡열반응으로 공정의 효율성 및 경제성을 위해 저온 활성이 우수한 촉매 개발이 요구된다. 본 연구에서는 활성금속 Ni의 고분산 담지를 위해 넓은 비표면적의 제올라이트를 지지체로 사용하였으며, 제올라이트 종류(5A, NaY, ZSM5)에 따른 특성(기공구조, 양이온, Si/Al-비)이 촉매 활성 및 반응 특성에 미치는 영향을 확인하였다. 5A 제올라이트는 표면, 기공, 구조체 내에 Ni 을 고분산 담지를 가능하게 하였으며, 낮은 Si/Al-비로 인한 풍부한 산점은 암모니아 흡착을 증가시켰다. 또한, 지지체에 포함된 Na과 Ca 양이온으로 인한 중간-염기점은 질소 탈착속도를 향상시켰다. 따라서, 15wt%Ni/5A 촉매는 강한 금속-지지체 상호작용과 중간-염기점을 통한 질소 탈착 속도 향상으로 가장 우수한 암모니아 전환율과 높은 수소 생성율 23.5 mmol/g_cat·min (30,000 mL/g_cat·h, 600 ℃)을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen, a clean energy source free of COx emissions, is poised to replace fossil fuels, with its usage on the rise. Despite its high energy content per unit mass, hydrogen faces limitations in storage and transportation due to its low storage density and challenges in long-term storage. In contrast, ammonia offers a high storage capacity per unit volume and is relatively easy to liquefy, making it an attractive option for storing and transporting large volumes of hydrogen. While NH3 decomposition is an endothermic reaction, achieving excellent low-temperature catalytic activity is essential for process efficiency and cost-effectiveness. The study examined the effects of different zeolite types (5A, NaY, ZSM5) on NH3 decomposition activity, considering differences in pore structure, cations, and Si/Al-ratio. Notably, the 5A zeolite facilitated the high dispersion of Ni across the surface, inside pores, and within the structure. Its low Si/Al ratio contributed to abundant acidity, enhancing ammonia adsorption. Additionally, the presence of Na and Ca cations in the support created medium basic sites that improved N2 desorption rates. As a result, among the prepared catalysts, the 15 wt%Ni/5A catalyst exhibited the highest NH3 conversion and a high H2 formation rate of 23.5 mmol/gcat·min (30,000 mL/gcat·h, 600 ℃). This performance was attributed to the strong metal-support interaction and the enhancement of N2 desorption rates through the presence of medium basic sites.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic of NH3 decomposition reaction system.
그림 Fig. 2. XRD patterns of the Ni/zeolite catalysts.
그림 Fig. 3. H₂-TPR profiles of Ni/zeolite catalysts.
표 Table 1. Physicochemical characteristics of Ni based catalysts.
그림 Fig. 4. (a) NH3-TPD MS(m/z=17) and (b) CO₂- TPD (m/z=44) profiles of Ni/zeolite catalysts.
그림 Fig. 5. (a) Catalytic activity of Ni catalysts for NH₃ decomposition over a temperature range of 400-700 ℃ at WHSV= 30,000 mL/g_cath (b) Arrhenius plots of NH₃ decomposition for Ni catalysts at WHSV=30,000 mL/g_cath
그림 Fig. 6. N₂ desorption profiles of Ni/zeolite catalysts from NH₃-TPD-MS.
그림 Fig. 7. Stability test of NH₃ decomposition over Ni/zeolite catalysts at 550 ℃, WHSV＝ 30,000 mL/g_cath
표 Table 2. Catalyst performance of the Ni/zeolite catalysts

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