초록 ▼

1982년 Keller와 Bhasin이 금속산화물촉매상에서 메탄으로부터 에틸렌과 에탄의 합성을 보고한 이래로 메탄의 효율적이용에 관한 연구가 많은 관심속에 이루어져오고 있다. 천연가스의 주성분인 메탄은 수증기개질반응이나 부분산화반응에 의하여수소기체를 생성하는 반응물로 이용될 수 있다. 열화학데이타에 의하면 메탄의 수증기개질반응은 흡열반응이나 메탄의 부분산화반응은 발열반응이다. 따라서 금속산화물 존재하에 고온에서 메탄과 산소기체의 혼합물을 반응시킬 경우 수소기체 뿐만 아니라 많은 양의이산화탄소나 일산화탄소가 생성되

1982년 Keller와 Bhasin이 금속산화물촉매상에서 메탄으로부터 에틸렌과 에탄의 합성을 보고한 이래로 메탄의 효율적이용에 관한 연구가 많은 관심속에 이루어져오고 있다. 천연가스의 주성분인 메탄은 수증기개질반응이나 부분산화반응에 의하여수소기체를 생성하는 반응물로 이용될 수 있다. 열화학데이타에 의하면 메탄의 수증기개질반응은 흡열반응이나 메탄의 부분산화반응은 발열반응이다. 따라서 금속산화물 존재하에 고온에서 메탄과 산소기체의 혼합물을 반응시킬 경우 수소기체 뿐만 아니라 많은 양의이산화탄소나 일산화탄소가 생성되며, 생성된 산화탄소들을 이용하여 수증기와의 반응으로부터 수소기체를 생성할 수 있다.본 연구에서는 전이금속산화물과 희토류 금속산화물에 원자가가 다른 여러 금속양이온들을 여러 조성으로서 합성하였으며, 이들의 전기적특성들을 측정하고, 메탄활성화반응, 메탄의 수증기개질반응, 수성가스반응에대한 이들의 촉매활성을 조사하였다. 본 연구의 연구기간은 2년으로서 1차년도에서는 주로 기체탄화수소화합물의 감지기로 이용할 수 있는 산화인듐계 촉매들을 연구하였다. 금속산화물과 금속칼코겐 화합물의 촉매활성을 비교해 보기위하여 삼성분금속칼코겐화합물들을 합성하여 이들의 촉매활성을 측정하였다. 또한 알루미나에 지지된 Rh/Al2O3와 Ru/Al2O3를 제조하여 이들의 촉매활성도 측정하였다. 2차년도에서는 희토류 금속산화물인 산화네오디뮴과 산화사마륨에 원자가가 다른 양이온들을 도프시킨 계들을 제조하여 첨가된 양이온이 촉매활성에 미치는 영향을 연구하였다. 제조한금속산화물 촉매들의 전기적특성을 조사하기 위하여 각 금속산화물의 전기전도도를 여러 산소분압하에 25-1000℃ 영역에서 온도의 함수로 측정하였다. 촉매의구조, 물리적특성 및표면특성을 조사하기 위하여 XRD, TG, DSC, SEM, EDX 및 XPS 분석을 실시하였다. 또한 고분해능의 FT-IR을 이용하여 반응을 통해 촉매표면에 생성되는 화학종들에 대한 분광학적 연구를 하였다.연구결과에 의하면 원자가가 다른 양이온을 도프시켰을 때 생성되는 결함들이 촉매활성에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 메탄활성화반응, 수성가스반응, 메탄의 수증기개질반응에 대한 산화네오디뮴과 산화사마륨의 촉매활성은 원자가가 다른 양이온의 도프에 의하여 향상될 수 있는 것으로 나타났다. 또한 메탄의 할성화반응에서 촉매의 C2선택성과산화물내에서 산소이온의 이동도와는 밀접한 관계가 있음을 보여주었다. 실험결과에 입각하여 촉매반응메카니즘과 활성화자리를 고체화학적관점에서 규명하였다.

Abstract ▼

Since Keller and Bhasin reported the production of ethyleneand ethane from methane over metal oxide catalysts in 1982, methane utilization hasbeen a subject of extensive research interest. Methane, the most abundant componentof natural gas, can be utilized as a source for H2 production via

Since Keller and Bhasin reported the production of ethyleneand ethane from methane over metal oxide catalysts in 1982, methane utilization hasbeen a subject of extensive research interest. Methane, the most abundant componentof natural gas, can be utilized as a source for H2 production via the steam reforming orpartial oxidation over metal oxide catalysts. According to thermochemical data, themethane steam reforming is endothermic, while the partial oxidation of methane isexothermic. Therefore, when a mixture of methane and oxygen is reacted at hightemperatures over metal oxide catalyst, a large amount of carbon monoxide and carbondioxide as well as H2 are produced and the carbon oxide produced can be used asreactants for the water gas shift reaction in which hydrogen gas is produced.In this work, we prepared various metal oxide catalysts, measured their electricalproperties, and investigated their catalytic activities for methane activation, methanesteam reforming, and water gas shift reaction. This work was conducted for twoyears. In the first year, we studied indium sesquioxide-based catalysts which can beutilized as a sensor for gaseous hydrocarbons. Ternary metal chalcogenides weresynthesized and investigated their catalytic activities for the reactions to compare thecatalytic activities between metal oxide and metal chalcogenide. Also, catalyticactivities of Rh/alumina and Ru/alumina were investigated for the reactions. In thesecond year, we prepared neodymium oxides and samarium oxides doped withaltervalent cations and investigated the effect of cation-doping on their catalyticactivitiese. To investigate the electrical properties of the oxides, their electricalconductivities were measured as a function of temperature from 25 to 1000℃ at variousPo2's. To characterize the catalysts, XRD, TG, DSC, SEM, EDX, and XPS anayseswere performed. The species formed on the catalyst surface through the catalyticreaction were studied by using the high resolution FT-IR spectrometer.The present results showed that defects formed by cation-doping in the oxide havean effect on the catalytic activity of metal oxide. Catalytic activities of neodymiumoxide and samarium oxide in the methane activation, water gas shift reaction, andmethane steam reforming were enhanced by altervalent cation-doping. It was foundthat the C2 selectivity in the methane activation depends on the mobility of oxygen ionin the oxide. Based on the solid state chemistry, catalytic reaction mechanisms andactive sites were discussed from the experimental results.

목차 Contents

• 목차 ... 6
• I. 서론 ... 7
• II. 연구방법 및 이론 ... 9
• III. 결과 ... 11
• IV. 고찰 ... 16
• V. 결론 ... 19
• VI. 인용문헌 ... 20
• 연구수행관련 논문발표 목록서 ... 40
• 자체평가서 ... 41