KR102199485B1 - Method of preparing catalyst for single stage water gas shift reaction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일단 수성가스 전이 반응을 위한 촉매의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 저온에서도 높은 활성과 안정성을 나타내는, 일단 수성가스 전이 반응에 적합한 저온 반응성이 강화된 일단 수성가스 전이 반응을 위한 구리계 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a catalyst for a water gas transfer reaction, specifically, a copper-based for a water gas transfer reaction having enhanced low-temperature reactivity suitable for a water gas transfer reaction, showing high activity and stability even at low temperatures. It relates to a method for producing a catalyst.
Description
본 발명은 일단 수성가스 전이 반응을 위한 촉매의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 저온에서도 높은 활성과 안정성을 나타내는, 일단 수성가스 전이 반응에 적합한 저온 반응성이 강화된 일단 수성가스 전이 반응을 위한 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for preparing a catalyst for a water gas transfer reaction, specifically, a catalyst for a water gas transfer reaction having enhanced low-temperature reactivity suitable for a water gas transfer reaction, showing high activity and stability even at low temperatures. It relates to a manufacturing method.
최근 들어 화석연료 사용에 따른 에너지 안보 문제와 온실가스 배출에 대한 위기의식이 높아짐에 따라 신에너지인 수소의 효율적 생산에 대한 국제적 관심이 증가하고 있다. 수소는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않고 물만을 배출하는 청정에너지로서, 미래 에너지원으로 각광받고 있다. 화석연료의 이용 없이 수소를 생산하는 사회의 전 단계로서, 기존 인프라를 사용하면서 온실가스 배출량을 줄이고 점진적으로 수소 경제 사회로 전환할 수 있는 방법은 탄화수소로부터 생산된 수소를 이용하는 방법이다. 현재 대용량 규모의 수소 생산 시스템은 상용화되어 있으나, 수소의 분배 및 저장을 위한 인프라 구축 문제가 경제적 장벽으로 남아있는 실정이다. 따라서, 연료전지의 효율적 공급 인프라 구축과 일체형 수소생산시스템의 실현을 위해서는 중·소형 규모의 연료 개질기의 개발이 필요하다. 그러나, 공간제약으로 인한 스케일-다운의 어려움과 시스템 소형화에 따른 열효율 저하로 인해 기술 개발에 어려움을 겪고 있다. 미국 에너지부(DOE: Department of Energy)에서는 국제적으로 IEA(IEA: International Energy Agency) 실행프로그램을 통해 중·소형 연료 개질기 개발이 진행되었으며 운전 용이성이 확보된 가스기기 수준의 통합형 연료 개질기를 위한 새로운 열 및 시스템 통합 엔지니어링 기술이 제시되고 있다.In recent years, as the energy security problem caused by the use of fossil fuels and the risk of GHG emissions have increased, international interest in the efficient production of hydrogen, a new energy, is increasing. Hydrogen is a clean energy that emits only water without emitting carbon dioxide during combustion, and is attracting attention as a future energy source. As a previous stage in a society that produces hydrogen without the use of fossil fuels, the method to reduce greenhouse gas emissions while using existing infrastructure and gradually convert to a hydrogen economy society is the method of using hydrogen produced from hydrocarbons. Currently, large-scale hydrogen production systems are commercially available, but the problem of building an infrastructure for distribution and storage of hydrogen remains an economic barrier. Therefore, in order to establish an efficient supply infrastructure for fuel cells and to realize an integrated hydrogen production system, it is necessary to develop a fuel reformer of medium and small size. However, due to the difficulty of scale-down due to space constraints and the decrease in thermal efficiency due to system miniaturization, technology development is difficult. The U.S. Department of Energy (DOE) has developed small and medium-sized fuel reformers internationally through the International Energy Agency (IEA) program, and is a new heat for gas equipment-level integrated fuel reformers that ensure ease of operation. And system integration engineering technology is being proposed.
연료 개질 시스템은 탄화수소 연료의 개질을 통하여 수소를 생산하는 것이 일반적이며, 그 중에서도 천연가스를 이용한 수소 생산이 가장 경제적인 수소 제조 방법으로 비중이 약 90%에 이른다. 천연가스로부터 수소 생산을 위해서는 탈황 반응(DeS: desulfurization), 수증기개질 반응(SRM: Steam Reforming of Methane), 수성가스 전이 반응(WGS: Water-Gas Shift), 선택적 산화 반응(PROX: Preferential Oxidation)이 순차적으로 필요하며, 각 반응별 촉매는 수소의 생산효율을 결정하는 핵심적 요소이다.Fuel reforming systems generally produce hydrogen through reforming of hydrocarbon fuels, and among them, hydrogen production using natural gas is the most economical method of producing hydrogen, and its proportion reaches about 90%. For hydrogen production from natural gas, desulfurization (DeS), steam reforming of methanol (SRM), water-gas shift (WGS), and selective oxidation (PROX) are required. It is required sequentially, and the catalyst for each reaction is a key factor in determining the production efficiency of hydrogen.
기존 WGS 공정은 열역학적 제한으로 인해 고온 수성가스 전이 반응(HT-WGS: High temperature WGS)과 저온 수성가스 전이 반응(LT-WGS: Low temperature WGS)의 두 가지 공정으로 분리되어 반응기 단가가 높고 반응기 부피가 커지는 단점이 있다.Existing WGS process is divided into two processes: high temperature water gas transfer reaction (HT-WGS: High temperature WGS) and low temperature water gas transfer reaction (LT-WGS: Low temperature WGS) due to thermodynamic limitations, resulting in a high reactor cost and high reactor volume. There is a drawback of getting bigger.
WGS 공정의 컴팩트/고효율화를 위해서는 HT-WGS와 LT-WGS를 동시에 수행 가능한 일단 수성가스 전이 반응(Single stage WGS)이 반드시 필요한 핵심 기술로 제안되고 있으며, 열역학적으로 유리한 저온에서 WGS 반응을 수행하는 것이 적합하다. 일단 WGS의 경우 기존의 두 단계 WGS보다 높은 처리용량이 요구되고 발열반응에 의한 큰 온도 변화가 일어날 수 있어 촉매의 높은 성능과 소결에 대한 저항성이 요구된다. 최근, 일단 WGS용 백금(Pt) 기반 촉매 및 구리(Cu) 기반 촉매가 연구되고 있으나, 백금의 높은 가격 및 낮은 저온 반응성으로 인해 어려움을 겪고 있다. 따라서 일단 WGS 반응에 적합한 저온 반응성이 강화된 고활성/고내구성 촉매 개발이 반드시 필요하다.
For compact/high efficiency of the WGS process, single stage WGS, which can perform both HT-WGS and LT-WGS at the same time, is proposed as a core technology, and it is suggested to perform the WGS reaction at a thermodynamically advantageous low temperature. Suitable. First, in the case of WGS, a higher processing capacity than the existing two-stage WGS is required, and a large temperature change may occur due to an exothermic reaction, so high performance of the catalyst and resistance to sintering are required. Recently, a platinum (Pt)-based catalyst and a copper (Cu)-based catalyst for WGS have been studied, but they suffer from difficulties due to the high price and low low temperature reactivity of platinum. Therefore, it is absolutely necessary to develop a highly active/high durability catalyst with enhanced low-temperature reactivity suitable for WGS reaction.
이에 상기의 문제점을 해결하고자, 본 발명자들은 구리계 촉매로 구리-아연-알루미늄(Cu-Zn-Al) 촉매를 제조하고 상기 촉매의 조성비, 제조 방법, 조촉매를 변화시킨 뒤 반응 성능 평가를 통해 저온에서 높은 활성과 안정성을 가지는 일단 수성가스 전이 반응용 촉매의 제조방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
In order to solve the above problems, the present inventors prepared a copper-zinc-aluminum (Cu-Zn-Al) catalyst as a copper-based catalyst, and changed the composition ratio, production method, and cocatalyst of the catalyst, and then evaluated the reaction performance. The present invention was completed by developing a method for producing a catalyst for a water gas transfer reaction, which has high activity and stability at low temperatures.
본 발명의 목적은 저온에서도 높은 활성과 안정성을 나타내는, 일단 수성가스 전이 반응에 적합한 저온 반응성이 강화된 일단 수성가스 전이 반응용 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a catalyst for a water gas transfer reaction having enhanced low-temperature reactivity suitable for a water gas transfer reaction, which exhibits high activity and stability even at a low temperature.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention
1) 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체를 용해하고 가열하여 전구체 수용액을 제조하는 단계;1) dissolving and heating a copper precursor, a zinc precursor, and an aluminum precursor to prepare an aqueous precursor solution;
2) 상기 단계 1)의 전구체 수용액에 침전제를 첨가하고 적정하는 단계;2) adding and titrating a precipitant to the aqueous precursor solution of step 1);
3) 상기 단계 2)에서 적정한 전구체 수용액을 20 내지 90℃에서 48 내지 148 시간 동안 숙성시키고 세척하여 침전물을 수득하는 단계;3) aging the appropriate aqueous precursor solution in step 2) at 20 to 90° C. for 48 to 148 hours and washing to obtain a precipitate;
4) 상기 단계 3)에서 수득한 침전물을 90 내지 120℃에서 건조하는 단계;4) drying the precipitate obtained in step 3) at 90 to 120°C;
5) 상기 단계 4)에서 건조한 침전물을 250 내지 450℃에서 4 내지 8 시간 동안 소성하는 단계를 포함하는 수성가스 전이 반응용 촉매의 제조 방법을 제공한다.5) It provides a method for producing a catalyst for water gas transfer reaction comprising the step of calcining the precipitate dried in step 4) at 250 to 450°C for 4 to 8 hours.
또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 수성가스 전이 반응용 촉매를 단일 촉매로 사용하는 단계를 포함하는 수성가스 전이 방법을 제공한다.
In addition, the present invention provides a water gas transfer method comprising the step of using the water gas transfer reaction catalyst prepared according to the above method as a single catalyst.
본 발명에서는 공침법을 이용하여 구리-아연-알루미늄(Cu-Zn-Al) 촉매를 제조하였고, 상기 촉매의 최적 조성비, 최적 제조 방법을 도출하여 저온에서도 높은 활성을 갖고 촉매의 안정성이 향상된 구리-아연-알루미늄 촉매를 제조할 수 있음을 확인하였으므로, 본 발명의 방법에 따라 제조된 촉매를 일단 수성가스 전이 반응용 촉매로 유용하게 이용할 수 있다.
In the present invention, a copper-zinc-aluminum (Cu-Zn-Al) catalyst was prepared by using a co-precipitation method, and by deriving an optimum composition ratio and an optimum manufacturing method of the catalyst, copper- Since it has been confirmed that a zinc-aluminum catalyst can be prepared, the catalyst prepared according to the method of the present invention can be effectively used as a catalyst for water gas transfer reaction.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 촉매를 사용한 수성가스 전이 반응 장치를 모식화한 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 구리(Cu) : 아연(Zn) 조성비를 1 : 1로 고정하고 알루미늄(Al) 함량을 달리하여 제조한 구리-아연-알루미늄(Cu-Zn-Al) 촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu : Zn 조성비를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu : Zn 조성비를 1 : 1로 고정하고 Al 함량을 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu : Zn 조성비를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu : Zn 조성비를 1 : 1로 고정하고 Al 함량을 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu : Zn 조성비를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 적정 순서를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 적정 순서를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 적정 시간을 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 적정 시간을 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 적정 pH를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 적정 pH를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 숙성 온도를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 숙성 온도를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 숙성 시간을 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 숙성 시간을 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 소성 온도를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 TPR 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 소성 온도를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 소성 온도를 달리하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 시간에 따른 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 Cu-Zn-Al 촉매 제조 시 조촉매를 첨가하여 제조한 Cu-Zn-Al 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따라 최적 제조 조건에서 제조한 Cu-Zn-Al 촉매와 상용 촉매의 CO 전환율을 나타낸 도이다.1 is a diagram schematically illustrating a water gas transfer reaction apparatus using a catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
2 is a copper-zinc-aluminum (Cu-Zn-Al) prepared by fixing the composition ratio of copper (Cu): zinc (Zn) to 1:1 and varying the content of aluminum (Al) according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing the results of XRD analysis of the catalyst.
3 is a diagram showing the XRD analysis result of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the composition ratio of Cu:Zn according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the TPR analysis results of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by fixing a composition ratio of Cu:Zn to 1:1 and varying Al content according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the TPR analysis result of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the composition ratio of Cu:Zn according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing the CO conversion rate of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by fixing a composition ratio of Cu:Zn to 1:1 and varying Al content according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing the CO conversion rate of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the composition ratio of Cu:Zn according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing TPR analysis results of a Cu-Zn-Al catalyst prepared in a different order when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing the CO conversion rate of a Cu-Zn-Al catalyst prepared in a different order when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing the TPR analysis result of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying an appropriate time when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing CO conversion of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying an appropriate time when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing the TPR analysis results of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying an appropriate pH when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram showing CO conversion of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying an appropriate pH when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram showing TPR analysis results of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the aging temperature when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram showing the CO conversion rate of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the aging temperature when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram showing the TPR analysis result of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the aging time when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
17 is a diagram showing CO conversion of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the aging time when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
18 is a diagram showing the TPR analysis result of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the sintering temperature when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
19 is a view showing the CO conversion rate of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the sintering temperature when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
20 is a diagram showing the CO conversion rate over time of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by varying the sintering temperature when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing CO conversion of a Cu-Zn-Al catalyst prepared by adding a cocatalyst when preparing a Cu-Zn-Al catalyst according to an embodiment of the present invention.
22 is a diagram showing CO conversion between a Cu-Zn-Al catalyst and a commercial catalyst prepared under optimal production conditions according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은The present invention
1) 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체를 용해하고 가열하여 전구체 수용액을 제조하는 단계;1) dissolving and heating a copper precursor, a zinc precursor, and an aluminum precursor to prepare an aqueous precursor solution;
2) 상기 단계 1)의 전구체 수용액에 침전제를 첨가하고 적정하는 단계;2) adding and titrating a precipitant to the aqueous precursor solution of step 1);
3) 상기 단계 2)에서 적정한 전구체 수용액을 20 내지 90℃에서 48 내지 148 시간 동안 숙성시키고 세척하여 침전물을 수득하는 단계;3) aging the appropriate aqueous precursor solution in step 2) at 20 to 90° C. for 48 to 148 hours and washing to obtain a precipitate;
4) 상기 단계 3)에서 수득한 침전물을 90 내지 120℃에서 건조하는 단계;4) drying the precipitate obtained in step 3) at 90 to 120°C;
5) 상기 단계 4)에서 건조한 침전물을 250 내지 450℃에서 4 내지 8 시간 동안 소성하는 단계를 포함하는 수성가스 전이 반응용 촉매의 제조 방법을 제공한다.5) It provides a method for producing a catalyst for water gas transfer reaction comprising the step of calcining the precipitate dried in step 4) at 250 to 450°C for 4 to 8 hours.
본 발명에 있어, 상기 단계 1)에서 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체는 질산염 또는 질산염 수화물일 수 있고, 구체적으로 질산염 수화물일 수 있다. 예컨대, 구리 전구체는 질산구리(Cu(NO3)3) 또는 질산구리 수화물(Cu(NO3)3·xH2O)일 수 있고, 아연 전구체는 질산아연(Zn(NO3)2) 또는 질산아연 수화물(Zn(NO3)2·6H2O)일 수 있으며, 알루미늄 전구체는 질산알루미늄(Al(NO3)3) 또는 질산구리 수화물(Al(NO3)3·9H2O)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the copper precursor, the zinc precursor, and the aluminum precursor in step 1) may be nitrate or nitrate hydrate, and specifically, may be nitrate hydrate. For example, the copper precursor may be copper nitrate (Cu(NO 3 ) 3 ) or copper nitrate hydrate (Cu(NO 3 ) 3 ·xH 2 O), and the zinc precursor is zinc nitrate (Zn(NO 3 ) 2 ) or nitric acid It may be zinc hydrate (Zn(NO 3 ) 2 ·6H 2 O), and the aluminum precursor may be aluminum nitrate (Al(NO 3 ) 3 ) or copper nitrate hydrate (Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O), but , But is not limited thereto.
본 발명에 있어, 상기 단계 2)에서 pH 10 내지 10.5에서 적정하는 것이 바람직하다. 상기 적정 pH가 상기 범위를 벗어날 경우 저온에서 촉매의 환원력이 감소하여 촉매 활성이 저하될 수 있다.In the present invention, it is preferable to titrate at a pH of 10 to 10.5 in step 2). When the appropriate pH is out of the above range, the reducing power of the catalyst may decrease at a low temperature, thereby reducing catalytic activity.
또한, 상기 단계 2)에서 적정 시간은 90분 미만인 것이 바람직하고, 60분 미만인 것이 보다 바람직하며, 30분 미만인 것이 보다 더 바람직하고, 5분 미만인 것이 보다 더 바람직하고, 0분, 즉 적정 후 바로 단계 3)을 수행하는 것이 가장 바람직하다.In addition, the appropriate time in step 2) is preferably less than 90 minutes, more preferably less than 60 minutes, even more preferably less than 30 minutes, even more preferably less than 5 minutes, and 0 minutes, that is, immediately after titration It is most preferred to carry out step 3).
또한, 상기 단계 2)에서 적정은 전구체 수용액에 침전제 용액을 첨가하여 적정, 또는 침전제 용액에 전구체 수용액을 첨가하여 적정할 수 있으나, 전구체 수용액에 침전제 용액을 첨가하여 적정하는 것이 보다 바람직하다.In addition, the titration in step 2) may be performed by adding a precipitant solution to the precursor aqueous solution, or by adding a precursor aqueous solution to the precipitant solution, but it is more preferable to add a precipitant solution to the precursor aqueous solution.
또한, 상기 단계 2)에서 침전제는 수산화칼륨 용액, 수산화나트륨 용액, 탄산칼륨 용액 또는 탄산나트륨 용액일 수 있고, 보다 구체적으로 수산화칼륨 용액일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 침전제를 전구체 수용액 총 중량%에 대하여 5 내지 25 중량%로 첨가할 수 있고, 보다 구체적으로 10 내지 20 중량%로 첨가할 수 있으며, 보다 더 구체적으로 13 내지 17 중량%로 첨가할 수 있고, 보다 더 구체적으로 15 중량%로 첨가할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In addition, the precipitant in step 2) may be a potassium hydroxide solution, a sodium hydroxide solution, a potassium carbonate solution, or a sodium carbonate solution, and more specifically, a potassium hydroxide solution, but is not limited thereto. In addition, the precipitant may be added in an amount of 5 to 25% by weight based on the total weight% of the precursor aqueous solution, more specifically in an amount of 10 to 20% by weight, and more specifically in an amount of 13 to 17% by weight. And, more specifically, it may be added in 15% by weight, but is not limited thereto.
본 발명에 있어, 상기 단계 3)에서 적정한 전구체 수용액을 20 내지 90℃에서 48 내지 148 시간 동안 숙성시키는 것이 바람직하고, 35 내지 85℃에서 60 내지 132 시간 동안 숙성시키는 것이 보다 바람직하며, 37 내지 83℃에서 66 내지 126 시간 동안 숙성시키는 것이 보다 더 바람직하며, 40 내지 80℃에서 72 내지 120 시간 동안 숙성시키는 것이 보다 더 바람직하고, 80℃에서 72 시간 동안 숙성시키는 것이 가장 바람직하다. 상기 숙성 온도가 상기 범위를 벗어날 경우 저온에서 촉매의 환원력이 감소하여 촉매 활성이 저하될 수 있다. 상기 숙성 시간이 48 시간 미만일 경우 촉매의 환원력이 감소하여 촉매 활성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 숙성 시간이 148 시간을 초과할 경우 촉매 제조 시 단가가 상승하여 경제적으로 비효율적일 수 있다.In the present invention, the precursor aqueous solution suitable in step 3) is preferably aged at 20 to 90°C for 48 to 148 hours, more preferably aged at 35 to 85°C for 60 to 132 hours, and 37 to 83 It is even more preferable to aged for 66 to 126 hours at ℃, even more preferably aged for 72 to 120 hours at 40 to 80 ℃, most preferably aged for 72 hours at 80 ℃. When the aging temperature is out of the above range, the reducing power of the catalyst may decrease at a low temperature, thereby reducing catalytic activity. If the aging time is less than 48 hours, the reducing power of the catalyst may decrease, and thus catalytic activity may decrease. In addition, when the aging time exceeds 148 hours, the cost increases during the production of the catalyst, which may be economically inefficient.
본 발명에 있어, 상기 단계 5)에서 건조한 침전물을 250 내지 450℃에서 4 내지 8 시간 동안 소성하는 것이 바람직하고, 300 내지 440℃에서 4.5 내지 7.5 시간 동안 소성하는 것이 보다 바람직하며, 330 내지 430℃에서 5 내지 7 시간 동안 소성하는 것이 보다 더 바람직하고, 360 내지 420℃에서 5 내지 7 시간 동안 소성하는 것이 보다 더 바람직하며, 390 내지 410℃에서 5 내지 7시간 동안 소성하는 것이 보다 더 바람직하고, 395 내지 405℃에서 5 내지 7시간 동안 소성하는 것이 보다 더 바람직하며, 400℃에서 6시간 동안 소성하는 것이 가장 바람직하다. 상기 소성 온도가 상기 범위를 벗어날 경우 전구체 침전 시 생성되는 Cu(OH)2가 모두 CuO로 분해되지 않아 촉매의 환원력이 감소하여 촉매 활성이 저하될 수 있다.In the present invention, the precipitate dried in step 5) is preferably calcined at 250 to 450°C for 4 to 8 hours, more preferably calcined at 300 to 440°C for 4.5 to 7.5 hours, and 330 to 430°C It is even more preferable to calcinate at 5 to 7 hours, even more preferable to calcinate at 360 to 420°C for 5 to 7 hours, even more preferable to calcinate at 390 to 410°C for 5 to 7 hours, It is even more preferable to sinter at 395 to 405°C for 5 to 7 hours, and most preferably at 400°C for 6 hours. When the sintering temperature is out of the above range, all Cu(OH) 2 generated during precursor precipitation is not decomposed into CuO, so that the reducing power of the catalyst decreases, thereby reducing catalytic activity.
본 발명에 있어, 상기 수성가스 전이 반응용 촉매는 촉매 총 중량%에 대하여 42.5 내지 67.5 중량%의 구리, 22.5 내지 47.5 중량%의 아연 및 5 내지 15 중량%의 알루미늄을 포함하는 것이 바람직하고, 촉매 총 중량%에 대하여 43 내지 67 중량%의 구리, 23 내지 47 중량%의 아연 및 5 내지 13 중량%의 알루미늄을 포함하는 것이 보다 바람직하며, 촉매 총 중량%에 대하여 45 내지 65 중량%의 구리, 25 내지 45 중량%의 아연 및 5 내지 10 중량%의 알루미늄을 포함하는 것이 보다 더 바람직하고, 촉매 총 중량%에 대하여 65 중량%의 구리, 25 중량%의 아연 및 10 중량%의 알루미늄을 포함하는 것이 가장 바람직하다. 상기 알루미늄 함량이 5 중량% 미만일 경우 저온, 예컨대 저온 수성가스 전이 반응 온도에서 촉매의 환원력이 저하될 수 있고, 상기 알루미늄 함량이 15 중량%를 초과할 경우 촉매 내 구리 함량 및 표면의 구리 원자수가 감소하여 촉매의 환원력이 저하될 수 있다.In the present invention, the catalyst for water gas transfer reaction preferably comprises 42.5 to 67.5% by weight of copper, 22.5 to 47.5% by weight of zinc and 5 to 15% by weight of aluminum based on the total weight of the catalyst, and the catalyst It is more preferable to include 43 to 67% by weight of copper, 23 to 47% by weight of zinc and 5 to 13% by weight of aluminum, based on the total weight% of the catalyst, 45 to 65% by weight of copper, It is even more preferable to contain 25 to 45% by weight of zinc and 5 to 10% by weight of aluminum, and to contain 65% by weight of copper, 25% by weight of zinc and 10% by weight of aluminum based on the total weight of catalyst. It is most preferred. When the aluminum content is less than 5% by weight, the reducing power of the catalyst may decrease at a low temperature, such as a low-temperature water gas transition reaction temperature, and when the aluminum content exceeds 15% by weight, the copper content in the catalyst and the number of copper atoms on the surface decrease Thus, the reducing power of the catalyst may be lowered.
또한, 상기 수성가스 전이 반응용 촉매는 구리 : 아연 : 알루미늄을 42.5 내지 67.5 : 22.5 내지 47.5 : 10의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 43 내지 67 : 23 내지 45 : 10의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하며, 44.5 내지 65.5 : 24.5 내지 45.5 : 10의 중량비로 포함하는 것이 보다 더 바람직하고, 45 내지 65 : 25 내지 45 : 10의 중량비로 포함하는 것이 보다 더 바람직하며, 65 : 25 : 10의 중량비로 포함하는 것이 가장 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 수성가스 전이 반응용 촉매는 구리 : 아연 : 알루미늄을 42.5 : 42.5 : 10 내지 67.5 : 25.5 : 10의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 45 : 45 : 10 내지 65 : 25 : 10의 중량비로 포함하는 것이 보다 바람직하며, 65 : 25 : 10의 중량비로 포함하는 것이 가장 바람직하다. 상기 구리 : 아연 : 알루미늄의 중량비가 상기 범위를 벗어날 경우 저온에서 촉매의 환원력이 저하될 수 있다.In addition, the catalyst for the water gas transfer reaction is preferably containing copper: zinc: aluminum in a weight ratio of 42.5 to 67.5: 22.5 to 47.5: 10, and more preferably in a weight ratio of 43 to 67: 23 to 45:10. It is preferable, and it is more preferable to include it in a weight ratio of 44.5 to 65.5: 24.5 to 45.5: 10, even more preferable to include in a weight ratio of 45 to 65: 25 to 45:10, and a weight ratio of 65: 25: 10 It is most preferable to include as. More specifically, the catalyst for the water gas transfer reaction is preferably copper: zinc: aluminum in a weight ratio of 42.5: 42.5: 10 to 67.5: 25.5: 10, and 45: 45: 10 to 65: 25: 10 It is more preferable to include it in a weight ratio, and it is most preferable to include it in a weight ratio of 65:25:10. When the weight ratio of the copper: zinc: aluminum is out of the above range, the reducing power of the catalyst may decrease at low temperatures.
본 발명에 있어, 상기 수성가스 전이 반응용 촉매는 조촉매, 예컨대 백금, 마그네슘 또는 규소를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 상기 조촉매를 사용하지 않고서도 기존의 상용 촉매에 비해 우수한 전환율을 나타내는 촉매를 얻을 수 있는 바, 제조비용 면에서 공지된 상용 촉매에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 제조할 수 있다는 장점이 있다.
In the present invention, it is preferable that the catalyst for the water gas transfer reaction does not contain a cocatalyst such as platinum, magnesium or silicon. A catalyst exhibiting an excellent conversion rate compared to conventional commercial catalysts can be obtained without using the cocatalyst, and has the advantage of being able to manufacture at a much lower cost compared to known commercial catalysts in terms of manufacturing cost.
본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 수성가스 전이 반응용 촉매는 저온 반응성이 강화되어 통상의 수성가스 전이 반응 중 고온 반응 및 저온 반응 각각에 상관없이 전 영역 온도에 걸쳐 충분히 높은 촉매 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 고안정성 및 고내구성을 나타내므로, 수성가스 전이 반응용 촉매, 보다 구체적으로 일단 수성가스 전이 반응용 촉매로서 유용하다.
The catalyst for water gas transfer reaction prepared by the production method according to the present invention has enhanced low-temperature reactivity and thus exhibits sufficiently high catalytic activity over the entire range of temperatures regardless of each of the high-temperature and low-temperature reactions during the normal water gas transfer reaction. In addition, since it exhibits high stability and high durability, it is useful as a catalyst for a water gas transfer reaction, more specifically, a catalyst for a water gas transfer reaction.
또한, 본 발명은 상술한 제조 방법에 따라 제조된 수성가스 전이 반응용 촉매를 단일 촉매로 사용하는 단계를 포함하는 수성가스 전이 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a water gas transfer method comprising the step of using a water gas transfer reaction catalyst prepared according to the above-described production method as a single catalyst.
구체적으로는, 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 촉매를 반응기에 충진한다. 상기 반응기에 수소, 질소, 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소가 충진된 혼합가스를 통과시킨다. 이후 반응가스의 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소 농도와 소정의 비율을 맞추어 수증기를 공급한다. 상기 수증기의 공급은 펌프, 예컨대 실린지펌프(syringe pump) 또는 정밀유량제어펌프(metering pump)를 이용하여 이루어질 수 있다. 수증기의 온도 조절은 상기 반응기의 반응가스 주입부 상단에 pre-heater를 설치하여 제어할 수 있고, PID 제어를 이용한 히팅 시스템으로 온도를 제어할 수 있다. 이후 수성가스 전이 반응을 수행한다. 수성가스 전이 반응 공정 수행에 있어, 상기 촉매 존재 하에서 반응 온도 150 ~ 400℃, 보다 구체적으로 200 ~ 300℃, 기체의 시간당 공간 속도(GHSV) 8,001 ~ 36,050h-1의 조건에서 수행될 수 있다. 이러한 수성가스 전이 반응용 연료전지용 고분자 연료전지(PEMFC), 및 수소 스테이션 또는 암모니아 합성 공정, 석유화학공정에 유용하게 사용될 수 있다.
Specifically, the catalyst prepared according to the production method of the present invention is charged into the reactor. A mixed gas filled with hydrogen, nitrogen, methane, carbon monoxide, and carbon dioxide is passed through the reactor. Thereafter, water vapor is supplied by matching the concentration of methane, carbon monoxide, and carbon dioxide in the reaction gas and a predetermined ratio. The water vapor may be supplied by using a pump, for example, a syringe pump or a metering pump. The temperature of the steam can be controlled by installing a pre-heater at the top of the reaction gas injection part of the reactor, and the temperature can be controlled by a heating system using PID control. Then, a water gas transfer reaction is performed. In performing the water gas transfer reaction process, in the presence of the catalyst, the reaction temperature may be 150 to 400° C., more specifically 200 to 300° C., and the space velocity of gas (GHSV) 8,001 to 36,050 h -1 may be performed. It may be usefully used in a polymer fuel cell (PEMFC) for a fuel cell for a water gas transfer reaction, and a hydrogen station or ammonia synthesis process, and a petrochemical process.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples and experimental examples.
<< 실시예Example 1> 구리-아연-알루미늄 촉매의 제조 1> Preparation of copper-zinc-aluminum catalyst
공침법(Coprecipitation)을 이용하여 구리 65 중량%, 아연 25 중량%, 알루미늄 10 중량%의 조성비를 갖는 구리-아연-알루미늄(Cu-Zn-Al) 촉매를 제조하였다. A copper-zinc-aluminum (Cu-Zn-Al) catalyst having a composition ratio of 65% by weight of copper, 25% by weight of zinc, and 10% by weight of aluminum was prepared using coprecipitation.
구체적으로 구리 전구체로 Cu(NO3)3·xH2O(99%, Aldrich) 4.60 g, 아연 전구체로 Zn(NO3)2·6H2O(99%, Aldrich) 2.80 g, 그리고 알루미늄 전구체로 Al(NO3)3·9H2O(99%, Aldrich) 2.25 g을 증류수 0.5 L에 용해한 후 80℃까지 가열하였다. 그 다음, 항온상태에서 침전제인 15 중량% 수산화칼륨(KOH) 용액을 넣고 pH 값을 10으로 조절하여 적정한 후 80℃에서 3일 동안 숙성하였다. 숙성된 용액에 남아있는 K+ 이온을 제거하기 위해 수차례 증류수로 세척하였다. 세척 후 얻어진 침전물은 110℃에서 건조한 후, 400℃에서 6시간 동안 소성하여 구리-아연-알루미늄 촉매를 제조하였다.
Specifically, Cu(NO 3 ) 3 · x H 2 O (99%, Aldrich) 4.60 g as a copper precursor, Zn(NO 3 ) 2 ·6H 2 O (99%, Aldrich) 2.80 g as a zinc precursor, and an aluminum precursor 2.25 g of Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O (99%, Aldrich) was dissolved in 0.5 L of distilled water and then heated to 80°C. Then, a 15 wt% potassium hydroxide (KOH) solution was added as a precipitant at constant temperature, and the pH value was adjusted to 10, followed by titration, and then aged at 80° C. for 3 days. It was washed with distilled water several times to remove the K + ions remaining in the aged solution. The precipitate obtained after washing was dried at 110° C. and then calcined at 400° C. for 6 hours to prepare a copper-zinc-aluminum catalyst.
<< 실시예Example 2> 촉매의 특성 분석 2> Characterization of catalyst
<2-1> <2-1> XRDXRD 분석 analysis
제조한 구리-아연-알루미늄 촉매의 결정성과 조성을 알아보기 위한 X-ray diffraction(XRD)은 Rigaku D/MAX-IIIC 장비를 이용하였으며, CuK radiation, 40 kV, 40 mA에서 측정하였다. 결정 크기는 Scherrer equation을 이용하여 JADE 5.0(XRD pattern processing software, Material Data, INC.) 프로그램으로 계산하였다.
X-ray diffraction (XRD) to determine the crystallinity and composition of the prepared copper-zinc-aluminum catalyst was measured using a Rigaku D/MAX-IIIC equipment, and measured at CuK radiation, 40 kV, and 40 mA. The crystal size was calculated by the JADE 5.0 (XRD pattern processing software, Material Data, INC.) program using the Scherrer equation.
<2-2> BET 분석<2-2> BET analysis
제조한 구리-아연-알루미늄 촉매의 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 표면적 분석은 ASAP 2010(Micromeritics Co.) 장치를 사용하여 -196℃에서 N2 기체의 흡착량을 측정하여 수행하였다. 측정 시료량은 약 0.1 g ~ 0.2 g이며, 전처리는 110℃에서 0.5 mmHg 이하의 진공상태에서 12시간 동안 수행하였다.
Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis of the prepared copper-zinc-aluminum catalyst was performed by measuring the adsorption amount of N 2 gas at -196°C using an ASAP 2010 (Micromeritics Co.) apparatus. The measurement sample amount was about 0.1 g to 0.2 g, and the pretreatment was performed at 110° C. in a vacuum of 0.5 mmHg or less for 12 hours.
<2-3> <2-3> TPRTPR 분석 analysis
제조한 구리-아연-알루미늄 촉매의 TPR 분석은 Autochem 2920(Micromeritics Co.) 장치를 이용하여 측정하였다. 50 mg 샘플을 사용하였으며, 10% H2/Ar 분위기에서 400℃(승온율: 10℃/min)까지 승온하는 과정에서 온도의 변화에 따른 촉매의 환원 특성을 분석하여 TPR 분석 결과를 획득하였다.
TPR analysis of the prepared copper-zinc-aluminum catalyst was measured using an Autochem 2920 (Micromeritics Co.) apparatus. A 50 mg sample was used, and the TPR analysis result was obtained by analyzing the reduction characteristics of the catalyst according to the temperature change in the process of heating up to 400°C (temperature increase rate: 10°C/min) in 10% H 2 /Ar atmosphere.
<2-4> <2-4> NN 22 OO -- chemisorptionchemisorption 분석 analysis
제조한 구리-아연-알루미늄 촉매의 N2O-chemisorption 분석은 Autochem 2920(Micromeritics Co.)을 이용하여 N2O 표면 적정법으로 측정하였다. N2O 적정에 앞서서 촉매 샘플 0.1 g 을 200℃에서 1시간 동안 10% H2/Ar 분위기에서 환원하였다. N2O 소모량과 N2 배출량은 TCD(Thermal conductivity detector)로 60℃를 유지하면서 측정하였다. 환원된 Cu는 N2O에 의해 산화되며(N2O + 2Cu → Cu2O + N2), N2O/Cu2 비율은 0.5로, Cu 금속의 표면 농도를 1.46×1019 Cu atoms/m2 라고 가정하였다. Cu 입자 크기는 6000/(8.92×Cu metal surface area/Cu fraction in gram catalyst) 식을 이용하여 계산하였다.
The N 2 O-chemisorption analysis of the prepared copper-zinc-aluminum catalyst was measured by an N 2 O surface titration method using Autochem 2920 (Micromeritics Co.). Prior to the N 2 O titration, 0.1 g of the catalyst sample was reduced at 200° C. for 1 hour in 10% H 2 /Ar atmosphere. N 2 O consumption and N 2 discharge were measured at 60°C with a thermal conductivity detector (TCD). The reduced Cu is oxidized by the N 2 O (N 2 O + 2Cu → Cu 2 O + N 2), N 2 O / Cu 2 ratio to 0.5, × 10 for the surface concentration of Cu metal 1.46 19 Cu atoms / was assumed to be m 2 . The Cu particle size was calculated using the formula 6000/(8.92×Cu metal surface area/Cu fraction in gram catalyst).
<< 실시예Example 3> 촉매를 이용한 수성가스 전이 반응 분석 3> Water gas transfer reaction analysis using catalyst
<3-1> 수성가스 전이 반응 장치 제작<3-1> Water gas transfer reaction device fabrication
도 1의 모식도와 같이 제조한 구리-아연-알루미늄 촉매를 이용한 수성가스 전이 반응(WGS) 반응 장치를 제작하였다.A water gas transfer reaction (WGS) reaction apparatus using a copper-zinc-aluminum catalyst prepared as shown in the schematic diagram of FIG. 1 was prepared.
도 1을 참조하면, WGS 촉매 반응 장치는 MFC(Mass flow controller)(10), pre-heater(20), syringe pump(30), 석영관(40), furnace(50), 냉각기(60), Micro-Gc(70)로 구성된다. MFC(10)로 반응가스가 유입된다. 상기 반응가스 유량은 5850E 모델(Brooks 사)을 사용하여 정밀하게 조절하였다. 사용된 반응가스의 종류(H2, N2, CH4, CO, CO2)에 따라 유량 보정 및 유량 조절 가능 범위가 다르게 적용하였다. pre-heater(20)는 석영관(40)의 반응가스 주입부 상단에 위치하여 WGS 반응에 필요한 H2O를 수증기 상태로 공급한다. pre-heater는 1/4" 스테인리스 관에 열선을 부착하여 제작하였으며 중단부에 thermocouple을 설치하여 온도를 측정하였다. H2O는 촉매 환원이 종료된 후부터 주입하기 시작하였으며, 환원 종료 전 미리 pre-heater를 작동시켜 약 180℃를 유지하도록 조절하였다. syringe pump(30)는 MFC와 pre-heater 사이에 위치하여 WGS 반응에 필요한 H2O를 공급한다. 50 ml syringe에 증류수를 채운 후 syringe pump로 H2O의 유량을 H2O/(CH4 + CO + CO2) 비가 2.0이 되도록 조절하여 주입하였다. Syringe pump(30)는 KDS100 Infusion pump(KD Scientific 사)를 사용하였고, 유량조절 범위는 0.20 ml/h ~ 426 ml/h로 하였다. 석영관(40)을 furnace(50)에 장착하여 반응기 온도를 조절한다. 석영관(40)은 1/4”을 사용하였다. 촉매층 고정을 위해 석영관 중단부에 석영 재질의 솜을 삽입하였으며 채널링 현상 및 압력강하를 방지하기 위해 60 mesh ~ 100 mesh 크기의 촉매를 사용하였다. 석영관 내부의 촉매층 온도를 측정하기 위해 촉매층 중단부에 thermocouple을 설치하였다. Furnace는 최대 1000℃까지 조절이 가능한 2.2KW급 전기 furnace를 사용하였다. 냉각기(60)는 반응 후 가스를 통과시켜 WGS 반응 후 잔존하는 H2O를 제거한다. 냉각기의 온도는 2.2℃로 유지하였으며 디지털 PID Controller로 정확히 제어하였다. 냉각기는 JSRC-13C 모델(JSR 사)을 사용하였으며 온도조절범위는 -45℃ ~ 120℃로 하였다. 냉각기에 사용된 냉각수는 에틸렌글리콜과 물을 혼합하여 제조하였다. Micro-GC(70)는 WGS 반응 후 가스의 성분 및 비율을 분석한다. agilent 3000A Micro-GC(agilent technologies 사)를 사용하였다. Micro-GC의 channel 1 에는 H2, N2, CO, CH4 가스분석을 위해 Molecular sieve 컬럼을 장착하였으며, channel 2 에는 CO2 가스분석을 위해 plot-U 컬럼을 장착하였다.
Referring to FIG. 1, the WGS catalytic reaction device includes a mass flow controller (MFC) 10, a pre-heater 20, a
<3-2> 촉매를 이용한 수성가스 전이 반응<3-2> Water gas transfer reaction using catalyst
상기 <실시예 1>에서 제작한 촉매 및 실시예 <3-1>에서 제작한 WGS 촉매 반응 장치를 이용하여 WGS 반응 분석을 수행하였다.The WGS reaction analysis was performed using the catalyst prepared in <Example 1> and the WGS catalytic reaction apparatus prepared in Example <3-1>.
구체적으로, WGS 반응실험은 온도범위 200℃ ~ 240℃에서 수행하였다. 촉매는 0.109 g 주입하였고 thermocouple를 촉매층에 설치하여 실제 반응온도를 측정할 수 있도록 하였다. 촉매 반응을 진행하기 전에 2% H2/N2 분위기에서 승온율 3.3℃/min으로 200℃까지 온도를 올려주어 1시간 동안 환원 과정을 거쳤다. 환원이 끝난 뒤, 반응가스(CH4: 1.0%, CO2: 10.0%, CO: 9.0%, H2: 60.1%, N2: 19.9%)를 흘려주면서 WGS 반응을 수행하였다. 반응 가스의 H2O/(CH4 + CO + CO2) 비는 2.0으로 고정하였으며, 공간속도는 8,001 h-1에서 수행하였다. 주입되는 H2O는 syringe pump를 이용하여 정량적으로 주입하였고 촉매 반응 전 pre-heater(180℃)를 통과하면서 수증기가 생성되도록 하였다. 반응 후 가스는 냉각기를 이용하여 잔여 수분을 제거하였다. 최종적으로 수분이 제거된 반응 후 가스는 On-line micro-gas chromatograph(Agilent 3000A)를 이용하여 분석하였다. CO 전환율은 WGS 반응 후 배출가스의 농도를 하기 [수학식 1]에 적용하여 계산하였다.Specifically, the WGS reaction experiment was carried out in a temperature range of 200 ℃ ~ 240 ℃. 0.109 g of catalyst was injected, and a thermocouple was installed in the catalyst layer so that the actual reaction temperature could be measured. Before proceeding with the catalytic reaction, the temperature was raised to 200°C at a rate of 3.3°C/min in 2% H 2 /N 2 atmosphere, and a reduction process was performed for 1 hour. After the reduction was completed, the WGS reaction was performed while flowing a reaction gas (CH 4 : 1.0%, CO 2 : 10.0%, CO: 9.0%, H 2 : 60.1%, N 2 : 19.9%). The H 2 O/(CH 4 + CO + CO 2 ) ratio of the reaction gas was fixed at 2.0, and the space velocity was performed at 8,001 h -1 . The injected H 2 O was quantitatively injected using a syringe pump, and water vapor was generated while passing through the pre-heater (180°C) before the catalytic reaction. After the reaction, the gas used a cooler to remove residual moisture. After the reaction from which moisture was finally removed, the gas was analyzed using an on-line micro-gas chromatograph (Agilent 3000A). The CO conversion rate was calculated by applying the concentration of the exhaust gas after the WGS reaction to the following [Equation 1].
[수학식 1][Equation 1]
CO 전환율 = (Fco ,in - Fco ,out)/Fco ,in CO conversion = (F co ,in -F co ,out )/F co ,in
또한, 촉매 안정성 테스트는 공간속도 16,002 h-1, 240℃에서 200시간 동안 수행하였다.
In addition, the catalyst stability test was performed at a space velocity of 16,002 h -1 and 240°C for 200 hours.
<< 실험예Experimental example 1> 구리-아연-알루미늄 촉매에서 구리, 아연, 알루미늄 조성비에 따른 촉매 활성 확인 1> Check the catalytic activity according to the composition ratio of copper, zinc, and aluminum in a copper-zinc-aluminum catalyst
구리, 아연 및 알루미늄 함량에 따른 구리-아연-알루미늄 촉매 활성을 알아보기 위하여, 구리, 아연 및 알루미늄 조성비가 상이한 구리-아연-알루미늄 촉매를 제조한 후, XRD 분석, BET 분석, TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to investigate the copper-zinc-aluminum catalyst activity according to the content of copper, zinc and aluminum, after preparing a copper-zinc-aluminum catalyst having different composition ratios of copper, zinc and aluminum, XRD analysis, BET analysis, TPR analysis and WGS reaction Analysis was carried out.
구체적으로, 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체의 혼합양을 조절하여 하기 [표 1]과 같은 조성비의 촉매를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 구리-아연-알루미늄 촉매를 제조하였다.Specifically, a copper-zinc-aluminum catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that a catalyst having a composition ratio as shown in [Table 1] was prepared by adjusting the mixing amount of the copper precursor, the zinc precursor, and the aluminum precursor. .
그 다음, 상기 촉매에 대하여 상기 실시예 <2-1> 내지 <2-4>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 XRD 분석, BET 분석, TPR 분석, N2O-chemisorption 분석을 수행하였다. 또한, 상기 실시예 <3-2>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Then, XRD analysis, BET analysis, TPR analysis, and N 2 O-chemisorption analysis were performed on the catalyst in the same manner as described in Examples <2-1> to <2-4>. In addition, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in Example <3-2>.
그 결과, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, XRD 분석 결과 구리-아연-알루미늄 촉매의 Al 함량이 증가할수록 CuO 및 ZnO 피크의 세기가 감소하는 것을 확인하였다(도 2). 또한, 구리-아연-알루미늄 촉매의 구리 : 아연 조성비가 증가할수록 ZnO 피크의 세기가 감소하는 것을 확인하였다(도 3).As a result, as shown in FIGS. 2 and 3, as a result of XRD analysis, it was confirmed that the intensity of CuO and ZnO peaks decreased as the Al content of the copper-zinc-aluminum catalyst increased (FIG. 2). In addition, it was confirmed that the intensity of the ZnO peak decreased as the copper:zinc composition ratio of the copper-zinc-aluminum catalyst increased (FIG. 3).
또한, 표 2에 나타낸 바와 같이, BET 분석 결과 Al을 첨가하지 않은 촉매(샘플 6)의 경우, 촉매 표면적이 가장 낮은 반면, Al을 첨가함에 따라 촉매의 BET 표면적이 증가함을 확인하였다. 특히, Al 함량이 5 중량%에서 20 중량%로 증가하였을 때 촉매의 표면적 또한 증가하였으나 20 중량%에서 30 중량%로 증가하였을 때 촉매의 표면적이 오히려 감소함을 확인하였다. 또한, 구리-아연-알루미늄 촉매의 구리 : 아연 조성비가 증가할수록 촉매의 BET 표면적이 증가함을 확인하였다. 한편, XRD 분석 결과 촉매의 Cu 결정 크기는 12 nm에서 15 nm 사이로 나타나고, 샘플 9 촉매가 12.3 nm로 가장 낮은 Cu 결정 크기를 나타냄을 확인하였다(표 2).In addition, as shown in Table 2, in the case of the catalyst to which Al was not added (Sample 6) as a result of BET analysis, it was confirmed that the catalyst surface area was the lowest, whereas the BET surface area of the catalyst increased as Al was added. In particular, when the Al content was increased from 5% by weight to 20% by weight, the surface area of the catalyst also increased, but when the Al content increased from 20% by weight to 30% by weight, it was confirmed that the surface area of the catalyst rather decreased. In addition, it was confirmed that the BET surface area of the catalyst increased as the copper:zinc composition ratio of the copper-zinc-aluminum catalyst increased. Meanwhile, as a result of XRD analysis, it was confirmed that the Cu crystal size of the catalyst was between 12 nm and 15 nm, and that the sample 9 catalyst had the lowest Cu crystal size at 12.3 nm (Table 2).
또한, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, Al을 첨가하지 않은 촉매(샘플 6)의 경우, Al을 첨가한 촉매들보다 높은 온도에서 환원 피크를 나타내어, Al 첨가로 인해 환원력이 증진됨을 확인하였다. 그러나 Al 함량이 증가함에 따라 환원 피크의 면적이 감소함을 확인하였다(도 4). 또한, 샘플 9 촉매를 제외하면, 구리 : 아연 조성비가 증가할수록 환원 피크가 고온으로 이동함을 확인하였다. 샘플 9 촉매의 경우 가장 낮은 온도에서 환원 피크가 나타나 가장 높은 환원력을 가짐을 확인하였다(도 5).In addition, as shown in Figs. 4 and 5, in the case of the catalyst (Sample 6) to which Al was not added, it was confirmed that the reduction peak was exhibited at a higher temperature than the catalysts to which Al was added, and the reducing power was improved due to the addition of Al. . However, it was confirmed that the area of the reduction peak decreased as the Al content increased (FIG. 4). In addition, except for the sample 9 catalyst, it was confirmed that the reduction peak shifted to a higher temperature as the copper:zinc composition ratio increased. In the case of the sample 9 catalyst, it was confirmed that the reduction peak appeared at the lowest temperature and had the highest reducing power (FIG. 5).
또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, N2O-chemisorption 분석 결과 촉매의 Al 함량이 0 에서 5 중량%까지 증가할 경우 표면의 Cu 원자수가 증가하는 반면, Al 함량이 10 중량%에서 30 중량%까지 증가할 경우 표면의 Cu 원자수가 감소하는 것을 확인하였다. 높은 촉매 활성을 얻기 위해서는 표면에 분산된 Cu 원자수가 높아야 하는 바 촉매의 Al 함량이 5 내지 10 중량%일 때 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다. 또한, 샘플 10 촉매를 제외하면, 구리 : 아연 조성비가 증가할수록 표면 Cu 원자수가 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 샘플 9 촉매의 표면 Cu 원자수가 가장 높게 나타남을 확인하였다.In addition, as shown in Table 3, as a result of the N 2 O-chemisorption analysis, when the Al content of the catalyst increases from 0 to 5% by weight, the number of Cu atoms on the surface increases, whereas the Al content is from 10% to 30% by weight. When increasing, it was confirmed that the number of Cu atoms on the surface decreased. In order to obtain high catalytic activity, the number of Cu atoms dispersed on the surface must be high, and it was confirmed that a high catalytic activity was exhibited when the Al content of the catalyst was 5 to 10% by weight. In addition, except for the
또한, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이 WGS 분석 결과 촉매의 Al 함량이 5 내지 10 중량%일 때 모든 온도 영역에서 높은 CO 전환율을 나타냄을 확인하였다(도 6). 또한, 샘플 10 촉매를 제외하면 구리 : 아연 조성비가 증가할수록 높은 CO 전환율을 나타냄을 확인하였다(도 7). In addition, as shown in FIGS. 6 and 7, it was confirmed that the result of WGS analysis showed a high CO conversion rate in all temperature ranges when the Al content of the catalyst was 5 to 10% by weight (FIG. 6 ). In addition, it was confirmed that the higher the copper:zinc composition ratio, the higher the CO conversion rate, except for the
따라서, 상기 결과들을 종합해 볼 때 일단 수성가스 전이 반응을 위한 촉매로 구리-아연-알루미늄 촉매가 적절함을 확인하였다. 또한, 높은 촉매 활성을 갖는 구리-아연-알루미늄 촉매로서 최적 알루미늄 함량 범위가 5 내지 15 중량%임을 확인하였다. 아울러, 높은 촉매 활성을 갖는 구리-아연-알루미늄 촉매로서 최적 구리 : 아연 : 알루미늄 조성비 범위가 45 : 45 : 10 내지 65 : 25 : 10이고, 이중 65: 25 : 10일 때 가장 우수한 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다.
Therefore, when the above results are summarized, it was confirmed that the copper-zinc-aluminum catalyst is suitable as a catalyst for the water gas transfer reaction. In addition, it was confirmed that the optimum aluminum content range was 5 to 15% by weight as a copper-zinc-aluminum catalyst having high catalytic activity. In addition, as a copper-zinc-aluminum catalyst having high catalytic activity, the optimum copper:zinc:aluminum composition ratio range is 45:45:10 to 65:25:10, of which 65:25:10 shows the best catalytic activity. Was confirmed.
<< 실험예Experimental example 2> 구리-아연-알루미늄 촉매에서 제조 방법에 따른 촉매 활성 확인 2> Confirmation of catalytic activity according to the manufacturing method in a copper-zinc-aluminum catalyst
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 제조 방법이 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 적정 순서, 적정 시간, 적정 pH, 숙성 온도, 숙성 시간, 소성 온도를 변화시켜 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.
In order to find out the effect of the manufacturing method on the catalyst performance when manufacturing a copper-zinc-aluminum catalyst, TPR analysis and WGS after preparing a catalyst by changing the proper sequence, appropriate time, proper pH, aging temperature, aging time, and calcination temperature. Reaction analysis was performed.
<2-1> 적정 순서에 따른 촉매 활성 확인<2-1> Confirmation of catalytic activity according to the proper sequence
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 적정 순서가 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 적정 순서를 달리하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of the titration sequence on the catalyst performance when preparing the copper-zinc-aluminum catalyst, TPR analysis and WGS reaction analysis were performed after preparing the catalyst by changing the titration sequence.
구체적으로, 항온상태에서 침전제인 15 중량% 수산화칼륨(KOH) 용액에 가열한 구리 전구체, 아연 전구체 및 알루미늄 전구체 수용액을 넣고 pH 값을 10으로 조절하여 적정하는 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 촉매(Cu-Zn-Al reverse)를 제조하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매(Cu-Zn-Al reverse)와 상기 <실시예 1>에서 제조한 촉매(Cu-Zn-Al normal) 각각에 대하여 상기 실시예 <2-3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 TPR 분석을 수행하였다. 또한, 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Specifically, <Example 1> and <Example 1> except that a copper precursor, a zinc precursor, and an aluminum precursor aqueous solution heated in a 15% by weight potassium hydroxide (KOH) solution as a precipitant at constant temperature were added and the pH value was adjusted to 10. A catalyst (Cu-Zn-Al reverse) was prepared in the same way. Then, for each of the catalyst prepared above (Cu-Zn-Al reverse) and the catalyst prepared in <Example 1> (Cu-Zn-Al normal), the method described in Example <2-3> and TPR analysis was performed in the same way. In addition, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, TPR 분석 결과 Cu-Zn-Al normal 촉매가 Cu-Zn-Al reverse 촉매보다 낮은 온도에서 CuO 종이 환원되어 더 높은 환원력을 가짐을 확인하였다(도 8). 또한, WGS 반응 분석 결과 Cu-Zn-Al normal 촉매가 Cu-Zn-Al reverse 촉매보다 모든 온도 영역에서 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다(도 9).As a result, as shown in FIGS. 8 and 9, as a result of TPR analysis, it was confirmed that the Cu-Zn-Al normal catalyst had a higher reducing power by reducing CuO species at a lower temperature than the Cu-Zn-Al reverse catalyst (FIG. 8 ). In addition, as a result of the WGS reaction analysis, it was confirmed that the Cu-Zn-Al normal catalyst showed higher catalytic activity in all temperature regions than the Cu-Zn-Al reverse catalyst (FIG. 9).
상기의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 최적 적정 방법은 전구체 수용액에 침전제를 투여하는 방법임을 확인하였다.
Through the above results, it was confirmed that the optimal titration method when preparing a copper-zinc-aluminum catalyst by coprecipitation is a method of administering a precipitant to the aqueous precursor solution.
<2-2> 적정 시간에 따른 촉매 활성 확인<2-2> Confirmation of catalytic activity according to appropriate time
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 적정 시간이 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 적정 시간을 달리하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of the appropriate time on the catalyst performance when preparing the copper-zinc-aluminum catalyst, TPR analysis and WGS reaction analysis were performed after preparing the catalyst by varying the appropriate time.
구체적으로, 항온상태에서 침전제인 15 중량% 수산화칼륨(KOH) 용액을 넣고 pH 값을 10으로 조절하고 0, 30 또는 60분 동안 적정하는 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매 각각에 대하여 상기 실시예 <2-3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 TPR 분석을 수행하였다. 또한, 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Specifically, the catalyst was prepared in the same manner as in <Example 1>, except that a 15 wt% potassium hydroxide (KOH) solution was added as a precipitant at constant temperature, the pH value was adjusted to 10, and titrated for 0, 30, or 60 minutes. Was prepared. Then, for each of the catalysts prepared above, TPR analysis was performed in the same manner as described in Example <2-3>. In addition, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, TPR 분석 결과 적정 시간이 0 분인 촉매가 가장 낮은 온도에서 CuO 종이 환원되어 가장 높은 환원력을 가짐을 확인하였다(도 10). 또한, WGS 반응 분석 결과 적정 시간이 0분인 촉매가 모든 온도 영역에서 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다(도 11).As a result, as shown in Figs. 10 and 11, as a result of TPR analysis, it was confirmed that the catalyst having an appropriate time of 0 minutes reduced the CuO species at the lowest temperature to have the highest reducing power (FIG. 10). In addition, as a result of the WGS reaction analysis, it was confirmed that the catalyst having an appropriate time of 0 minutes exhibits high catalytic activity in all temperature regions (FIG. 11).
상기의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 최적 적정 시간은 0분임을 확인하였다.
Through the above results, it was confirmed that the optimum titration time was 0 minutes when the copper-zinc-aluminum catalyst was prepared by the coprecipitation method.
<2-3> 적정 pH에 따른 촉매 활성 확인<2-3> Confirmation of catalytic activity according to proper pH
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 적정 pH가 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 적정 pH를 달리하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of the appropriate pH on the catalyst performance when preparing the copper-zinc-aluminum catalyst, TPR analysis and WGS reaction analysis were performed after preparing the catalyst by varying the appropriate pH.
구체적으로, 항온상태에서 침전제인 15 중량% 수산화칼륨(KOH) 용액을 넣고 pH 값을 9.5, 10, 10.5 또는 11로 조절하여 적정하는 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매 각각에 대하여 상기 실시예 <2-3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 TPR 분석을 수행하였다. 또한, 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Specifically, a catalyst was prepared in the same manner as in <Example 1> except for titration by adding a 15 wt% potassium hydroxide (KOH) solution as a precipitant at constant temperature and adjusting the pH value to 9.5, 10, 10.5 or 11. I did. Then, for each of the catalysts prepared above, TPR analysis was performed in the same manner as described in Example <2-3>. In addition, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, TPR 분석 결과 적정 pH가 9.5에서 10으로 증가할 경우 환원 피크가 저온으로 이동하여 촉매의 환원력이 증진됨을 확인하였다. 반면, pH가 10에서 11로 증가할 경우 환원 피크가 고온으로 이동하여 촉매의 환원력이 감소함을 확인하였다(도 12). 또한, 적정 pH가 10 및 10.5인 경우 모든 온도 영역에서 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다(도 13).As a result, as shown in FIGS. 12 and 13, it was confirmed that when the appropriate pH increased from 9.5 to 10 as a result of TPR analysis, the reduction peak moved to a low temperature and the reducing power of the catalyst was enhanced. On the other hand, it was confirmed that when the pH was increased from 10 to 11, the reduction peak moved to a high temperature and the reducing power of the catalyst decreased (FIG. 12). In addition, it was confirmed that when the appropriate pH was 10 and 10.5, high catalytic activity was exhibited in all temperature regions (FIG. 13).
상기의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 최적 적정 pH는 10 내지 10.5임을 확인하였다.
Through the above results, it was confirmed that the optimum pH was 10 to 10.5 when the copper-zinc-aluminum catalyst was prepared by the coprecipitation method.
<2-4> 숙성 온도에 따른 촉매 활성 확인<2-4> Confirmation of catalytic activity according to aging temperature
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 숙성 온도가 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 숙성 온도를 달리하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of the aging temperature on the catalyst performance when preparing the copper-zinc-aluminum catalyst, the catalyst was prepared by varying the aging temperature, and then TPR analysis and WGS reaction analysis were performed.
구체적으로, 숙성 시 숙성 온도를 20, 40, 60, 80 또는 90℃로 달리한 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매 각각에 대하여 상기 실시예 <2-3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 TPR 분석을 수행하였다. 또한, 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Specifically, a catalyst was prepared in the same manner as in <Example 1>, except that the aging temperature was changed to 20, 40, 60, 80 or 90°C during aging. Then, for each of the catalysts prepared above, TPR analysis was performed in the same manner as described in Example <2-3>. In addition, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, TPR 분석 결과 숙성 온도가 40℃, 60℃ 또는 80℃인 경우 숙성 온도가 20℃ 또는 90℃인 경우보다 낮은 온도 영역에서 환원 피크가 나타나 촉매의 환원력이 증진됨을 확인하였다(도 14). 또한, 숙성 온도가 40℃, 60℃ 또는 80℃인 경우 높은 촉매 활성을 나타내고, 숙성 온도가 80℃인 경우 가장 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다(도 15).As a result, as shown in FIGS. 14 and 15, as a result of TPR analysis, when the aging temperature is 40°C, 60°C or 80°C, a reduction peak appears in a lower temperature region than when the aging temperature is 20°C or 90°C. It was confirmed that the reducing power was improved (FIG. 14). In addition, it was confirmed that when the aging temperature is 40°C, 60°C, or 80°C, high catalytic activity is displayed, and when the aging temperature is 80°C, the highest catalytic activity is displayed (FIG. 15).
상기의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 숙성 온도는 40 내지 80℃임을 확인하였다.
Through the above results, it was confirmed that the aging temperature was 40 to 80°C when the copper-zinc-aluminum catalyst was prepared by coprecipitation.
<2-5> 숙성 시간에 따른 촉매 활성 확인<2-5> Confirmation of catalytic activity according to aging time
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 숙성 시간이 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 숙성 시간을 달리하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of aging time on catalyst performance when preparing a copper-zinc-aluminum catalyst, TPR analysis and WGS reaction analysis were performed after preparing a catalyst by varying the aging time.
구체적으로, 숙성 시 숙성 시간을 8, 48, 72 또는 120 시간으로 달리한 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매 각각에 대하여 상기 실시예 <2-3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 TPR 분석을 수행하였다. 또한, 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Specifically, a catalyst was prepared in the same manner as in <Example 1>, except that the aging time was changed to 8, 48, 72 or 120 hours during aging. Then, for each of the catalysts prepared above, TPR analysis was performed in the same manner as described in Example <2-3>. In addition, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같이, TPR 분석 결과 숙성 시간이 증가함에 따라 환원 피크의 온도가 저온으로 이동하여 촉매의 환원력이 증진됨을 확인하였다(도 16). 또한, 숙성 시간이 72시간 이상인 경우 모든 온도 영역에서 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다. 또한, 220℃ 이상에서 CO 전환율이 평형전환율에 도달함을 확인하였다(도 17).As a result, as shown in FIGS. 16 and 17, as a result of the TPR analysis, it was confirmed that the temperature of the reduction peak moved to a low temperature as the aging time increased, and the reducing power of the catalyst was improved (FIG. 16). In addition, it was confirmed that when the aging time was 72 hours or longer, high catalytic activity was exhibited in all temperature regions. In addition, it was confirmed that the CO conversion rate reached the equilibrium conversion rate at 220° C. or higher (FIG. 17).
상기의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 숙성 시간은 72 내지 120시간임을 확인하였다.
Through the above results, it was confirmed that the aging time was 72 to 120 hours when the copper-zinc-aluminum catalyst was prepared by the coprecipitation method.
<2-6> <2-6> 소성 온도에At firing temperature 따른 촉매 활성 확인 Catalytic activity check
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 소성 온도가 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 소성 온도를 달리하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of the sintering temperature on the catalyst performance when preparing the copper-zinc-aluminum catalyst, the catalyst was prepared by varying the sintering temperature, and then TPR analysis and WGS reaction analysis were performed.
구체적으로, 소성 시 소성 온도를 250, 400 또는 450℃로 달리한 것을 제외하고는 <실시예 1>과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매 각각에 대하여 상기 실시예 <2-3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 TPR 분석을 수행하였다. 또한, 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석 및 촉매 안정성 테스트를 수행하였다.Specifically, a catalyst was prepared in the same manner as in <Example 1>, except that the firing temperature was changed to 250, 400 or 450°C during firing. Then, for each of the catalysts prepared above, TPR analysis was performed in the same manner as described in Example <2-3>. In addition, WGS reaction analysis and catalyst stability test were performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 18 내지 도 20에 나타낸 바와 같이, TPR 분석 결과 250℃에서 소성한 촉매의 환원 피크 온도가 가장 낮음을 확인하였다. 그러나 작은 활성 피크를 나타냄을 확인하였다(도 18). 또한, WGS 반응 분석 결과 소성 온도가 250℃ 또는 400℃인 경우 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다(도 19). 아울러, 촉매 안정성 테스트 결과 250℃에서 소성한 촉매의 경우 100 시간 동안은 안정한 촉매 활성을 보였으나, 이후에는 점차적으로 촉매 활성이 감소함을 확인하였다. 반면, 400℃에서 소성한 촉매의 경우 200시간 동안 큰 활성 저하 없이 매우 안정한 활성을 보임을 확인하였다(도 20). As a result, as shown in FIGS. 18 to 20, as a result of TPR analysis, it was confirmed that the reduction peak temperature of the catalyst calcined at 250°C was the lowest. However, it was confirmed that a small active peak was shown (FIG. 18). In addition, as a result of the WGS reaction analysis, it was confirmed that a high catalytic activity was exhibited when the firing temperature was 250°C or 400°C (FIG. 19). In addition, as a result of the catalyst stability test, it was confirmed that the catalyst fired at 250°C showed stable catalytic activity for 100 hours, but the catalytic activity gradually decreased thereafter. On the other hand, it was confirmed that the catalyst fired at 400° C. showed very stable activity without a significant decrease in activity for 200 hours (FIG. 20 ).
상기의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 최적 소성 온도는 400℃임을 확인하였다.Through the above results, it was confirmed that the optimum calcination temperature was 400°C when the copper-zinc-aluminum catalyst was prepared by the coprecipitation method.
따라서 상기 실험예 <2-1> 내지 <2-6>의 결과를 통해 구리-아연-알루미늄 촉매를 공침법으로 제조 시 적정 방법으로 전구체 수용액에 침전제를 투입하는 방법, 적정 시간은 0 분, 적정 pH는 10 내지 10.5, 숙성 온도는 40 내지 80℃, 숙성 시간은 72 내지 120시간, 소성 온도는 400℃일 때 일단 수성가스 전이 반응용 촉매로서 우수한 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다.
Therefore, according to the results of Experimental Examples <2-1> to <2-6>, when preparing a copper-zinc-aluminum catalyst by a coprecipitation method, a method of adding a precipitant to the precursor aqueous solution by an appropriate method, the appropriate time is 0 minutes, When the pH is 10 to 10.5, the aging temperature is 40 to 80°C, the aging time is 72 to 120 hours, and the calcination temperature is 400°C, it has been confirmed that it shows excellent catalytic activity as a catalyst for water gas transfer reaction.
<< 실험예Experimental example 3> 구리-아연-알루미늄 촉매에서 3> In the copper-zinc-aluminum catalyst 조촉매Cocatalyst 첨가에 따른 촉매 활성 확인 Confirmation of catalytic activity according to addition
구리-아연-알루미늄 촉매 제조 시 조촉매 첨가가 촉매 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 촉매 제조 시 조촉매를 첨가하여 촉매를 제조한 후 TPR 분석 및 WGS 반응 분석을 수행하였다.In order to find out the effect of the addition of the cocatalyst on the catalyst performance in the preparation of the copper-zinc-aluminum catalyst, the catalyst was prepared by adding a cocatalyst during the preparation of the catalyst, followed by TPR analysis and WGS reaction analysis.
구체적으로, 상기 <실시예 1>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 제조하되 전구체 혼합 용액 제조 시 구리 전구체로 Cu(NO3)3·xH2O(99%, Aldrich) 4.60 g, 아연 전구체로 Zn(NO3)2·6H2O(99%, Aldrich) 2.57 g, 알루미늄 전구체로 Al(NO3)3·9H2O(99%, Aldrich) 2.25 g, 조촉매 전구체로 Pt(NH3)4(NO3)2(99%, Aldrich) 0.24 g, Mg(NO3)26H2O(99%, Aldrich) 0.64 g 또는 C8H20O4Si(TEOS, Tetraethyl orthosilicate)(98%, Aldrich) 0.45 g을 증류수 0.5 L에 용해하였다. 그 다음, 상기에서 제조한 촉매 각각에 대하여 상기 <실시예 3>에 기재된 방법과 동일한 방법으로 WGS 반응 분석을 수행하였다.Specifically, it was prepared by the same method as described in <Example 1>, but when preparing a precursor mixture solution, Cu(NO 3 ) 3 · x H 2 O (99%, Aldrich) 4.60 g as a copper precursor, and Zn as a zinc precursor. (NO 3 ) 2 ·6H 2 O (99%, Aldrich) 2.57 g, Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O (99%, Aldrich) 2.25 g as an aluminum precursor, Pt(NH 3 ) 4 as a cocatalyst precursor (NO 3 ) 2 (99%, Aldrich) 0.24 g, Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O(99%, Aldrich) 0.64 g or C 8 H 20 O 4 Si (TEOS, Tetraethyl orthosilicate) (98%, Aldrich ) 0.45 g was dissolved in 0.5 L of distilled water. Then, for each of the catalysts prepared above, WGS reaction analysis was performed in the same manner as described in <Example 3>.
그 결과, 도 21에 나타낸 바와 같이, 조촉매를 첨가하지 않은 Cu-Zn-Al 촉매가 모든 온도 영역에서 80% 이상의 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다(도 21).
As a result, as shown in FIG. 21, it was confirmed that the Cu-Zn-Al catalyst to which no cocatalyst was added exhibited a high catalytic activity of 80% or more in all temperature ranges (FIG. 21).
< < 실험예Experimental example 4> 구리-아연-알루미늄 촉매와 상용 촉매와의 촉매 활성 비교 4> Comparison of catalytic activity between copper-zinc-aluminum catalysts and commercial catalysts
본 발명에 따른 촉매와 상용 촉매와의 촉매 활성을 비교하기 위하여 WGS 분석을 수행하였다.WGS analysis was performed to compare the catalytic activity of the catalyst according to the present invention and a commercial catalyst.
구체적으로, 상기 <실시예 1>에서 최적 조건으로 제조한 촉매와 상용 촉매 MDC-7 각각에 대하여 WGS 분석을 수행하였다. 이 때 촉매 성능 비교를 위해 매우 높은 공간 속도인 36,050 h-1에서 반응 실험을 진행한 것을 제외하고는 상기 실시예 <3-1>과 동일한 방법으로 WGS 분석을 수행하였다. 상용 촉매 MDC-7은 Clariant 사의 수성가스 전이 반응용 촉매로 시판되고 있는 제품이다.Specifically, WGS analysis was performed on each of the catalyst prepared under the optimum conditions in <Example 1> and the commercial catalyst MDC-7. In this case, WGS analysis was performed in the same manner as in Example <3-1>, except that the reaction experiment was conducted at a very high space velocity of 36,050 h -1 for comparison of catalyst performance. Commercial catalyst MDC-7 is a product on the market as a catalyst for water gas transfer reaction of Clariant.
그 결과, 도 22에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 Cu-Zn-Al 촉매가 사용촉매보다 높은 촉매 활성을 나타냄을 확인하였다.
As a result, as shown in FIG. 22, it was confirmed that the Cu-Zn-Al catalyst according to the present invention exhibited higher catalytic activity than the catalyst used.
Claims (11)
2) 상기 단계 1)의 전구체 수용액에 침전제를 첨가하고 pH 10 내지 10.5에서 적정하는 단계;
3) 상기 단계 2)에서 적정한 전구체 수용액을 20 내지 90℃에서 48 내지 148 시간 동안 숙성시키고 세척하여 침전물을 수득하는 단계;
4) 상기 단계 3)에서 수득한 침전물을 90 내지 120℃에서 건조하는 단계;
5) 상기 단계 4)에서 건조한 침전물을 250 내지 450℃에서 4 내지 8 시간 동안 소성하는 단계를 포함하는 수성가스 전이 반응용 촉매의 제조 방법.
1) dissolving and heating a copper precursor, a zinc precursor, and an aluminum precursor to prepare an aqueous precursor solution;
2) adding a precipitant to the aqueous precursor solution of step 1) and titrating at a pH of 10 to 10.5;
3) aging the appropriate aqueous precursor solution in step 2) at 20 to 90° C. for 48 to 148 hours and washing to obtain a precipitate;
4) drying the precipitate obtained in step 3) at 90 to 120°C;
5) A method for producing a catalyst for a water gas transfer reaction comprising the step of calcining the precipitate dried in step 4) at 250 to 450°C for 4 to 8 hours.
The method of claim 1, wherein the copper precursor, zinc precursor, and aluminum precursor in step 1) are nitrate or nitrate hydrate.
The method of claim 2, wherein the copper precursor, zinc precursor, and aluminum precursor in step 1) are copper nitrate hydrate, zinc nitrate hydrate and aluminum nitrate hydrate, respectively.
The method of claim 1, wherein the precursor aqueous solution suitable in step 3) is aged at 35 to 85° C. for 60 to 132 hours.
The method of claim 1, wherein the precipitate dried in step 5) is calcined at 330 to 430°C for 5 to 7 hours.
The method of claim 1, wherein the catalyst for water gas transfer reaction comprises 42.5 to 67.5% by weight of copper, 22.5 to 47.5% by weight of zinc and 5 to 15% by weight of aluminum based on the total weight of the catalyst. , Method for producing a catalyst for water gas transfer reaction.
The method of claim 1, wherein the catalyst for water gas transfer reaction comprises copper: zinc: aluminum in a weight ratio of 42.5 to 67.5: 22.5 to 47.5: 10.
The method of claim 1, wherein the catalyst for water gas transfer reaction does not contain a cocatalyst.
The method of claim 9, wherein the cocatalyst is selected from the group consisting of platinum, magnesium and silicon.
A water gas transfer method comprising the step of using a catalyst for a water gas transfer reaction prepared according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 10 as a single catalyst.
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