KR101577432B1 - A platinum-based metal composite catalyst for aqueous phase reforming reaction of polyols, using mesoporous carbon carrier and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 백금, 철 및 망간으로 이루어진 복합금속이 활성물질로 메조다공성 탄소 담체에 함침된 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 관한 것이다. 본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매는 담체로 구형 입상 활성탄소를 활성화 처리하여 비표면적과 세공부피가 증가된 메조다공성 탄소 담체를 사용하여 내마모도 등 기계적 강도가 매우 우수하고 고정층 반응기에 충진이 쉽고 균일하게 충진이 가능한 효과가 있다. 또한, 활성물질은 철과 망간이 백금에 동시에 포함한 형태의 복합금속을 사용하였으며, 이에 따라 종래에 대표적으로 사용되고 있는 귀금속인 백금을 과다하게 사용하는 문제점을 해결할 수 있고, 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조시 고효율 및 장수명을 나타내는 효과가 있다.The present invention relates to a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons, characterized in that a composite metal composed of platinum, iron and manganese is impregnated into the mesoporous carbon carrier as an active material. The catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons according to the present invention is characterized in that a mesoporous carbon support having increased specific surface area and pore volume is activated by treating spherical activated carbon with a carrier, It is excellent and easy to fill in the fixed bed reactor and uniformly fillable. In addition, the active material uses a composite metal in which iron and manganese are simultaneously contained in platinum. Accordingly, it is possible to solve the problem of excessive use of platinum, which is a typical noble metal conventionally used, There is an effect of exhibiting high efficiency and long life in the production of hydrogen through hydrogen.
Description
본 발명은 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응에 의한 수소제조를 위한 메조다공성 탄소 담체에 백금계 복합금속을 함침한 촉매 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a catalyst impregnated with a platinum based composite metal on a mesoporous carbon carrier for hydrogen production by an aeration reforming reaction from an oxygen-containing hydrocarbon and a process for producing the same.
수상개질 반응은 바이오매스로부터 유래한 셀룰로우스(cellulose) 및 헤미셀룰로우스(hemicellulose)로부터 유래한 다양한 종류의 수용액상의 함산소 탄화수소인 폴리올(글리세롤, 솔비톨, 자일리톨 등)로부터 수소를 선택적으로 제조하는 기술을 말한다. 이러한 수상개질 반응은 미국 위스콘신대 듀메직(J. A. Dumesic) 교수그룹에서 최초로 이 반응을 제안 한 이후(R. D. Cortright, R. R. Davda & J. A. Dumesic, Nature, 418 (2002) 964-967, J.W. Shabaker, G.W. Huber, R.R. Davda, R.D. Cortright, J.A. Dumesic, Catal. Lett. 88 (2003) 1-8), 현재 많은 연구그룹에서 이 반응에 관심을 갖고 연구를 수행하고 있다(H.J. Park, H.-D. Kim, T.-W. Kim, K.-E. Jeong, H.-J. Chae, S.-Y. Jeong, Y.-M. Chung, Y.-K. Park and C.-U. Kim, ChemSusChem, 5 (2012) 629-633, Yong Guo, Xiaohui Liu, Muhammad Usman Azmat, Wenjie Xu, Jiawen Ren, Yanqin Wang, Guanzhong Lu., international journal of hydrogen energy 37 (2012) 227-234, G. Wen, Y. Xu, H. Ma, Z. Xu, Z. Tian, Int. J. Hydrogen Energy. 33 (2008) 6657-6666).
The water reforming reaction selectively produces hydrogen from polyols (glycerol, sorbitol, xylitol, etc.) which are derived from cellulose and hemicellulose, which are derived from biomass, and are various oxygenated hydrocarbons in aqueous solution . This aquatic reforming reaction was first proposed by JA Dumesic, Professor, USA (RD Cortright, RR Davda and JA Dumesic, Nature, 418 (2002) 964-967, JW Shabaker, GW Huber, RR Davda, RD Cortright, JA Dumesic, Catal. Lett. 88 (2003) 1-8), and many research groups are currently conducting research with interest in this response (HJ Park, H.-D. Kim, T Kim, K.-E. Jeong, H.-J. Chae, S.-Y. Jeong, Y.-M. Chung, Y.-K. Park and C.-U. Kim, ChemSusChem, 5 (2012) 629-633, Yong Guo, Xiaohui Liu, Muhammad Usman Azmat, Wenjie Xu, Jiawen Ren, Yanqin Wang, Guanzhong Lu., International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 227-234, G. Wen, Y. Xu, H. Ma, Z. Xu, Z. Tian, Int. J. Hydrogen Energy. 33 (2008) 6657-6666).
수상개질 반응에 의해 함산소 탄화수소로부터 수소의 제조시 수소의 선택도를 증대시키기 위해서는 활성물질인 촉매 금속 표면에서 탄소-탄소 분열 반응은 극대화시켜야 하며, 반면에 탄소-산소 분열 속도와 메탄화/피셔-트롭쉬 반응은 억제시킬 수 있는 적절한 촉매의 선정 및 반응변수의 조절이 필요하다. 따라서 이를 위해 활성금속 성분, 공급되는 원료(feed), 반응 조건, 및 촉매 담체 등에 관한 촉매의 활성 및 수소의 선택도에 관한 영향에 관한 연구가 이루어지고 있다.
In order to increase the selectivity of hydrogen in the production of hydrogen from deoxygenated hydrocarbons by the water reforming reaction, the carbon-carbon cleavage reaction must be maximized on the active catalytic metal surface, while the carbon- - The Tropsch reaction requires the selection of appropriate catalysts to control and the control of reaction parameters. Therefore, studies have been conducted on the activity of catalysts related to the active metal components, the feedstock to be fed, reaction conditions, and the catalyst carrier, and on the selectivity of hydrogen.
최근에는 촉매 담체로 Al2O3, ZrO2, SiO2, CeO2, ZnO, TiO2 등과 같은 금속 산화물을 분말 형태의 담체로 주로 사용하였는데, 수상개질 반응의 반응조건인 고온, 고압의 수용액 상의 조건하에서 촉매 담체가 소결(sintering)에 의해 기공이 무너지거나, 넓은 범위의 준안정상(meta stable phase)에서 담체의 비표면적이 줄어드는 형태로 상전이가 일어나기 때문에 수상개질 반응시 반응활성이 급격히 저하되는 문제점이 발생되었다. 따라서, 반응시 수열 안정성이 뛰어난 다공성 담체가 요구되었는데, 함침될 활성금속 성분을 잘 분산시키고 액상에서 반응을 촉진시킬 수 있는 넓은 표면적, 적절한 기공 부피, 및 기계적ㆍ화학적인 안정성을 가지는 다공성 탄소계 담체가 개발되고 있으며, 이에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
In recent years, metal oxides such as Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , CeO 2 , ZnO, TiO 2 and the like have been mainly used as a catalyst carrier in powder form. The reaction activity is drastically lowered in the aqueous reforming reaction because the pore is collapsed by the sintering of the catalyst carrier under the condition or the phase transition occurs in the form of reducing the specific surface area of the carrier in a wide range of meta stable phase Lt; / RTI > Therefore, a porous carrier having excellent hydrothermal stability during the reaction has been required. It is required that a porous carbon carrier having a large surface area, suitable pore volume, and mechanical and chemical stability capable of dispersing the active metal component to be impregnated and promoting the reaction in a liquid phase Have been developed, and many studies have been made on this.
그러나, 현재까지 사용되고 있는 담체는 거의 분말 형태로 마이크로 크기나 나노 크기의 형태가 주로 사용되고 있는데, 수상개질 반응이 고정층 반응기에 대부분 반응이 이루어지고 있어, 이러한 분말 형태의 촉매는 실험실적인 촉매 스크리닝에 적합하여, 촉매의 양이 실험실적인 양에 비해 수십배 혹은 수백배를 사용하는 벤취 및 파이롯트 단계 연구(scale-up)를 위해서는 이러한 분말 형태의 촉매를 사용할 수 없는 한계가 있다. 따라서 이를 위해서는 반드시 일정크기 이상으로 성형을 하여 사용해야 한다. 즉, 분말형태의 촉매를 고정층 촉매반응기에 사용할 경우에는 촉매층에서 반응물이 통과할 때 어느 한쪽의 촉매층으로만 반응물이 흐르는 현상인 채널링(channelling) 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 충진된 반응기 층내에서 지나치게 압력이 증가하는 문제가 있다.
However, the carriers used up to now are mostly in the form of powder in the form of micro-sized or nano-sized. Most of the reforming reaction is carried out in the fixed-bed reactor, and this powder type catalyst is suitable for laboratory catalyst screening Thus, there is a limitation in using such a powder type catalyst for a bench-scale and pilot-scale study in which the amount of the catalyst is several tens or hundreds of times that of the laboratory amount. Therefore, it must be molded over a certain size. That is, when a catalyst in the form of powder is used in a fixed-bed catalytic reactor, channeling phenomenon, which is a phenomenon in which a reactant flows through only one of the catalyst layers when the reactant passes through the catalyst layer, may occur. There is an increasing problem.
따라서, 촉매는 어느 크기 이상으로 입상화된 성형촉매로 사용해야 하는데, 수상개질 반응이 아직 상업적으로 접근한 예가 없기 때문에 이러한 성형촉매를 대량으로 사용한 선행연구 및 기술은 거의 알려져 있지 않고 있다.
Therefore, since the catalyst has to be used as a forming catalyst which is granulated to a certain size or more, there is no commercial approach to the afore-mentioned aqueous reforming reaction. Therefore, prior studies and techniques using such a forming catalyst in a large amount are hardly known.
성형촉매의 적용의 한 예로 대한민국 공개특허 제10-2011-0052570호에는 상용 입상실리카 비드(bead) 형태를 가지며, 세공구조도 3차원 이원 메조기공 구조를 갖는 구형의 성형 탄소에 금속성분으르 함침한 촉매를 사용하여 함산소 화합물의 수상개질 방법을 제시하고 있다. 상기 방법에서 사용한 담체는 3 차원 구조를 가진 메조세공이 발달한 카본 담체로 액상반응인 수상개질 반응에서 반응활성을 매우 높게 유지할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 탄소 담체를 제조시 주형인 상용 실리카에 탄소 전구체를 함침시킨 다음, 건조 및 탄화시켜 실리카/탄소 복합물을 얻고, 이어서 실리카/탄소 복합물로부터 불산(HF)을 사용하여 실리카를 탄소로부터 제거하는 단계를 포함하는 방법으로, 제조방법이 여러 단계로 매우 복잡하고 제조시 초강산인 불산을 사용하기 때문에 불산의 취급에 따른 노출의 위험성이 있어 취급에 어렵고, 특히, 많은 양의 촉매를 제조시에는 그 양도 과다로 사용해야 하기 때문에 환경적인 문제 등을 야기시킬 수 있는 한계가 있다.
As an example of the application of the shaping catalyst, Korean Patent Laid-open No. 10-2011-0052570 discloses a method for producing a spherical shaped carbon having a commercially available granular silica bead form and a pore structure by impregnating spherical shaped carbon having a three- And a method for reforming oxygen-containing compounds using a catalyst is proposed. The carrier used in the above method is advantageous in that the reaction activity can be maintained at a very high level in a water phase reforming reaction which is a liquid phase reaction with a carbon carrier having mesopores having a three-dimensional structure. However, the step of impregnating the carbon precursor with the commercial silica as the template in the production of the carbon carrier, followed by drying and carbonization to obtain a silica / carbon composite, followed by removal of the silica from the carbon using hydrofluoric acid (HF) Since the production method is very complicated in several steps and hydrofluoric acid which is a super strong acid is used in manufacturing, there is a risk of exposure due to the handling of hydrofluoric acid, which is difficult to handle, and in particular, There is a limitation that it can cause environmental problems because it must be used excessively.
또한, 이러한 탄소 담체에 함침시킬 활성물질의 측면에서 살펴보면, 기존에 알려진 함침가능한 활성성분은 VIIIB족 전이금속 및 VIII족 전이금속 중 어느 한 성분이 사용가능하다고 알려져 있는데, 특히, 백금은 수상개질 반응에서 함산소 탄화수소의 전환율과 수소 선택도 및 수소 생성 속도 면에서 가장 우수한 활성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 수상개질 반응에서 사용되는 백금함량은 담체를 기준으로 통상 5 내지 10 중량%로 과량을 사용하고 있어 촉매가격이 큰 문제가 되고 있다(국제특허 WO 제2007-075476호, 대한민국 공개특허 제10-2011-0052570호).
From the aspect of the active material to be impregnated in such a carbon carrier, it is known that any of the known impregnable active ingredients can be used either as a transition metal of group VIIIB or as a transition metal of group VIII. In particular, , Which is known to exhibit the best activity in terms of the conversion of oxygen-containing hydrocarbons, hydrogen selectivity and hydrogen production rate. However, the amount of platinum used in such an aqueous reforming reaction is usually in the range of 5 to 10% by weight based on the carrier, and thus the catalyst price is a big problem (WO 2007-075476, 10-2011-0052570).
따라서, 귀금속인 백금의 함량을 줄이려는 다양한 연구가 이루어지고 있는데, 대한민국 공개특허 제10-2010-0029421호에는 분말 형태의 메조다공성 탄소 담체인 CMK-3에 백금을 기반으로 레늄, 로듐, 철, 코발트등을 추가한 이원금속 형태의 촉매를 사용하여 수상개질 반응에 적용한 결과가 제시되어 있다. 반응활성 측면에서 백금과 유사한 반응특성을 나타내고 있지만, 레늄과 로듐은 백금과 유사하게 매우 고가인 귀금속이며, 철 및 코발트는 값이 싸지만 백금에 비해 활성을 그다지 크게 증가시키지 못한 측면이 있었다.
Therefore, Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0029421 discloses a method of reducing CMK-3, which is a mesoporous carbon carrier in the form of powder, by adding platinum to rhenium, rhodium, iron, Cobalt and the like are added to the aqueous reforming reaction. Reaction activity is similar to platinum in terms of reaction activity. However, rhenium and rhodium are noble metals, which are similar to platinum, and iron and cobalt are low in value but have not significantly increased activity compared with platinum.
이에, 본 발명자들은 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 대하여 연구하던 중, 탄소 담체로 메조다공성 탄소 담체를 사용하고, 상기 메조다공성 탄소 담체에 반응의 선택도를 부여하기 위해 활성물질로는 백금을 기반으로 철 및 망간이 포함된 복합금속을 함침시킨 촉매를 개발하였으며, 이를 통해 귀금속인 백금이 과다하게 사용되는 문제점을 해결함과 동시에 우수한 촉매활성을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have been studying a catalyst for an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon, in order to use a mesoporous carbon carrier as a carbon carrier and impart a selectivity to the mesoporous carbon carrier As the active material, there has been developed a catalyst impregnated with a composite metal containing iron and manganese based on platinum, thereby solving the problem of excessive use of platinum as a noble metal, confirming excellent catalytic activity, Completed.
본 발명의 목적은 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응에 의한 수소제조를 위한 메조다공성 탄소 담체에 백금계 복합금속을 함침한 촉매 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a catalyst impregnated with a platinum based composite metal on a mesoporous carbon carrier for hydrogen production by an aquatic reforming reaction from an oxygen-containing hydrocarbon and a process for producing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
백금, 철 및 망간으로 이루어진 복합금속이 활성물질로 메조다공성 탄소 담체에 함침된 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매를 제공한다.
The present invention provides a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons, characterized in that a composite metal consisting of platinum, iron and manganese is impregnated with an active substance in a mesoporous carbon carrier.
또한, 본 발명은In addition,
메조다공성 탄소 담체를 준비하고, 유기 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing a mesoporous carbon support and mixing it with an organic solvent to prepare a mixed solution (step 1); And
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 주입하여 메조다공성 탄소 담체에 활성물질을 함침시키는 단계(단계 2);를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.
(Step 2) of injecting a platinum precursor, an iron precursor, and a manganese precursor into the mixed solution prepared in step 1 to impregnate the mesoporous carbon carrier with an active material (step 2). A method for producing a catalyst for reaction is provided.
나아가, 본 발명은Further,
상기의 수상개질 반응용 촉매를 사용하여 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통해 수소를 제조하는 방법을 제공한다.
There is provided a process for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon through an aquatic reforming reaction using the above-mentioned catalyst for a water-reforming reaction.
본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매는 담체로 구형 입상 활성탄소를 활성화 처리하여 비표면적과 세공부피가 증가된 메조다공성 탄소 담체를 사용하여 내마모도 등 기계적 강도가 매우 우수하고 고정층 반응기에 충진이 쉽고 균일하게 충진이 가능한 효과가 있다. 또한, 활성물질은 철과 망간이 백금에 동시에 포함한 형태의 복합금속을 사용하였으며, 이에 따라 종래에 대표적으로 사용되고 있는 귀금속인 백금을 과다하게 사용하는 문제점을 해결할 수 있고, 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통한 수소의 제조시 고효율 및 장수명을 나타내는 효과가 있다.
The catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons according to the present invention is characterized in that a mesoporous carbon support having increased specific surface area and pore volume is activated by treating spherical activated carbon with a carrier, It is excellent and easy to fill in the fixed bed reactor and uniformly fillable. In addition, the active material uses a composite metal in which iron and manganese are simultaneously contained in platinum. Accordingly, it is possible to solve the problem of excessive use of platinum, which is a typical noble metal conventionally used, There is an effect of exhibiting high efficiency and long life in the production of hydrogen through hydrogen.
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 수상개질 반응용 촉매를 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이고,
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 수상개질 반응용 촉매의 수상개질 반응시 반응시간에 따른 수소 생성속도에 관한 그래프이다.1 is a photograph of a catalyst for aquatic reforming reaction prepared in Example 1 according to the present invention by a scanning electron microscope (SEM)
FIG. 2 is a graph showing the rate of hydrogen production according to the reaction time in the aquatic reforming reaction of the aqueous reforming catalyst prepared in Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention.
본 발명은The present invention
백금, 철 및 망간으로 이루어진 복합금속이 활성물질로 메조다공성 탄소 담체에 함침된 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매를 제공한다.
The present invention provides a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons, characterized in that a composite metal consisting of platinum, iron and manganese is impregnated with an active substance in a mesoporous carbon carrier.
이하, 본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the catalyst for aqueous reforming reaction for producing hydrogen from the oxygen-containing hydrocarbon according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매는 메조다공성 탄소 담체에 활성물질로 백금, 철 및 망간으로 이루어진 복합금속이 함침된 수상개질 반응용 촉매로, 기존의 수상개질 반응에 주로 사용되고 있는 활성성분인 백금만을 사용하지 않고, 가격이 저렴한 철 및 망간을 상기 백금과 함께 사용하여 촉매의 가격을 대폭 낮추었으며, 백금 대비 촉매반응의 활성을 또한 증대시킬 수 있다.
The catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons according to the present invention is a water-reforming catalyst in which a composite metal consisting of platinum, iron and manganese is impregnated with an active substance as a mesoporous carbon carrier, Iron and manganese, which are low in price, are used together with the above platinum, without using only platinum, which is an active ingredient mainly used in the reaction, and the catalyst is greatly reduced in price and the catalytic activity of platinum is also increased.
본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 있어서, 상기 메조다공성 탄소 담체는 메조세공을 가지는 구형 입상 활성탄소 담체인 것이 바람직하다.In the catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon according to the present invention, the mesoporous carbon support is preferably a spherical granular activated carbon support having mesopores.
상기 구형 입상 활성탄소 담체는 구형의 모양을 가진 성형 활성탄소를 사용할 수 있으며, 이러한 구형 입상 활성탄소를 활성화 처리를 수행하여 비표면적을 증가시켜 메조다공성 구조를 형성시켜 사용하는 것이 바람직하다.The spherical granular activated carbon carrier may be spherical shaped activated carbon. The spherical granular activated carbon may be activated to increase the specific surface area to form a mesoporous structure.
또한, 상기 구형 입상 활성탄소 담체는 0.3 내지 2.0 mm의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 만약, 상기 구형 입상 활성탄소 담체의 직경이 0.3 mm 미만일 경우에는 고정층 반응기에 상기 담체를 포함하는 촉매를 충진하기 어렵고, 촉매층 내에서 채널링 현상이 발생하는 문제가 있으며, 2.0 mm를 초과하는 경우에는 비표면적이 떨어져 활성물질의 함침량이 부족하고, 이에 따라 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있다.
The spherical granular activated carbon carrier preferably has a diameter of 0.3 to 2.0 mm. If the diameter of the spherical granular activated carbon carrier is less than 0.3 mm, it is difficult to fill the catalyst including the support in the fixed bed reactor and channeling phenomenon occurs in the catalyst layer. When the diameter exceeds 2.0 mm, There is a problem that the amount of the active material to be impregnated is insufficient and the activity of the catalyst is deteriorated.
이와 같이, 메조세공을 가지는 구형 입상 활성탄소 담체는 수상개질 반응 촉매의 담체로서 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 수상개질 반응은 주로 고정층 반응기에서 반응을 실시하고 있는데, 상기 수상개질 반응용 촉매의 입자형태가 구형이며, 0.3 내지 2.0 mm의 직경을 갖기 때문에 고정층 반응기에 상기 촉매를 쉽게 충진할 수 있으며, 분말 입자 형태인 미립자 입자의 충진시 문제가 되는 촉매층 내에서 발생하는 채널링(channeling) 현상이 현저히 줄어들고 미립자 충진에 기인한 압력이 크게 증가되는 문제를 해결할 수 있다. As described above, the spherical granular activated carbon support having mesopores can be usefully used as a support for an aquatic reforming catalyst. Specifically, the aqueous reforming reaction is mainly carried out in a fixed-bed reactor. Since the particle size of the catalyst for the afore-mentioned reforming reaction is spherical and has a diameter of 0.3 to 2.0 mm, the catalyst can be easily filled in the fixed bed reactor , The channeling phenomenon occurring in the catalyst layer, which is a problem in filling the particulate particles in the form of powder particles, is remarkably reduced, and the problem that the pressure due to the particulate filling is greatly increased can be solved.
즉, 벤취(bench) 및 빠이롯드(pilot) 규모의 용량이 큰 반응기에 분말 입자를 적용에는 상기와 같은 문제점이 필수적으로 동반하게 되는데, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 이를 해결할 수 있으며, 적절한 활성물질의 함침에 기인하여 수상개질 반응에 의한 수소의 제조시 고효율 및 장수명을 나타낼 수 있다.
That is, the above-described problems are essentially accompanied by the application of powder particles to a reactor having a large capacity on a bench scale and a pilot scale. The catalyst for a water modification reaction according to the present invention can solve this problem, Due to the impregnation of a suitable active material, high efficiency and long life can be exhibited in the production of hydrogen by a water reforming reaction.
본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 있어서, 상기 메조다공성 탄소 담체는 비표면적이 1,300 내지 2,500 m2/g인 것이 바람직하며, 1,500 내지 2,000 m2/g인 것이 가장 바람직하다. 만약, 상기 메조다공성 탄소 담체의 비표면적이 1,300 m2/g 미만일 경우에는 탄소 담체에 함침되는 활성물질이 부족한 문제가 있으며, 2,500 m2/g을 초과하는 경우에는 탄소 담체의 물성이 부족한 문제가 있다.
The mesoporous carbon support preferably has a specific surface area of 1,300 to 2,500 m 2 / g, more preferably 1,500 to 2,000 m 2 / g, Is most preferable. If the specific surface area of the mesoporous carbon support is less than 1,300 m 2 / g, there is a problem that the active material impregnated in the carbon support is insufficient. When the specific surface area exceeds 2,500 m 2 / g, have.
본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 있어서, 상기 백금의 함량은 메조다공성 탄소 담체 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부인 것이 바람직하다.In the catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon according to the present invention, the amount of the platinum is preferably 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mesoporous carbon support.
또한, 상기 철 및 망간의 함량은 백금 함량에 대하여 몰비로 각각 1 내지 6 범위인 것이 바람직하다.The content of iron and manganese is preferably in the range of 1 to 6 in terms of molar ratio with respect to the platinum content.
상기와 같이 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 기존의 수상개질 반응에 주로 사용되고 있는 활성성분인 백금만을 사용하지 않고, 가격이 저렴한 철 및 망간을 상기 백금과 함께 사용하여 촉매의 가격을 대폭 낮추었으며, 백금 대비 촉매반응의 활성을 또한 증대시킬 수 있다.
As described above, the catalyst for the aquatic reforming reaction according to the present invention uses iron and manganese which are inexpensive and costly, together with the platinum, without using only platinum, which is an active ingredient mainly used in the conventional water reforming reaction, And the activity of the catalytic reaction relative to platinum can also be increased.
본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매에 있어서, 상기 함산소 탄화수소는 에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 솔비톨, 수크로스, 당, 당 알코올 및 자일리톨 등일 수 있다.
In the catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons according to the present invention, the oxygen-containing hydrocarbon may be ethylene glycol, glycerol, propylene glycol, sorbitol, sucrose, sugar, sugar alcohol and xylitol.
또한, 본 발명은In addition,
메조다공성 탄소 담체를 준비하고, 유기 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 1); 및Preparing a mesoporous carbon support and mixing it with an organic solvent to prepare a mixed solution (step 1); And
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 주입하여 메조다공성 탄소 담체에 활성물질을 함침시키는 단계(단계 2);를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.
(Step 2) of injecting a platinum precursor, an iron precursor, and a manganese precursor into the mixed solution prepared in step 1 to impregnate the mesoporous carbon carrier with an active material (step 2). A method for producing a catalyst for reaction is provided.
이하, 본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method for preparing a catalyst for an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon according to the present invention will be described in detail.
먼저, 본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서, 단계 1은 메조다공성 탄소 담체를 준비하고, 유기 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계이다.First, in the method of preparing a catalyst for an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from the deoxygenated hydrocarbon according to the present invention, step 1 is a step of preparing a mesoporous carbon support and mixing it with an organic solvent to prepare a mixed solution.
상기 단계 1에서는 활성물질을 함침시키기 위해 메조다공성을 가지는 탄소 담체를 준비하고, 준비된 메조다공성 탄소 담체를 유기 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계이다.
In the step 1, a mesoporous carbon support is prepared to impregnate the active material, and the prepared mesoporous carbon support is mixed with an organic solvent to prepare a mixed solution.
구체적으로, 상기 단계 1에서 메조다공성 탄소 담체의 준비는,Specifically, in preparing the mesoporous carbon support in step 1,
구형 입상 활성탄소 담체를 사용하여 800 내지 1000 ℃의 온도에서 6 내지 10 시간 동안 수증기 및 불황성 기체의 혼합 기류 조건에서 활성화시키는 단계(단계 a);를 수행하여 준비되는 것이 바람직하다.(Step a) by using a spherical granular activated carbon carrier at a temperature of 800 to 1000 DEG C for 6 to 10 hours under a mixed gas flow of water vapor and depressurized gas.
함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응에 적합한 촉매를 제조하기 위해 구형의 모양을 가진 성형 활성탄소를 담체로 사용할 수 있으며, 이러한 구형 입상 활성탄소를 활성화 처리를 수행하여 비표면적을 증가시켜 메조다공성 구조를 형성시켜 사용하는 것이 바람직하다.In order to prepare a catalyst suitable for an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from oxygen-containing hydrocarbons, spherical shaped shaped activated carbon can be used as a carrier, and the spherical activated carbon is activated to increase the specific surface area It is preferable to form and use a mesoporous structure.
이때, 상기 단계 a의 구형 입상 활성탄소 담체는 0.3 내지 2.0 mm의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 a의 구형 입상 활성탄소 담체의 직경이 0.3 mm 미만일 경우에는 고정층 반응기에 상기 담체를 포함하는 촉매를 충진하기 어렵고, 촉매층 내에서 채널링 현상이 발생하는 문제가 있으며, 2.0 mm를 초과하는 경우에는 비표면적이 떨어져 활성물질의 함침량이 부족하고, 이에 따라 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있다.
At this time, it is preferable that the spherical granular activated carbon carrier of step a has a diameter of 0.3 to 2.0 mm. If the diameter of the spherical granular activated carbon support in step (a) is less than 0.3 mm, it is difficult to fill the catalyst including the support in the fixed bed reactor, and channeling phenomenon occurs in the catalyst layer. , There is a problem that the specific surface area is small and the amount of the active material to be impregnated is insufficient, thereby deteriorating the activity of the catalyst.
또한, 상기 단계 a에서 활성화 온도가 800 ℃ 미만이거나, 활성화 시간이 6시간 미만인 경우에는 충분한 활성화가 이루어지지 않아 비표면적과 세공부피를 증가시킬 수 없는 문제점이 있으며, 활성화 온도가 1000 ℃를 초과하거나 활성화 시간이 10 시간을 초과하는 경우에는 너무 활성화가 많이 일어나, 제조되는 촉매의 강도가 떨어지며 반응 활성이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
If the activation temperature is lower than 800 ° C or the activation time is less than 6 hours in the step a, sufficient activation is not achieved and the specific surface area and pore volume can not be increased. If the activation temperature exceeds 1000 ° C When the activation time exceeds 10 hours, too much activation takes place, resulting in a decrease in the strength of the produced catalyst and a drastic decrease in the reaction activity.
이와 같이, 상기 단계 a에서 활성화 처리를 거쳐 메조다공성을 가지는 구형 입상 활성탄소 담체는 수상개질 반응 촉매의 담체로서 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 수상개질 반응은 주로 고정층 반응기에서 반응을 실시하고 있는데, 상기 수상개질 반응용 촉매의 입자형태가 구형이며, 0.3 내지 2.0 mm의 직경을 갖기 때문에 고정층 반응기에 상기 촉매를 쉽게 충진할 수 있으며, 분말 입자 형태인 미립자 입자의 충진시 문제가 되는 촉매층 내에서 발생하는 채널링(channeling) 현상이 현저히 줄어들고 미립자 충진에 기인한 압력이 크게 증가되는 문제를 해결할 수 있다.As described above, the spherical granular activated carbon carrier having mesoporosity through the activation treatment in step a can be usefully used as a carrier of an aquatic reforming reaction catalyst. Specifically, the aqueous reforming reaction is mainly carried out in a fixed-bed reactor. Since the particle size of the catalyst for the afore-mentioned reforming reaction is spherical and has a diameter of 0.3 to 2.0 mm, the catalyst can be easily filled in the fixed bed reactor , The channeling phenomenon occurring in the catalyst layer, which is a problem in filling the particulate particles in the form of powder particles, is remarkably reduced, and the problem that the pressure due to the particulate filling is greatly increased can be solved.
즉, 벤취(bench) 및 빠이롯드(pilot) 규모의 용량이 큰 반응기에 분말 입자를 적용에는 상기와 같은 문제점이 필수적으로 동반하게 되는데, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 이를 해결할 수 있으며, 적절한 활성물질의 함침에 기인하여 수상개질 반응에 의한 수소의 제조시 고효율 및 장수명을 나타낼 수 있다.
That is, the above-described problems are essentially accompanied by the application of powder particles to a reactor having a large capacity on a bench scale and a pilot scale. The catalyst for a water modification reaction according to the present invention can solve this problem, Due to the impregnation of a suitable active material, high efficiency and long life can be exhibited in the production of hydrogen by a water reforming reaction.
상기와 같이 준비된 상기 단계 1의 메조다공성 탄소 담체는 비표면적이 1,300 내지 2,500 m2/g인 것이 바람직하며, 1,500 내지 2,000 m2/g인 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 단계 1에서 메조다공성 탄소 담체의 비표면적이 1,300 m2/g 미만일 경우에는 탄소 담체에 함침되는 활성물질이 부족한 문제가 있으며, 2,500 m2/g을 초과하는 경우에는 탄소 담체의 물성이 부족한 문제가 있다.
The mesoporous carbon support of step 1 prepared as described above preferably has a specific surface area of 1,300 to 2,500 m 2 / g, more preferably 1,500 to 2,000 m 2 / g. If the specific surface area of the mesoporous carbon support is less than 1,300 m 2 / g in the step 1, there is a problem that the active material impregnated in the carbon support is insufficient. When the specific surface area exceeds 2,500 m 2 / g, There is an insufficient problem.
상기 단계 1의 유기 용매는 탄소 담체를 녹이지 않는 적절한 유기 용매를 사용할 수 있으며, 일례로써 아세톤을 사용할 수 있다.
The organic solvent in step 1 may be an organic solvent that does not dissolve the carbon carrier. For example, acetone may be used.
다음으로, 본 발명에 따른 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 주입하여 메조다공성 탄소 담체에 활성물질을 함침시키는 단계이다.Next, in the method of preparing a catalyst for an aquatic reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon according to the present invention, Step 2 is a step of injecting a platinum precursor, an iron precursor and a manganese precursor into the mixed solution prepared in Step 1 Impregnating the mesoporous carbon carrier with the active material.
상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 준비된 메조다공성 탄소 담체에 활성물질을 함침시키기 위하여, 상기 단계 1에서 제조된 메조다공성 탄소 담체가 포함되어 있는 혼합 용액에 활성물질인 백금, 철 및 망간의 전구체를 주입한다.
In the step 2, in order to impregnate the mesoporous carbon support prepared in the step 1 with the active material, a precursor of platinum, iron and manganese, which are active materials, is injected into the mixed solution containing the mesoporous carbon support prepared in the step 1 do.
기존에 대표적으로 사용되고 있는 활성물질로써, 귀금속인 백금은 활성측면에서 가장 적절한 금속으로 알려져 있으나, 탄소 담체의 무게를 기준으로 5 중량부를 초과하는 등의 지나치게 과다한 사용으로 경제적이지 못한 문제가 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 백금 성분에 갑싼 금속성분인 철과 망간을 동시에 포함한 형태의 복합금속을 사용하였는데, 메조다공성 탄소 담체에 함침시 활성물질이 잘 분산되면서 알로이를 형성시켜 반응활성을 증대시키는 역할을 할 수 있다.
Platinum, which is a typical active material used conventionally, is known as the most suitable metal in terms of activity, but it is not economical due to excessive use such as exceeding 5 parts by weight based on the weight of the carbon support. Therefore, in the present invention, a composite metal containing both iron and manganese, which are metal components in the platinum component, is used. When the mesoporous carbon carrier is impregnated with the active material, the active material is well dispersed to form an alloy, can do.
이때, 상기 단계 2에서 활성물질의 함침은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 함침방법에 의하여 수행될 수 있으나, 초기 습윤법(Incipient wetness method)이 금속이 담체에 분산될 때 균일한 분산이 가능하므로 바람직하다. 상기 초기 습윤법은 활성물질의 전구체를 용매에 녹인 용액을 담체에 가하는 방식으로 수행되며, 상기 활성물질이 복합 금속인 경우에는 금속 각각의 전구체를 하나의 용매에 녹인 용액을 사용하여 수행될 수 있다.In this case, the impregnation of the active material in the step 2 may be performed by an impregnation method commonly used in the related art, but the incipient wetness method is preferable because it can uniformly disperse when the metal is dispersed in the carrier Do. In the initial wetting method, a solution in which a precursor of an active material is dissolved in a solvent is applied to a carrier, and in the case where the active material is a composite metal, a solution in which each precursor of the metal is dissolved in one solvent may be used .
예를 들어, 상기 활성물질인 백금의 경우에는 백금 전구체의 비제한적인 예로는 헥사클로로 플라틴산(hexachloroplatinic acid, H2PtCl69H2O), 백금 암모늄 클로라이드(Pt(NH3)4Cl2), 백금 암모늄 나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2) 등을 들 수 있다. For example, in the case of the active substance platinum, non-limiting examples of the platinum precursor include hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 9H 2 O), platinum ammonium chloride (Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 ), Platinum ammonium nitrate (Pt (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ), and the like.
또한, 상기 활성물질인 철 및 망간의 경우에는 철 및 망간 전구체로는 아이언(III) 나이트레이트 노나하이트레이트(Iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO3)39H2O), 망간(II) 나이트레이트 하이드레이트(manganese(II) nitrate hydrate, Mn(NO3)2xH2O) 등을 들 수 있다.
Iron (III) nitrate nonahydrate, Fe (NO 3 ) 3 9H 2 O), manganese (II) nitrate, and iron (III) nitrate are used as iron and manganese precursors in the case of iron and manganese, Manganese (II) nitrate hydrate, and Mn (NO 3 ) 2 x H 2 O).
나아가, 상기 단계 2에서 백금 전구체는 메조다공성 탄소 담체 100 중량부에 대하여 백금의 함량이 1 내지 5 중량부가 되도록 주입되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2에서 백금 전구체가 메조다공성 탄소 담체 100 중량부에 대하여 백금의 함량이 1 중량부 미만이 되도록 주입되는 경우에는 활성물질의 담지량이 너무 적어서 수상개질 반응의 촉매로 반응활성이 낮아지게 되며, 5 중량부를 초과하여 주입되는 경우에는 활성물질이 상호 뭉쳐지는 현상이 일어나기 때문에 값비싼 귀금속 촉매의 양에 비해 촉매 활성이 높지 않게 되는 문제가 있다.Further, in step 2, the platinum precursor is preferably injected in an amount of 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mesoporous carbon support. If the platinum precursor is injected so that the platinum content is less than 1 part by weight with respect to 100 parts by weight of the mesoporous carbon support in the step 2, the loading amount of the active material is too small, When the catalyst is added in an amount exceeding 5 parts by weight, there is a problem that the active materials are mutually aggregated and the catalytic activity is not higher than the amount of expensive noble metal catalyst.
또한, 상기 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체는 활성물질 중 철 및 망간이 백금 함량에 대하여 몰비로 각각 1 내지 6 범위가 되도록 주입되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체가 활성물질 중 철 및 망간이 백금 함량에 대하여 몰비로 1 범위 미만인 경우에는 철 또는 망간의 함침량이 작아 반응활성에 영향을 주지 못하고, 6 범위를 초과하는 경우에는 백금과 알로이 형성이 어려워지며, 함침된 활성물질의 분산도가 떨어져 반응성이 저하되는 문제점이 있다.In the step 2, the platinum precursor, the iron precursor, and the manganese precursor are preferably injected such that iron and manganese in the active material have a molar ratio of 1 to 6, respectively, with respect to the platinum content. If the platinum precursor, the iron precursor and the manganese precursor in the step 2 are less than the molar ratio of iron and manganese to the platinum content in the active material, the impregnation amount of iron or manganese is small and the reaction activity is not affected, , Formation of platinum and alloys becomes difficult, and the dispersibility of the impregnated active material is reduced, thereby deteriorating reactivity.
상기와 같이 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 기존의 수상개질 반응에 주로 사용되고 있는 활성성분인 백금만을 사용하지 않고, 가격이 저렴한 철 및 망간을 상기 백금과 함께 사용하여 촉매의 가격을 대폭 낮추었으며, 백금 대비 촉매반응의 활성을 또한 증대시킬 수 있다.
As described above, the catalyst for the aquatic reforming reaction according to the present invention uses iron and manganese which are inexpensive and costly, together with the platinum, without using only platinum, which is an active ingredient mainly used in the conventional water reforming reaction, And the activity of the catalytic reaction relative to platinum can also be increased.
나아가, 본 발명은 Further,
상기의 수상개질 반응용 촉매를 사용하여 함산소 탄화수소로부터 수상개질 반응을 통해 수소를 제조하는 방법을 제공한다.
There is provided a process for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon through an aquatic reforming reaction using the above-mentioned catalyst for a water-reforming reaction.
구체적인 일례로써, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매를 고정층반응기에 충진시킨 후, 200 내지 400 ℃의 온도에서 2 내지 12 시간 동안 상기 수상개질 반응용 촉매를 환원시킨다. 그 후, 함산소 탄화수소를 적절한 유량으로 고정층반응기에 공급하여 반응시킴으로써 수소를 제조할 수 있다.
As a concrete example, the catalyst for water reforming reaction according to the present invention is filled in a fixed bed reactor, and then the catalyst for a water reforming reaction is reduced at a temperature of 200 to 400 ° C for 2 to 12 hours. Thereafter, hydrogen can be produced by supplying an impure oxygen hydrocarbon to the fixed bed reactor at a proper flow rate and allowing the reaction to proceed.
이때, 상기 함산소 탄화수소는 다양하게 적용가능하며, 일례로써, 에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 솔비톨(sorbitol), 수크로스(sucros), 당(sugar), 알코올(alcohol) 및 자일리톨(xylitol) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Herein, the oxygen-containing hydrocarbon may be variously used. Examples of the oxygen-containing hydrocarbon include ethylene glycol, glycerol, propylene glycol, sorbitol, sucrose, sugar, alcohol and xylitol But is not limited thereto.
또한, 상기 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 반응은 200 내지 400 ℃의 온도범위에서 이루어질 수 있다. 반응의 온도가 200 ℃ 미만인 경우 반응활성이 너무 낮은 문제점이 있으며, 반응의 온도가 400℃ 초과인 경우 수소의 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
The reaction for producing hydrogen from the oxygen-containing hydrocarbon may be performed at a temperature ranging from 200 to 400 ° C. When the reaction temperature is lower than 200 ° C, the reaction activity is too low. When the reaction temperature is higher than 400 ° C, the yield of hydrogen is lowered.
나아가, 상기 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 반응은 0.1 내지 100 cc/gcat.min 범위의 중량 공간 속도(WHSV: weight hour space velocity)에서 수행될 수 있다.
Further, the reaction for producing hydrogen from the oxygen-containing hydrocarbon is preferably performed at a rate of 0.1 to 100 cc / gcat.min Range And may be performed at a weight hour space velocity (WHSV).
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
It should be noted, however, that the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, but the scope of the invention is not limited by the examples and the experimental examples.
<제조예 1> ≪ Preparation Example 1 &
구형의 성형 활성탄소(MP-AC, 일본 kureha 구형 성형 활성탄소)를 사용하여 질소 및 수증기를 1: 1 (몰비)로 혼합한 혼합 기류 조건하에서 활성화 처리를 실시하여 메조다공성 탄소 담체를 준비하였다. 이때, 활성화 온도는 900 ℃이고, 활성화 시간은 6 시간이다.
The mesoporous carbon support was prepared by performing activation treatment under a mixed gas flow condition in which spherical shaped activated carbon (MP-AC, Japanese kureha spherical shaped activated carbon) was mixed with nitrogen and water vapor at a molar ratio of 1: 1. At this time, the activation temperature is 900 DEG C and the activation time is 6 hours.
<제조예 2~7>≪ Preparation Examples 2 to 7 &
상기 제조예 1에서 활성화 온도가 600 ~ 1,000 ℃이고, 활성화 시간이 2 ~ 16 시간인 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 탄소 담체를 준비하였으며, Carbon support was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that the activation temperature was 600 to 1,000 ° C. and the activation time was 2 to 16 hours.
하기 표 1에 제조예 1~7에서 제조된 탄소 담체의 실험 조건 및 물성(비표면적, 세공 부피)을 나타내었다.
The experimental conditions and physical properties (specific surface area, pore volume) of the carbon support prepared in Production Examples 1 to 7 are shown in Table 1 below.
(℃)Activation temperature
(° C)
(시간)Activation time
(time)
(cm3/g)Pore volume
(cm < 3 > / g)
<실시예 1> 수상개질 반응용 촉매의 제조 1Example 1 Preparation of Catalyst for Water Reforming Reaction 1
단계 1: 상기 제조예 1에서 제조된 메조다공성 탄소 담체 36.6 g을 유기 용매인 아세톤 3 L와 혼합하여 혼합 용액을 제조하였다.
Step 1: 36.6 g of the mesoporous carbon support prepared in Preparation Example 1 was mixed with 3 L of acetone as an organic solvent to prepare a mixed solution.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 활성물질로 백금 전구체인 헥사클로로 플라티닉엑시드(hexachloro platinic acid, H2PtCl69H2O, MW = 518) 7.3 g (Pt 함량: 2.93 g, 0.015 mol), 철 전구체인 아이언(III) 나이트레이트 노나하이트레이트(iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO3)39H2O, MW = 404) 6 g (Fe 함량: 0.84 g, 0.015 mol) 및 망간 전구체인 망간(II) 나이트레이트 하이드레이트(manganese(II) nitrate hydrate, Mn(NO3)24H2O, MW = 251) 3.6 g (Mn 함량: 0.82 g, 0.015 mol)를 주입하였다.Step 2: 7.3 g of platinum precursor hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 9H 2 O, MW = 518) (Pt content: 2.93 g, 0.015 6 g (Fe content: 0.84 g, 0.015 mol) of iron precursor iron (III) nitrate nonahydrate, Fe (NO 3 ) 3 9H 2 O, MW = 3.6 g (Mn content: 0.82 g, 0.015 mol) of manganese (II) nitrate hydrate, manganese (II) nitrate hydrate, Mn (NO 3 ) 2 4H 2 O, MW = 251)
그 후, 기화기(rotavapor)에서 증발시키면서 메조다공성 탄소 담체에 Pt-Fe-Mn이 함침된 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.Thereafter, a catalyst for an aqueous reforming reaction in which Pt-Fe-Mn was impregnated in a mesoporous carbon support while evaporating in a rotavapor was prepared.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:1:1 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for the aquatic reforming reaction is composed of platinum in an amount of 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 1: 1 (molar ratio).
<실시예 2> 수상개질 반응용 촉매의 제조 2≪ Example 2 > Preparation of catalyst for aqueous reforming reaction 2
상기 실시예 1의 단계 1에서 상기 제조예 2에서 제조된 메조다공성 탄소 담체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for aqueous phase reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mesoporous carbon support prepared in Preparation Example 2 was used in Step 1 of Example 1 above.
<실시예 3> 수상개질 반응용 촉매의 제조 3≪ Example 3 > Preparation of catalyst for aqueous reforming reaction 3
상기 실시예 1의 단계 1에서 상기 제조예 3에서 제조된 메조다공성 탄소 담체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for aqueous phase reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mesoporous carbon support prepared in Preparation Example 3 was used in Step 1 of Example 1 above.
<실시예 4> 수상개질 반응용 촉매의 제조 4Example 4 Preparation of Catalyst for Water Reforming Reaction 4
상기 실시예 1의 단계 1에서 상기 제조예 4에서 제조된 메조다공성 탄소 담체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for aqueous phase reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mesoporous carbon support prepared in Preparation Example 4 was used in Step 1 of Example 1 above.
<실시예 5> 수상개질 반응용 촉매의 제조 5Example 5 Preparation of Catalyst for Water Reforming Reaction 5
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 1 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:1:1 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for aquatic reforming reaction is composed of platinum in an amount of 1 part by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 1: 1 (molar ratio).
<실시예 6> 수상개질 반응용 촉매의 제조 6≪ Example 6 > Preparation of catalyst for aqueous reforming reaction 6
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 5 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:1:1 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for aqueous reforming reaction is composed of platinum in an amount of 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 1: 1 (molar ratio).
<실시예 7> 수상개질 반응용 촉매의 제조 7Example 7 Preparation of Catalyst for Water Reforming Reaction 7
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:2:2 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for the aquatic reforming reaction is composed of platinum in an amount of 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 2: 2 (molar ratio).
<실시예 8> 수상개질 반응용 촉매의 제조 8≪ Example 8 > Preparation of catalyst for aqueous reforming reaction 8
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:1:4 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for the aquatic reforming reaction is composed of platinum in an amount of 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 1: 4 (molar ratio).
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 상기 제조예 5에서 제조된 탄소 담체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for an aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon support prepared in Preparation Example 5 was used in Step 1 of Example 1.
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 상기 제조예 6에서 제조된 탄소 담체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1, except that the carbon support prepared in Preparation Example 6 was used in Step 1 of Example 1.
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 상기 제조예 7에서 제조된 탄소 담체를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon support prepared in Preparation Example 7 was used in Step 1 of Example 1.
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 0.1 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:1:1 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for aqueous reforming reaction is composed of platinum in an amount of 0.1 part by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese in terms of platinum, iron: manganese = 1 : 1: 1 (molar ratio).
<비교예 5>≪ Comparative Example 5 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 10 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:1:1 (몰비)이다.
At this time, the finally prepared catalyst for the aquatic reforming reaction contains platinum in an amount of 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 1: 1 (molar ratio).
<비교예 6>≪ Comparative Example 6 >
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:10:7 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for the aquatic reforming reaction is composed of platinum in an amount of 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 10: 7 (molar ratio).
<비교예 7>≪ Comparative Example 7 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 다른 함량으로 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for aqueous reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that platinum precursor, iron precursor and manganese precursor were injected in different contents in Step 2 of Example 1 above.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부이고, 철 및 망간의 함량은 백금 함량을 기준으로, 백금:철:망간 = 1:0.1:0.1 (몰비)이다.
At this time, the final catalyst for the aquatic reforming reaction is composed of platinum in an amount of 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon support, iron and manganese based on platinum content, platinum: iron: manganese = 1 : 0.1: 0.1 (molar ratio).
<비교예 8>≪ Comparative Example 8 >
상기 실시예 1의 단계 1에서 구형의 성형 활성탄소(MP-AC, 일본 kureha 구형 성형 활성탄소)를 담체로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
A catalyst for aqueous phase reforming reaction was prepared in the same manner as in Example 1 except that spherical shaped activated carbon (MP-AC, Japanese kureha spherical shaped activated carbon) was used as a carrier in step 1 of Example 1 above .
<비교예 9>≪ Comparative Example 9 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 로드형의 성형 활성탄소(HG-AC, 한국 한일그린텍 로드형 성형 활성탄소)를 담체로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that the rod-shaped molded activated carbon (HG-AC, Korea-Japan Greentec rod-shaped shaped activated carbon) was used as a carrier in step 1 of Example 1, Catalyst.
<비교예 10>≪ Comparative Example 10 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 철 전구체 및 망간 전구체를 주입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.The procedure of Example 1 was repeated except that the iron precursor and the manganese precursor were not injected in the step 2 of Example 1 to prepare a catalyst for an aqueous reforming reaction.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부이다.
At this time, the finally prepared catalyst for the water-reforming reaction contains 3 parts by weight of platinum in the active material with respect to 100 parts by weight of the carbon support.
<비교예 11>≪ Comparative Example 11 &
상기 실시예 1의 단계 2에서 백금 전구체로 헥사클로로 플라티닉엑시드(hexachloro platinic acid, H2PtCl69H2O, MW = 518)를 12.17 g (Pt 함량: 4.88 g, 0.025 mol) 주입하고, 철 전구체 및 망간 전구체를 주입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 수상개질 반응용 촉매를 제조하였다.12.17 g (Pt content: 4.88 g, 0.025 mol) of hexachloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 9 H 2 O, MW = 518) was injected as a platinum precursor in Step 2 of Example 1, Except that the precursor and the manganese precursor were not injected into the reaction system.
이때, 최종적으로 제조된 수상개질 반응용 촉매는 활성물질 중 백금의 함량이 탄소 담체 100 중량부에 대하여 5 중량부이다.
At this time, the finally prepared catalyst for aqueous reforming reaction contains 5 parts by weight of platinum in the active material, based on 100 parts by weight of the carbon support.
<실험예 1> 주사 전자 현미경 관찰<Experimental Example 1> Scanning electron microscopic observation
본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 수상개질 반응용 촉매를 주사 전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
In order to confirm the shape of the catalyst for aqueous phase reforming reaction according to the present invention, the catalyst for aqueous phase reforming reaction prepared in Example 1 was observed with a scanning electron microscope (SEM) .
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매인 실시예 1의 형상은 구형을 띄고 있으며, 직경은 약 1 mm인 것을 확인할 수 있었다.
As shown in Fig. 1, the shape of the catalyst for aqueous phase reforming according to the present invention, which was spherical, was found to be about 1 mm in diameter.
<실험예 2> 수상개질 반응에 의한 촉매 성능 평가 1EXPERIMENTAL EXAMPLE 2 Evaluation of Catalyst Performance by Aqueous Modification Reaction 1
본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 촉매 성능을 평가하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 11에서 제조된 수상개질 반응용 촉매를 하기와 같은 실험을 통해 수소의 수율 및 수소의 생성속도를 측정하였다.
In order to evaluate the catalytic performance of the catalyst for an aquatic reforming reaction according to the present invention, the catalysts for aquatic reforming reaction prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 11 were tested for hydrogen yield and hydrogen The production rate was measured.
구체적으로 1.0 인치의 직경 및 60 cm의 길이를 가지는 관형의 고정층반응기를 고정층 촉매반응시스템에 장착하여 수상개질 반응을 수행하였다. 사용된 촉매의 양은 30 g이었으며, 반응에 앞서 수소 흐름 하에서 260 ℃의 온도로 6 시간 동안 촉매를 환원시킨 후, 전체 수용액에 대하여 10 중량%의 에틸렌글리콜 수용액을 HPLC 펌프를 이용하여 10 cc/min의 유량으로 반응기에 공급하였다. 기타 반응조건으로 시간당 중량공간속도(WHSV: Weight Hour Space Velocity)는 10 cc/gcat.min으로 일정하게 고정하고, 온도와 압력을 250 ℃의 온도 및 45 기압 조건으로 유지시키면서 폴리올 수용액으로부터 수상개질 반응을 통해 수소를 제조하였다.
Specifically, a fixed bed reactor having a diameter of 1.0 inch and a length of 60 cm was mounted in a fixed bed catalytic reaction system to perform an austenitic reforming reaction. The amount of catalyst used was 30 g. After the catalyst was reduced for 6 hours at a temperature of 260 ° C under hydrogen flow prior to the reaction, a 10 wt% aqueous solution of ethylene glycol was added to the whole aqueous solution at 10 cc / min To the reactor. As the other reaction conditions, the weight hour space velocity (WHSV) was fixed to 10 cc / g cat.min and the aqueous reforming reaction was carried out from the polyol aqueous solution while keeping the temperature and pressure at 250 ° C. and 45 atm. ≪ / RTI >
수상개질 반응 후 생성된 가스상 생성물은 내부 표준물질(internal standard)로 질소를 사용하여 carboxen 1000 충진 컬럼(packed column)과 GS-GASPRO 미세기공 컬럼(capillary column)이 각각 장착된 GC-TCD와 FID를 통해 정량, 분석하였다. 반응원료 중 탄소 성분을 기준으로 한 폴리올로부터 수소의 수율은 하기 수학식 1을 이용하여 계산하였고, 수소의 생성속도는 질소의 내부표준물질을 기준으로 GC의 TCD에서 검출되는 수소의 양을 정량한 후 촉매의 그램당 분당 수소의 생성속도를 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The gaseous products produced after the water reforming reaction were GC-TCD and FID equipped with carboxen 1000 packed column and GS-GASPRO microporous column, respectively, using nitrogen as an internal standard. . The yield of hydrogen from the polyol on the basis of the carbon component in the reaction material was calculated by using the following Equation 1 and the rate of hydrogen production was determined by quantifying the amount of hydrogen detected in the TCD of GC based on the internal standard substance of nitrogen The rate of generation of hydrogen per gram of post catalyst was calculated and the results are shown in Table 2 below.
이때, 예를 들어 에틸렌글리콜인 경우에 반응식은 (CH2)2(OH)2 + 2H2O → 2CO2 + 5H2 이다.
In this case, for example, in the case of ethylene glycol, the reaction formula is (CH 2 ) 2 (OH) 2 + 2H 2 O → 2CO 2 + 5H 2 to be.
[수학식 1][Equation 1]
division
담체
종류carbon
carrier
Kinds
백금의 함량Carbon carrier contrast
Platinum content
수율(%)Of hydrogen
yield(%)
(cc/gcat.min)Hydrogen production rate
(cc / gcat.min)
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3을 살펴보면, 동일한 함량의 활성물질을 담지시켰음에도 불구하고 탄소 담체의 종류에 따라 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. As shown in Table 2, although Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were examined, although the same amount of the active material was loaded, the yield of hydrogen and the rate of hydrogen generation differed depending on the type of the carbon carrier Can be confirmed.
구체적으로, 메조다공성을 가지지 않는 탄소 담체를 사용하여 제조된 수상개질 반응용 촉매인 비교예 1 내지 3의 경우에는 수소의 수율이 42.7 내지 49.7 %이며, 수소의 생성속도가 21.5 내지 28.5 cc/gcat.min을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 메조다공성 탄소 담체를 사용하여 제조된 수상개질 반응용 촉매인 실시예 1 내지 4의 경우에는 수소의 수율이 58.3 내지 69.2 %이며, 수소의 생성속도는 41.4 내지 45.7 cc/gcat.min로 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
Specifically, in the case of Comparative Examples 1 to 3, which are catalysts for water-reforming reaction produced using a carbon carrier having no mesoporosity, the yield of hydrogen was 42.7 to 49.7%, the rate of hydrogen generation was 21.5 to 28.5 cc / gcat .min. < / RTI > On the other hand, in Examples 1 to 4, which are catalysts for aquatic reforming reaction produced using the mesoporous carbon support according to the present invention, the yield of hydrogen was 58.3 to 69.2%, the rate of hydrogen generation was 41.4 to 45.7 cc / gcat .min. < / RTI >
또한, 실시예 1, 실시예 5 내지 8 및 비교예 4 내지 7을 살펴보면, 백금의 함량을 조절하거나, 철 및 망간의 함량을 조절한 경우에는 동일한 메조다공성 담체를 사용했음에도 불구하고 활성물질의 함량에 따라 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 차이 나는 것을 확인할 수 있다. In the case of controlling the content of platinum or the content of iron and manganese in the case of Example 1, Examples 5 to 8 and Comparative Examples 4 to 7, although the same mesoporous carrier was used, It can be confirmed that the yield of hydrogen and the production rate of hydrogen are different.
구체적으로, 활성물질 중 탄소 담체 100 중량부에 대하여 백금의 함량이 0.1 또는 10 중량부인 비교예 4 및 비교예 5의 경우에는 수소의 수율이 각각 48.6 및 41.5 %이고, 수소의 생성속도는 각각 25.3 및 27.3 cc/gcat.min로 낮은 수율과 생성속도를 가지는 반면, 활성물질 중 탄소 담체 100 중량부에 대하여 백금의 함량이 1 내지 5 중량부인 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6의 경우에는 수소의 수율이 51.3 내지 61.3 %이며, 수소의 생성속도는 44.1 내지 48.1 cc/gcat.min로 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.Specifically, in the case of Comparative Example 4 and Comparative Example 5 in which the content of platinum was 0.1 or 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon carrier in the active material, the yields of hydrogen were 48.6 and 41.5%, respectively, and the hydrogen production rates were 25.3 And 27.3 cc / gcat.min, while in the case of Examples 1, 5 and 6 in which the content of platinum is 1 to 5 parts by weight relative to 100 parts by weight of the carbonaceous carrier in the active material, The yield of hydrogen was 51.3 to 61.3%, and the rate of hydrogen generation was 44.1 to 48.1 cc / gcat.min, which was very excellent.
또한, 백금 함량에 대하여 몰비로 백금:철:망간 = 1:10:7인 비교예 6과 백금:철:망간 = 1:0.1:0.1인 비교예 7의 경우에는 수소의 수율이 각각 44.4 및 42.3 %로 낮은 것을 확인할 수 있다. 반면, 백금 함량에 대하여 몰비로 백금:철:망간 = 1:1:1인 실시예 1과 백금:철:망간 = 1:2:2인 실시예 7 및 백금:철:망간 = 1:1:4인 실시예 8의 경우에는 수소의 수율이 각각 61.3 %, 52.3 % 및 58.3 %로 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
In the case of Comparative Example 6 where platinum: iron: manganese = 1: 10: 7 and platinum: iron: manganese = 1: 0.1: 0.1 in molar ratio with respect to the platinum content, the yields of hydrogen were 44.4 and 42.3 %. On the other hand, in Example 1 where platinum: iron: manganese = 1: 1: 1 and platinum: iron: manganese = 1: 2: 4, the yield of hydrogen was 61.3%, 52.3% and 58.3%, respectively.
나아가, 백금만 탄소 담체 100 중량부에 대하여 3 중량부가 담지된 촉매인 비교예 10과 5 중량부가 담지된 촉매인 비교예 11의 경우에는 수소의 수율이 각각 41.9 % 및 37.5 %이고, 수소의 생성속도는 각각 34.2 및 30.7 cc/gcat.min를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
Further, in the case of Comparative Example 10 in which 3 parts by weight of the catalyst was supported on 100 parts by weight of platinum alone carbon support and Comparative Example 11 in which 5 parts by weight of catalyst was carried, the yields of hydrogen were respectively 41.9% and 37.5% Were 34.2 and 30.7 cc / gcat.min, respectively.
이와 같이, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 수소의 수율 및 수소의 생성속도가 더 향상되는 효과가 있으므로, 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매로서 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
As described above, since the catalyst for aqueous phase reforming according to the present invention has an effect of further improving the yield of hydrogen and the rate of formation of hydrogen, it can be advantageously used as a catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from oxygen- Could know.
<실험예 3> 수상개질 반응에 의한 촉매 성능 평가 2<Experimental Example 3> Evaluation of catalyst performance by aqueous reforming reaction 2
본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 촉매 성능을 평가하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조된 수상개질 반응용 촉매를 상기 실험예 2와 동일한 실험을 수행하되, 폴리올의 종류를 변경하여 변경된 폴리올들에 대하여 수소의 수율 및 수소의 생성속도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
In order to evaluate the catalytic performance of the catalyst for aqueous phase reforming according to the present invention, the same experiment as in Experimental Example 2 was conducted on the catalyst for aqueous phase reforming prepared in Example 1, The yield of hydrogen and the rate of formation of hydrogen were measured. The results are shown in Table 3 below.
The type of catalyst used
수용액의 종류
The polyol used
Type of aqueous solution
(%)The yield of hydrogen
(%)
(cc/gcat.min)Hydrogen production rate
(cc / gcat.min)
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 메조다공성 탄소 담체에 활성물질로 백금, 철 및 망간의 복합금속이 함침된 수상개질 반응용 촉매인 실시예 1은 다양한 폴리올을 적용하여 반응시킨 결과, 50 % 이상의 안정적인 수소 수율과 35 cc/gcat.min의 높은 수소의 생성속도를 확인할 수 있었다.As shown in Table 3, Example 1, which is a catalyst for an aquatic reforming reaction in which a composite metal of platinum, iron and manganese was impregnated as an active material into a mesoporous carbon support according to the present invention, Stable hydrogen yield of more than 50% and high hydrogen production rate of 35 cc / gcat.min were confirmed.
따라서, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 수상개질 반응에서 다양한 폴리올에도 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Therefore, it was confirmed that the catalyst for aqueous modification reaction according to the present invention can be applied to various polyols in a water reforming reaction.
<실험예 4> 수상개질 반응용 촉매의 장수명 실험<Experimental Example 4> Long life test of the catalyst for aqueous reforming reaction
본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매의 장수명을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 수상개질 반응용 촉매를 동일한 반응물과 반응조건 하에서 900 시간 동안 반응을 실시하여 수소의 생성속도를 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
In order to confirm the longevity of the catalyst for aqueous reforming reaction according to the present invention, the catalyst for aeration reforming prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was reacted with the same reactant for 900 hours under the reaction conditions, And the results are shown in Fig.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 메조다공성 탄소 담체에 활성물질로 백금, 철 및 망간의 복합금속이 함침된 수상개질 반응용 촉매인 실시예 1의 경우에는 900 시간 동안 거의 비활성화가 없는 반응활성이 유지되는 반면, 메조다공성을 가지지 않는 탄소 담체에 활성물질이 함침된 비교예 1의 경우에는 꾸준히 비활성화가 일어나 수소 생성속도가 서서히 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
As shown in FIG. 2, in the case of Example 1 in which the mesoporous carbon support according to the present invention is a catalyst for an aquatic reforming reaction in which a composite metal of platinum, iron and manganese is impregnated with an active material as an active material, In contrast, in the case of Comparative Example 1 in which the active material is impregnated into the carbon carrier having no mesoporosity, the deactivation is steadily generated, and the hydrogen production rate tends to decrease gradually.
이와 같이, 본 발명에 따른 수상개질 반응용 촉매는 장수명에도 뛰어난 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.As described above, it was confirmed that the catalyst for aqueous phase reforming according to the present invention exhibits excellent performance even with a long life.
Claims (10)
Wherein a composite metal consisting of platinum, iron and manganese is impregnated into a spherical granular activated carbon carrier having mesopores as an active material. The catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon.
상기 담체는 비표면적이 1,300 내지 2,500 m2/g인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the support has a specific surface area of 1,300 to 2,500 m 2 / g. The catalyst for an aqueous reforming reaction for producing hydrogen from an oxygen-containing hydrocarbon.
상기 백금의 함량은 담체 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the amount of the platinum is 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the carrier.
상기 철 및 망간의 함량은 백금 함량에 대하여 몰비로 각각 1 내지 6 범위인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the content of iron and manganese is in the range of 1 to 6 in molar ratio with respect to the content of platinum, respectively.
상기 함산소 탄화수소는 에틸렌글리콜, 글리세롤, 프로필렌글리콜, 솔비톨, 수크로스, 당, 당 알코올 및 자일리톨로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the oxygen-containing hydrocarbon is at least one selected from the group consisting of ethylene glycol, glycerol, propylene glycol, sorbitol, sucrose, sugar, sugar alcohol and xylitol. catalyst.
상기 단계 1에서 제조된 혼합 용액에 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체를 주입하여 메조세공을 가지는 구형 입상 활성탄소 담체에 활성물질을 함침시키는 단계(단계 2);를 포함하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법.
Preparing a spherical granular activated carbon carrier having mesopores and mixing with an organic solvent to prepare a mixed solution (step 1); And
(Step 2) of injecting a platinum precursor, an iron precursor, and a manganese precursor into the mixed solution prepared in step 1 to impregnate a spherical granular activated carbon carrier having mesopores with an active material (step 2). Wherein the catalyst is prepared by a method comprising the steps of:
상기 단계 1에서 메조세공을 가지는 구형 입상 활성탄소 담체의 준비는,
구형 입상 활성탄소 담체를 사용하여 800 내지 1000 ℃의 온도에서 6 내지 10 시간 동안 수증기 및 불황성 기체의 혼합 기류 조건에서 활성화시키는 단계(단계 a);를 포함하는 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법.
8. The method of claim 7,
In preparation of the spherical granular activated carbon support having mesopores in the step 1,
(Step a) using a spherical granular activated carbon carrier at a temperature of 800 to 1000 DEG C for 6 to 10 hours under a mixed gas flow of water vapor and depressurized gas. Of the catalyst for an aqueous reforming reaction.
상기 단계 2에서 백금 전구체, 철 전구체 및 망간 전구체는 활성물질 중 철 및 망간이 백금 함량에 대하여 몰비로 각각 1 내지 6 범위가 되도록 주입되는 것을 특징으로 하는 함산소 탄화수소로부터 수소를 제조하기 위한 수상개질 반응용 촉매의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the platinum precursor, the iron precursor, and the manganese precursor in the step 2 are injected such that iron and manganese in the active material have a molar ratio of 1 to 6, respectively, with respect to the platinum content. (2).
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