M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, Dy ) 촉매상에서 메탄의 부분산화반응에 의한 청정에너지인 수소 제조
Hydrogen Production of Clean Energy by Partial Oxidation of Methane over M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, Dy ) Catalysts
서호준(전남대학교)
44권 7호, 217~224쪽
초록
목적: 우리는 지구의 온실효과의 원인인 환경문제를 해결하기 위하여 M(1)-Ni(5)/SBA-15(M = Tb, Pr, Eu 및 Dy) 촉매상에서 천연가스의 주성분인 메탄의 부분 산화 반응(POM)을 수행하여 수소를 제조하고, Ni(5)/SBA-15에 조촉매인 란타늄(Tb, Pr, Eu 및 Dy) 1wt% 를 추가하는 효과를 평가하고 XPS, FETEM, EDS 등의 기기를 사용하여 촉매의 활성점을 규명하고자 한다. 방법: 촉매의 활성도는 고정층 상압 유통식 반응기를 사용하여 M(1)-Ni(5)/SBA-15(M = Tb, Pr, Eu 및 Dy) 촉매상에서 메탄의 부분산화 반응(POM)을 수행하여 조사하였다. 촉매의 활성점은 XPS, FETEM 및 EDS 등의 한 기기 분석을 통하여 확인되었다. 결과 및 토의: XPS 결과는 Ni(5)/SBA-15 촉매에 Eu를 1wt% 첨가하면 Ni2p3/2의 원자 백분율이 0.12%에서 0.15%로 증가하고, 격자 산소와 산소 결함을 포함하는 산소 원자수는 Ni(5)/SBA-15 촉매에 비해 1.32배 증가한다. 또한, O1s 특성 피크는 더 낮은 결합 에너지 쪽으로 화학적으로 이동한다. FETEM 이미지는 Ni와 Eu의 나노입자가 환원된 Eu(1)-Ni(5)/SBA-15 촉매의 표면에 균일하게 분포되어 있음을 보여준다. EDS 매핑으로 Eu, Ni, O 및 Si의 원소 분포의 양을 확인하였다. 이러한 현상은 생성된 산소 결함이 산소의 이동도를 증가시켜 촉매 표면에 Ni0 나노 입자의 분산을 증가시켜 촉매의 활성을 향상시킨 것으로 판단된다. 또한, Eu3+, Ni2+ 및 SBA-15 담체 사이의 강한 금속 지지체 상호작용(SMSI) 효과에 의해 Ni 입자의 소결이 방지되어 촉매의 안정성이 유지되는 것으로 생각된다. Ni(5)/SBA-15 촉매의 메탄의 전화율은 12 h의 반응 시간 후에 빠르게 비활성화되는 반면 M(1)-Ni(5)/SBA-15(M = Tb, Pr, Eu 및 Dy) 촉매는 12 h ~ 50 h의 반응에서 일정하고 안정적인 촉매 활성을 보여준다. 촉매의 수소 수율은 Eu(1)-Ni(5)/SBA-15(57.2%, 25h) >> Dy(1)-Ni(5)/SBA-15(49%, 14h) > Pr(1)-Ni(5)/SBA-15(43.1%, 29 h > Tb(1)-Ni(5)/SBA-15(42.8%, 25 h) 순이었다. 결론: Ni(5)/SBA-15 촉매는 12 h의 반응 후에 메탄의 전화율이 빠르게 감소되는 반면에 조촉매인 란타늄(Tb, Pr, Eu 및 Dy)을 Ni(5)/SBA-15 촉매에 1wt% 추가한 M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, Dy ) 촉매는 산소 결함을 만들어 산소의 이동도를 증가시켜 촉매 표면상에 Ni0의 나노 입자의 분산을 증가시켜 12 h ~ 50 h의 반응시간에서 일정하고 안정적인 메탄의 전화율과 수소의 수율을 보여주었다. 또한, M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, Dy ) 촉매의 강한 금속 지지체 상호작용(SMSI) 효과는 촉매 표면상의 Ni0 나노입자의 소결을 예방한다.
Abstract
Objectives: In order to solve the environmental problem that is the cause of the global greenhouse effect, We want to evaluate the effects of 1wt% of lanthanum (Tb, Pr, Eu, and Dy) as a promoter added to Ni(5)/SBA-15 ctalyst by performing the partial oxidation of methane, the main component of natural gas, to hydrogen over M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu and Dy) catalyst and to identify the active site of the catalyst by means of instrumentation such as XPS, FETEM, and EDS. Methods: The catalytic activities of the partial oxidation of methane (POM) to hydrogen over M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, and Dy) catalysts are investigated using a fixed bed flow reactor under atmospheric pressure. The active sites of the catalyst are verified through instrumental analysis with XPS, FETEM, and EDS. Results and Discussion: The XPS results show that when 1 wt% of Eu is added to the Ni(5)/SBA-15 catalyst, the atomic percent of Ni2p3/2 is increased from 0.12% to 0.15%, and the oxygen atomic number including lattice oxygen and oxygen vacancies is increased 1.32 times compared to that of the Ni(5)/SBA-15 catalyst. Further, the O1s characteristic peak is chemically shifted toward the lower binding energy. The FETEM images show that the nanoparticles of Ni and Eu are uniformly distributed on the surface of a reduced Eu(1)-Ni(5)/SBA-15 catalyst. The EDS mappings of Eu, Ni, O, and Si are confirmed. It is believed that the activity of the catalyst was improved by increasing the dispersion of nanoparticles of Ni0 on the surface of the catalyst due to the increased mobility of oxygen by creating oxygen vacancies. Methane conversion of Ni(5)/SBA-15 catalyst was deactivated rapidly after the reaction time of 12 h whereas M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, and Dy) catalyst showed constant and stable catalyst activity until 12 h ~ 50 h. It is also considered to be the case that the sintering of Ni particles is prevented by the strong metal support interaction(SMSI) effect between Eu3+, Ni2+, and the SBA-15 carrier, and the stability of the catalyst is thereby maintained. The hydrogen yield of catalyst was in the order of Eu(1)-Ni(5)/SBA-15(57.2%, 25h) >> Dy(1)-Ni(5)/SBA-15 (49%, 14 h) > Pr(1 )-Ni(5)/SBA-15 (43.1%, 29 h) > Tb(1)-Ni(5)/SBA-15 (42.8%, 25 h). Conclusions: The Ni(5)/SBA-15 catalyst was showed that the conversion of methane was rapidly reduced after a reaction time of 12 h, while when 1wt% of lanthanum (Tb, Pr, Eu and Dy) as a promoter was added to the Ni(5)/SBA-15 catalyst, the conversion of methane and yields of hydrogen were showed constant and stable catalytic activity in the reaction time of 12 h to 50 h. It is believed that the conversion of methane was improved by increasing the dispersion of nanoparticles of Ni0 on the surface of the catalyst due to the increased mobility of oxygen by creating oxygen vacancies. Moreover, sintering of NiO nanoparticles on the surface of M(1)-Ni(5)/SBA-15 (M = Tb, Pr, Eu, Dy ) catalyst is prevented by strong metal support interaction (SMSI) effect.
- 발행기관:
- 대한환경공학회
- 분류:
- 환경공학