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Applied Chemistry for Engineering, Vol.21, No.6, 648-652, December, 2010
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Pd/Ti-SPK과 Pd/Zr-SPK 촉매상에서 수소 생산을 위한 메탄의 부분산화반응과 촉매의 특성화
Partial Oxidation of Methane to H2 Over Pd/Ti-SPK and Pd/Zr-SPK Catalysts and Characterization
서호준†, 강웅일1
  • 전남대학교 생명화학공학부
  • 1전남대학교 응용화학공학부
Ho Joon Seo†, and Ung Il Kang1
  • Division of Biotechnology and Chemical Engineering, Chonnam National University, Yosu 550-747, Korea
  • 1Faculty of Applied Chemical Engineering, Chonnam National University, Gwangju 550-757, Korea
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초록
고정층 상압 흐름 반응기에서 메탄의 부분산화반응를 수행하여 메탄으로부터 수소제조 위한 촉매의 활성도를 평가하였고, BET, XPS, XRD를 사용하여 촉매의 특성을 분석하였다. Pd(5)/Ti-SPK과 Pd(5)/Zr-SPK 촉매의 BET 표면적, Horvath-Kawaze의 기공부피와 기공폭, t-플롯 미세기공 면적과 부피는 각각 284 m2/g, 0.233 cm3/g, 3.9 nm, 30 m2/g, 0.015 cm3/g과 396 m2/g, 0.324 cm3/g, 3.7 nm, 119 m2/g, 0.055 cm3/g이었다. 촉매는 히스테리시스가 잘 발달된 IV형 임을 N2-흡착등온선으로부터 확인할 수 있었다. XPS분석으로부터 SPK에 Ti와 Zr이 부분 치환된 Ti-SPK과 Zr-SPK의 Si 2p과 O 1s 피크는 SPK의 Si 2p와 O 1s 피크 보다 낮은 결합에너지 쪽으로 화학 이동함을 알 수 있었고, 촉매표면의 Pd의 산화상태는 Pd^(0)와 Pd^(+2)이었다. XRD의 결정 피크는 반응 전에 무정형인 촉매가 반응 후에는 결정상으로 변함을 보여주었다. Pd(5)/Ti-SPK과 Pd(5)/Zr-SPK 촉매의 메탄의 전화율과 수소의 선택도는 973 K, CH4/O2 = 2, GHSV = 8.4× 10^(4)mL/g(cat.)ㆍh 반응조건에서 각각 77, 84%와 78, 72%이었고, 반응 시작 후 3일까지도 촉매의 활성이 거의 일정하게 유지되었다. Pd(5)/Ti-SPK과 Pd(5)/Zr-SPK 촉매는 메탄의 부분산화반응에서 활성도와 열 안정성 및 물리화학적 성질이 우수하였다.
Catalytic activities of the partial oxidation of methane (POM) to hydrogen were investigated over Pd(5)/Ti-SPK and Pd(5)/Zr-SPK in a fixed bed flow reactor (FBFR) under atmosphere, and the catalysts were characterized by BET, XPS, XRD. The BET surface areas, pore volume and pore width of Horvath-Kawaze, micro pore area and volume of t-plot of Pd(5)/Ti-SPK and Pd(5)/Zr-SPK were 284 m2/g, 0.233 cm3/g, 3.9 nm, 30 m2/g, 0.015 cm3/g and 396 m2/g, 0.324 cm3/g, 3.7 nm, 119 m2/g, 0.055 cm3/g, repectively. The nitrogen adsorption isotherms were type IV with hysteresis. XPS showed that Si 2p and O 1s core electronlevels of Ti-SPK and Zr-SPK substituted Ti and Zr shifted to slightly lower binding energies than SPK. The oxidation states of Pd on the surface of catalysts were Pd^(0) and Pd^(+2). XRD patterns showed that crystal structures of fresh catalyst changed amorphous into crystal phase after reaction. The conversion and selectivity of POM to hydrogen over Pd(5)/Ti-SPK and Pd(5)/Zr-SPK were 77, 84% and 78, 72%, respectively, at 973 K, CH4/O2 = 2, GHSV = 8.4 × 10^(4)mL/g(cat.)ㆍh and were kept constant even after 3 days in stream. These results confirm superior activity, thermal stability, and physicochemical properties of catalyst in POM to hydrogen.
Keywords:partial oxidation of methane;kenyaite;hydrogen;pd catalyst;Ti or Zr
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