KR102831978B1 - Bimetallic Catalyst for Nonoxidative Conversion of Methane and Method of Producing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메탄의 비산화 직접전환용 이종금속 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탄을 비산화 직접전환하여 탄화수소를 제조하는데 있어, 메탄의 직접전환 반응에 최적화된, 철(Fe) 및 백금(Pt) 성분을 포함하는 고결정성의 촉매를 이용함으로써, 촉매 표면에 의한 코크(coke) 생성을 최소화하고, 메탄 전환반응성을 극대화할 수 있는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heterometal catalyst for non-oxidative direct conversion of methane and a method for producing the same, and more particularly, to a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, which can minimize coke formation by the catalyst surface and maximize methane conversion reactivity by using a highly crystalline catalyst containing iron (Fe) and platinum (Pt) components optimized for the direct conversion reaction of methane in producing hydrocarbons by non-oxidative direct conversion of methane, and a method for producing the same.
Description
본 발명은 메탄의 비산화 직접전환용 이종금속 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탄을 비산화 직접전환하여 탄화수소를 제조하는데 유용한 메탄의 비산화 직접전환용 촉매 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heterometal catalyst for non-oxidative direct conversion of methane and a method for producing the same, and more specifically, to a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane useful for producing hydrocarbons by non-oxidative direct conversion of methane and a method for producing the same.
최근 들어 천연가스, 세일가스 등으로부터 얻을 수 있는 메탄(CH4)을 수송용 연료 또는 화학원료와 같은 고부가 산물로 전환하기 위한 노력이 꾸준히 이루어지고 있다. 메탄으로부터 얻을 수 있는 고부가 산물의 대표적인 예로는 경질 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 등)을 들 수 있으며, 메탄 개질을 통해 얻어진 합성가스(H2 + CO)를 메탄올을 경유해 경질 올레핀을 제조하는 MTO(Methanol to Olefins) 기술과 합성가스로부터 경질 올레핀을 직접 생산하는 FTO(Fischer-Tropsch to Olefins) 기술이 가장 실현 가능한 기술로 알려져 있다. 그러나 이와 같이 합성가스를 경유하여 고부가 산물을 생산하는 기술의 경우에는 CO로부터 O 원자를 제거하기 위해 H2 또는 CO가 부가적으로 필요하게 되며, 이는 전체 공정에서 H 또는 C 원자의 활용효율을 저하시키는 결과를 초래한다.Recently, efforts have been made steadily to convert methane ( CH4 ), which can be obtained from natural gas, shale gas, etc., into high value-added products such as transportation fuel or chemical raw materials. Representative examples of high value-added products that can be obtained from methane include light olefins (ethylene, propylene, butylene, etc.), and the MTO (Methanol to Olefins) technology, which produces light olefins via methanol from synthesis gas (H2 + CO) obtained through methane reforming, and the FTO (Fischer-Tropsch to Olefins) technology, which directly produces light olefins from synthesis gas, are known to be the most feasible technologies. However, in the case of technologies that produce high value-added products via synthesis gas, H2 or CO is additionally required to remove O atoms from CO, which results in a decrease in the utilization efficiency of H or C atoms in the overall process.
따라서 합성가스를 경유하지 않고 메탄을 직접 고부가 산물로 전환할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다. 메탄을 직접 고부가 산물로 전환하기 위해서는 메탄 내에 강하게 형성되어 있는 C-H 결합(434 kJ/mol)을 절단하여 메탄을 활성화시키는 것이 우선적으로 수행되어야 하는데, 이러한 관점에서 산소를 이용해서 메탄을 활성화시키는 메탄 이량화 반응(Oxidative Coupling of Methane; OCM) 기술에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그러나 OCM 반응에서도 O2의 격렬한 반응성 때문에 열역학적으로 안정한 H2O 및 CO2가 다량 형성되어 H 또는 C 원자의 활용효율이 저하되는 것이 여전히 문제점으로 지적되고 있다.Therefore, a new technology is required to directly convert methane into high value-added products without going through synthesis gas. In order to directly convert methane into high value-added products, it is necessary to first activate methane by cleaving the C-H bond (434 kJ/mol) that is strongly formed in methane. From this perspective, research has been actively conducted on the oxidative coupling of methane (OCM) technology that activates methane using oxygen. However, in the OCM reaction, the strong reactivity of O 2 results in the formation of a large amount of thermodynamically stable H 2 O and CO 2 , which reduces the utilization efficiency of H or C atoms, which is still a problem.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 혐기성 또는 무산소 조건에서 메탄의 직접 전환에 의한 에틸렌, 방향족 화합물 등을 제조하는 기술이 개발되고 있으나, 메탄의 낮은 반응성으로 인해 고온, 고압에서 진행되고 있으며, 촉매의 개발이 필수적이다. 그러나 지금까지의 연구결과 의하면 고온, 고압의 조건에서 촉매의 탄소(코크스) 침적에 의한 급격한 촉매 활성의 저하 문제가 핵심이슈로 부각되고 있다(비특허문헌 0001 및 0002 참조).To solve these problems, technology for producing ethylene, aromatic compounds, etc. by direct conversion of methane under anaerobic or anoxic conditions has been developed recently. However, due to the low reactivity of methane, it is being conducted at high temperature and high pressure, and catalyst development is essential. However, according to research results to date, the problem of rapid decrease in catalytic activity due to carbon (coke) deposition on the catalyst under high temperature and high pressure conditions has emerged as a key issue (see Non-Patent Documents 0001 and 0002).
이에, 미국공개특허 제2014-0336432호에서는 메탄 함유 원료를 반응시키는 메탄의 비산화 전환 방법에 있어서, 고온/고압의 조건에서 촉매의 탄소(코크스) 침적을 억제하기 위해 C, N 및 O의 1개 이상과 Si이 결합하여 형성된 비정질 용융상태의 재료 격자내에 금속원소가 도핑된 촉매를 사용하였고, 미국공개특허 제2016-0362351호에서는 C, N 및 O의 1개 이상과 B, Al, Si, Ti, Zr 및 Ge 중 1개 이상이 결합하여 형성된 비정질 용융상태의 재료 격자내에 화학적 활성 금속이 도핑된 촉매를 적용하는 메탄의 비산화성 커플링 방법을 개시한 바 있다.Accordingly, in US Patent Publication No. 2014-0336432, a non-oxidative conversion method of methane by reacting a methane-containing raw material was used, in order to suppress carbon (coke) deposition of the catalyst under high temperature/high pressure conditions, a catalyst doped with a metal element in an amorphous molten material lattice formed by combining at least one of C, N, and O and Si was used, and US Patent Publication No. 2016-0362351 disclosed a non-oxidative coupling method of methane, which applies a catalyst doped with a chemically active metal in an amorphous molten material lattice formed by combining at least one of C, N, and O and at least one of B, Al, Si, Ti, Zr, and Ge.
그러나 상기 문헌에서 개시된 촉매는 단순히 종래 졸겔이나 함침법에 의해 제조된 메탄의 비산화성 직접전환용 촉매에 비해 코크스 생성이 억제되고 촉매 반응 속도가 개선된 결과를 나타낼 뿐이며, 메탄의 비산화성 직접전환에 최적화된 촉매의 제조 방법이나 제조 조건 등이 제시되어 있지 않는다.However, the catalyst disclosed in the above literature simply shows results in which coke formation is suppressed and the catalytic reaction rate is improved compared to a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane manufactured by a conventional sol-gel or impregnation method, and a method for manufacturing a catalyst optimized for non-oxidative direct conversion of methane or conditions for manufacturing the catalyst are not presented.
한편, 메탄의 비산화적 전환 반응에서의 반응 조건이 적절하지 않을 경우에는 메탄의 전환율이 증가할수록 코크스의 선택성 또한 높아 탄화수소 화합물의 선택도, 생성 속도 등이 떨어지는 문제점이 있었다. 따라서, 높은 촉매 반응 속도를 극대화하는 동시에 코크스(coke) 생성을 최소화하기 위해서는 추가적으로 라디칼 반응이 일어날 수 있는 촉매를 포함하는 반응기를 구성해야 하는 과제가 남아있다.Meanwhile, if the reaction conditions in the non-oxidative conversion reaction of methane are not appropriate, there is a problem that as the conversion rate of methane increases, the selectivity of coke also increases, and the selectivity and production rate of hydrocarbon compounds decrease. Therefore, in order to maximize the high catalytic reaction rate while minimizing coke production, there remains the task of configuring a reactor that includes a catalyst that can additionally cause a radical reaction.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 메탄의 비산화적 직접 전환반응에 있어서, 이종 금속 촉매의 활성상 및 담체 특성을 최적화하여 촉매 반응 속도를 극대화하는 동시에, 부반응을 억제시켜 코크스 (cokes) 생성을 최소화하고, 촉매의 비활성화 속도를 개선할 수 있는 메탄의 비산화 직접 전환용 촉매 및 이를 이용한 메탄전환방법을 제공하는데 있다.The main purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane and a methane conversion method using the same, which can maximize the catalytic reaction rate by optimizing the active phase and support characteristics of a heterometal catalyst in the non-oxidative direct conversion of methane, while simultaneously suppressing side reactions to minimize coke formation and improving the deactivation rate of the catalyst.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 메탄의 비산화적 직접 전환용 촉매의 제조방법에 있어서, (a) 촉매 담체 화합물에 백금(Pt) 전구체를 함침시키는 단계; (b) 함침물을 건조 및 소성시키는 단계; (c) 소성된 함침물을 페이얼라이트(fayalite)와 혼합한 다음, 볼밀을 이용하여 불활성 분위기에서 분쇄하는 단계; (d) 상기 분쇄된 혼합물을 반응로에 투입한 다음, 용융시켜 용융물을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 수득된 용융물을 고화시키는 단계를 포함하는 메탄의 비산화 직접 전환용 촉매의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides a method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, comprising the steps of: (a) impregnating a platinum (Pt) precursor into a catalyst support compound; (b) drying and calcining the impregnated substance; (c) mixing the calcined impregnated substance with fayalite and then pulverizing the same in an inert atmosphere using a ball mill; (d) introducing the pulverized mixture into a reactor and then melting it to obtain a molten substance; and (e) solidifying the obtained molten substance.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (a) 단계는 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 백금(Pt) 전구체 0.1 내지 2 중량부를 함침하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (a) may be characterized by impregnating 0.1 to 2 parts by weight of a platinum (Pt) precursor with respect to 100 parts by weight of a catalyst carrier compound.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (b) 단계의 소성은 300 ℃ 내지 900 ℃까지 1 ℃/min 이상의 승온 속도로 가열하여 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the sintering in step (b) may be performed by heating at a heating rate of 1°C/min or more from 300°C to 900°C.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계는 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 페이얼라이트(fayalite) 0.1 내지 4 중량부 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (c) may be characterized by including 0.1 to 4 parts by weight of fayalite per 100 parts by weight of the catalyst carrier compound.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (c) 단계는 볼밀을 이용하여 100 rpm 내지 300 rpm 속도로 4시간 내지 18시간 동안 분쇄하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, step (c) may be characterized by grinding using a ball mill at a speed of 100 rpm to 300 rpm for 4 to 18 hours.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 (d) 단계의 용융은 1,200 ℃ 내지 2,000 ℃까지 6 ℃/min 이상의 승온 속도로 가열하여 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the melting in step (d) may be performed by heating at a heating rate of 6°C/min or more to 1,200°C to 2,000°C.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 촉매 담체 화합물은 실리카, 알루미나, 타이타니아, 지르코니아 및 탄화규소로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the catalyst carrier compound may be characterized by being at least one selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zirconia, and silicon carbide.
또한, 본 발명의 다른 일 구현예는 상기 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법에 의해 제조되고, 상기 촉매 담체 화합물을 포함하는 촉매 담체를 포함하고, 비표면적이 5 m2/g 이하의 고결정성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매를 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, which is manufactured by the method for manufacturing the catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, comprises a catalyst carrier including the catalyst carrier compound, and is characterized in that it has a high crystalline structure with a specific surface area of 5 m 2 /g or less.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 철의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여, 0.1 ~ 2.0 중량%인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the amount of iron supported may be 0.1 to 2.0 wt% with respect to the total weight of the catalyst.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 백금(Pt)의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여, 0.1 ~ 2.0 중량%인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the amount of platinum (Pt) supported may be 0.1 to 2.0 wt% based on the total weight of the catalyst.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 촉매 담체는 용융된 결정성 상태인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the catalyst carrier may be characterized as being in a molten crystalline state.
본 발명에 따르면 메탄의 비산화적 직접 전환반응에 있어서 메탄에 대한 활성을 극대화하는 동시에 코크(coke) 생성을 최소화하고, 방향족 탄화수소 생성물에 대한 높은 수율을 제공할 수 있다.According to the present invention, in the non-oxidative direct conversion reaction of methane, the activity for methane can be maximized while simultaneously minimizing coke production, and a high yield for aromatic hydrocarbon products can be provided.
도 1은 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 메탄 전환반응용 촉매 상에서 메탄 전환율에 대한 코크 선택도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a schematic diagram of a method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention.
Figure 2 is a flow chart of a method for manufacturing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention.
Figure 3 is a graph showing the correlation between coke selectivity and methane conversion over a catalyst for methane conversion reaction.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본원 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. When it is said throughout this specification that a part "includes" a component, this does not exclude other components, but rather includes other components, unless otherwise stated.
본 발명은 일 관점에서, (a) 촉매 담체 화합물에 백금(Pt) 전구체를 함침시키는 단계; (b) 함침물을 건조 및 소성시키는 단계; (c) 소성된 함침물을 페이얼라이트(fayalite)와 혼합한 다음, 볼밀을 이용하여 불활성 분위기에서 분쇄하는 단계; (d) 상기 분쇄된 혼합물을 반응로에 투입한 다음, 용융시켜 용융물을 수득하는 단계; 및 (e) 상기 수득된 용융물을 고화시키는 단계를 포함하는 메탄의 비산화 직접 전환용 촉매의 제조방법에 관한 것이다.In one aspect, the present invention relates to a method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, comprising the steps of: (a) impregnating a platinum (Pt) precursor into a catalyst support compound; (b) drying and calcining the impregnated substance; (c) mixing the calcined impregnated substance with fayalite and then pulverizing the same in an inert atmosphere using a ball mill; (d) introducing the pulverized mixture into a reactor and then melting it to obtain a molten substance; and (e) solidifying the obtained molten substance.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법은 이종 금속 촉매을 포함함으로써 촉매 반응 속도를 극대화하는 동시에, 용융 단계 이전에 미립화를 통해 촉매의 균일도와 분산성을 증가시키되, 미립화 과정에서 발생되는 열로 인해 촉매가 환원되고 촉매가 소결되어 제조된 촉매의 활성 저하를 방지하기 위해 특정 조건의 미립화 단계와 용융 단계를 포함함으로써, 생성물로의 촉매 반응 속도를 극대화하는 동시에 코크스(coke) 생성을 최소화하고, 장기간 운전에서도 안정적인 촉매 성능을 가지는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매를 용이하게 제공할 수 있다.More specifically, the method for manufacturing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention maximizes the catalytic reaction rate by including a heterometal catalyst, and at the same time increases the uniformity and dispersibility of the catalyst through atomization before the melting step, while including an atomization step and a melting step under specific conditions to prevent the catalyst from being reduced and sintered due to the heat generated during the atomization process, thereby maximizing the catalytic reaction rate into a product while minimizing coke formation, and easily providing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane having stable catalytic performance even during long-term operation.
이하 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for manufacturing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법의 모식도와 흐름도이다.Figures 1 and 2 are a schematic diagram and a flow chart, respectively, of a method for manufacturing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention.
본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법은 먼저 촉매 담체 화합물에 백금(Pt) 전구체를 함침시킨다[(a) 단계].The method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention first impregnates a platinum (Pt) precursor into a catalyst carrier compound [step (a)].
일예로서, 상기 (a) 단계는 백금 전구체를 증류수에 용해시킨 후 백금 전구체 용액을 제조한 후, 촉매 담체 화합물을 분산시켜 함침물을 제조한다. As an example, step (a) comprises preparing a platinum precursor solution by dissolving a platinum precursor in distilled water, and then dispersing a catalyst carrier compound to prepare an impregnation.
이때, 백금 전구체 용액을 제조하기 위한 용매로서, 증류수 대신에 알콜, 아세톤 등의 극성 유기 용매를 사용할 수 있으며, 또는 증류수와 1 종 이상의 극성 유기 용매를 포함한 혼합 용매를 사용할 수 있다.At this time, as a solvent for preparing a platinum precursor solution, a polar organic solvent such as alcohol or acetone can be used instead of distilled water, or a mixed solvent including distilled water and one or more polar organic solvents can be used.
일예로서, 상기 용매 30~60 ml 사용하여 백금 전구체 용액을 제조할 때, 백금 전구체의 중량은 0.05 ~ 0.2 g을 사용하는 것이 바람직하다.As an example, when preparing a platinum precursor solution using 30 to 60 ml of the above solvent, it is preferable to use a weight of 0.05 to 0.2 g of the platinum precursor.
또한, 촉매 담체를 형성하기 위한 상기 촉매 담체 화합물은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 활성탄소(Activated carbon, AC), 탄화규소(SiC), 및 질화실리콘(SiN)으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 실리카, 알루미나, 타이타니아, 지르코니아 또는 탄화규소를 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 실리카일 수 있다. In addition, the catalyst carrier compound for forming the catalyst carrier may include at least one selected from the group consisting of silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), activated carbon (AC), silicon carbide (SiC), and silicon nitride (SiN), preferably silica, alumina, titania, zirconia, or silicon carbide, and more preferably silica.
또한, 상기 촉매 담체 화합물이 실리카인 경우에, 구체적으로 석영(Quartz)인 것이 바람직하다.In addition, when the catalyst carrier compound is silica, it is specifically preferred to be quartz.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 백금 전구체로는 백금 헥사클로라이드(H2PtCl6), 백금 암모늄 클로라이드(Pt(NH3)4Cl2) 또는 백금 암모늄나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2)를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 백금 암모늄나이트레이트(Pt(NH3)4(NO3)2)를 사용할 수 있다.In the manufacturing method according to the present invention, platinum hexachloride (H 2 PtCl 6 ), platinum ammonium chloride (Pt(NH 3 ) 4 Cl 2 ) or platinum ammonium nitrate (Pt(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ) can be used as the platinum precursor, and platinum ammonium nitrate (Pt(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ) is preferably used.
여기서, 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 백금(Pt) 전구체 0.1 내지 2 중량부를 포함하는 할 수 있다.Here, 0.1 to 2 parts by weight of a platinum (Pt) precursor may be included with respect to 100 parts by weight of the catalyst carrier compound.
촉매의 활성에 있어서 담지된 백금 전구체의 함침 농도가 중요한 변수이며, 백금 전구체의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 촉매 활성이 적어 촉매 반응 속도가 떨어지며, 안정적인 촉매 성능을 나타낼 수 없고, 2 중량부를 초과할 경우에는 값비싼 귀금속 대비 반응성이 오히려 낮아지는 문제점이 발생한다.The impregnation concentration of the supported platinum precursor is an important variable in the activity of the catalyst. If the content of the platinum precursor is less than 0.1 parts by weight, the catalytic activity is low, the catalytic reaction rate decreases, and stable catalytic performance cannot be exhibited. If it exceeds 2 parts by weight, the problem occurs that the reactivity is lowered compared to expensive precious metals.
이후, 상기 (a) 단계에서 제조된 백금 전구체가 함침된 촉매 담체 화합물을 건조킨 후 소성한다[(b) 단계].Thereafter, the catalyst carrier compound impregnated with the platinum precursor manufactured in step (a) is dried and then calcined [step (b)].
상기 건조 공정은 상기 (a) 단계에서 제조된 함침물을 공기 또는 불활성 분위기에서 80 내지 200℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 수행한다.The above drying process is performed at a temperature of 80 to 200°C for 3 to 10 hours in air or an inert atmosphere using the impregnation prepared in step (a).
이어서, 상기 건조 공정을 거친 함침물의 소성 공정은 공기 또는 불활성 분위기에서 350 내지 900℃의 온도까지 1 ℃/min 이상의 승온 속도로 가열하여 수행할 수 있는데, 이러한 건조 및 소성 공정를 통해 촉매 담체에 함유된 수분 및 불순물이 제거되고, 열적 내구성 및 촉매 활성이 향상된다.Next, the calcination process of the impregnation that has undergone the drying process can be performed by heating in air or an inert atmosphere to a temperature of 350 to 900°C at a heating rate of 1°C/min or more, and through this drying and calcination process, moisture and impurities contained in the catalyst carrier are removed, and thermal durability and catalytic activity are improved.
그 다음, 상기 (b) 단계에서 건조 및 소성한 함침물을 페이얼라이트(fayalite)와 혼합한 다음, 볼밀을 이용하여 불활성 분위기에서 분쇄한다[(c) 단계].Next, the impregnated material dried and calcined in step (b) is mixed with fayalite and then pulverized in an inert atmosphere using a ball mill [step (c)].
상기 페이얼라이트(fayalite, Fe2SiO4)는 철 성분을 함유하는 규산염으로, 규소 전구체 및 철 전구체를 이용하여 제조하거나, 또는 상용화된 것을 제한 없이 사용할 수 있다.The above fayalite (Fe2SiO4) is a silicate containing iron components, and can be manufactured using a silicon precursor and an iron precursor, or a commercialized one can be used without limitation.
상기 페이얼라이트 제조방법으로는 일 예로 규소 전구체 및 철 전구체를 물, 알코올 등의 용매에 분산시키고, 가수분해 및/또는 축합 등의 졸겔 반응을 수행하여 수득될 수 있다.As an example of the above method for manufacturing fayrite, it can be obtained by dispersing a silicon precursor and an iron precursor in a solvent such as water or alcohol, and performing a sol-gel reaction such as hydrolysis and/or condensation.
이때, 상기 용매로는 특별히 제한되지 않으나, 물, 알코올, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 상기 용매의 양은 사용된 규소 전구체 및 철 전구체 무게의 5 ~ 20배에 해당하는 양을 사용하는 것이 바람직하다. 그 양이 5배 미만이면 분산효과가 떨어지고 20배 이상인 경우에는 겔화 공정이 지연될 수 있다.At this time, the solvent is not particularly limited, but water, alcohol, benzene, toluene, xylene, and mixtures thereof can be used, and it is preferable to use an amount of the solvent equivalent to 5 to 20 times the weight of the silicon precursor and iron precursor used. If the amount is less than 5 times, the dispersion effect is reduced, and if it is more than 20 times, the gelation process may be delayed.
상기 규소 전구체로는 기상, 액상 및 고상의 규소 전구체를 사용할 수 있고, 상기 액상 규소 전구체로는 규산테트라에틸, 4염화 규소, 유기 실란 등일 수 있으며, 고상 규소 전구체로는 실리카, 탄화규소, 질화규소 등일 수 있다.As the above silicon precursor, gaseous, liquid and solid silicon precursors can be used. The liquid silicon precursor can be tetraethyl silicate, silicon tetrachloride, organic silane, etc., and the solid silicon precursor can be silica, silicon carbide, silicon nitride, etc.
또한, 상기 철 전구체로는 FeCl2, FeCl3 등의 철 염화물; FeO, Fe2O3, Fe3O4 등의 철 산화물; Fe5C2, Fe3C 등의 철탄화물; Fe2N, Fe4N, Fe7N3 등의 철 질화물; Fe2SiO4, Fe2O3·SiO2 등의 철 규화물; 및 철 규산염 등일 수 있다.In addition, the iron precursor may include iron chlorides such as FeCl2 and FeCl3; iron oxides such as FeO, Fe2O3 and Fe3O4; iron carbides such as Fe5C2 and Fe3C; iron nitrides such as Fe2N, Fe4N and Fe7N3; iron silicides such as Fe2SiO4 and Fe2O3·SiO2; and iron silicates.
상기 규소 전구체 및 철 전구체가 용해된 반응물의 졸겔 반응은 상온 ~ 150 ℃에서 1 ~ 15시간 동안 수행할 수 있다. 만일 반응 온도가 상온 미만일 경우에는 겔화 시간이 길어지고, 150 ℃를 초과할 경우에는 겔화가 지나쳐 구조가 붕괴될 수 있다.The sol-gel reaction of the reactants in which the above silicon precursor and iron precursor are dissolved can be performed at room temperature to 150°C for 1 to 15 hours. If the reaction temperature is lower than room temperature, the gelation time becomes longer, and if it exceeds 150°C, gelation may be excessive and the structure may collapse.
이와 같이 수득된 반응물은 건조 소성하여 페이얼라이트(fayalite, Fe2SiO4)를 제조할 수 있으며, 상기 반응물의 환원을 방지하기 위해 Ar, He 등의 불활성 분위기에서 20 ℃ ~ 80 ℃에서 1시간 ~ 24시간 동안 건조시킨 다음, 불활성 분위기에서 500 ℃ ~ 1,000 ℃에서 1 시간 ~ 5시간 동안 소성시킬 수 있다.The reactant thus obtained can be dried and calcined to produce fayalite (Fe2SiO4). To prevent reduction of the reactant, the reactant can be dried at 20 to 80° C. for 1 to 24 hours in an inert atmosphere such as Ar or He, and then calcined at 500 to 1,000° C. for 1 to 5 hours in an inert atmosphere.
만일 상기 건조가 20 ℃ 또는 1 시간 미만이면 건조 효율이 좋지 못하고, 80 ℃ 또는 24 시간을 초과하면 촉매 성능에 악영향을 미칠 수 있으며, 소성이 500 ℃ 또는 1 시간 미만이면 반응 불순물을 제거하기 어렵고, 5 시간을 초과하면 촉매 성능에 악영향을 미칠 수 있으며, 1,000 ℃를 초과하면 후술되는 미립화가 어려우며, 소결 현상이 발생될 수 있다.If the drying is less than 20°C or 1 hour, the drying efficiency is poor; if it exceeds 80°C or 24 hours, the catalytic performance may be adversely affected; if the calcination is less than 500°C or 1 hour, it is difficult to remove reactive impurities; if it exceeds 5 hours, the catalytic performance may be adversely affected; and if it exceeds 1,000°C, the atomization described later is difficult and the sintering phenomenon may occur.
이외에도 페이얼라이트(fayalite, Fe2SiO4)는 Fe2O3, Fe 등의 철 전구체와 SiO2 등의 규소 전구체를 물리적으로 혼합하고, 이를 고온에서 가열하는 등의 기계적 합성 방법을 수행하여 수득될 수 있다. 열역학적으로 570 ℃ 이상의 온도의 Fe-O 시스템에서는 안정하게 FeO가 형성될 수 있고, 이는 규소 전구체와 반응하여 페이얼라이트를 형성할 수 있다.In addition, fayalite (Fe2SiO4) can be obtained by performing a mechanical synthesis method such as physically mixing an iron precursor such as Fe2O3, Fe and a silicon precursor such as SiO2 and heating them at a high temperature. Thermodynamically, FeO can be stably formed in the Fe-O system at a temperature of 570 ℃ or higher, and this can react with a silicon precursor to form fayalite.
이후, 상기 페이얼라이트는 상기 (b) 단계에서 건조·소성된 백금 및 촉매 담체를 포함하는 함침물에 혼합한 다음, 반응물의 환원 방지를 위해 Ar, He 등의 불활성 분위기에서 볼밀을 이용하여 분쇄한다.Thereafter, the above-mentioned fairlite is mixed with an impregnation material including the dried and calcined platinum and catalyst carrier in the step (b), and then pulverized using a ball mill in an inert atmosphere such as Ar or He to prevent reduction of the reactants.
상기 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 페이얼라이트 0.1 내지 4 중량부를 혼합할 수 있다.With respect to 100 parts by weight of the above catalyst carrier compound, 0.1 to 4 parts by weight of pearlite can be mixed.
이때, 상기 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 페이얼라이트가 0.1 중량부 미만인 경우에는 촉매의 활성 성분이 적어 촉매 반응 속도를 극대화할 수 없을 뿐만 아니라 촉매의 밀도가 낮아 안정적인 촉매 성능을 나타낼 수 없고, 4 중량부를 초과할 경우에는 메탄 활성화의 활성점인 철 입자의 입자크기가 커지고 그 양이 많아져코크스의 생성 속도가 높아지는 문제점이 발생될 수 있다.At this time, if the amount of fayalite is less than 0.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the catalyst carrier compound, not only is the active component of the catalyst low, making it difficult to maximize the catalytic reaction rate, but the density of the catalyst is low, making it difficult to exhibit stable catalytic performance; and if it exceeds 4 parts by weight, the particle size of the iron particles, which are the active sites of methane activation, increases and the amount increases, which may cause a problem in that the coke production rate increases.
또한, 바람직한 일 실시예로서, 상기 페이얼라이트는 상기 백금 전구체 100 중량부에 대하여, 150 내지 300 중량부인 것이 바람직하다.In addition, as a preferred embodiment, the amount of the pearlite is preferably 150 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the platinum precursor.
이와 같이 페이얼라이트와 백금 담지된 촉매가 혼합된 혼합물은 볼밀(ball mill)을 이용하여 미립화를 수행한다. 상기 페이얼라이트와 백금 담지된 촉매가 혼합된 혼합물을 미립화하는데 있어 사용하는 볼밀 장치에는 특별한 제한은 없고 일반적인 볼밀 장치를 사용할 수 있다.In this way, the mixture of fayalite and a platinum-supported catalyst is atomized using a ball mill. There is no particular limitation on the ball mill device used to atomize the mixture of fayalite and a platinum-supported catalyst, and a general ball mill device can be used.
일 실시예로서, 상기 (b) 단계에서 건조 및 소성한 함침물을 페이얼라이트(fayalite)와 혼합한 다음, 볼밀을 이용하여 불활성 분위기에서 100 rpm 내지 300 rpm 속도로 4시간 내지 18시간 동안 분쇄할 수 있다.As an example, the impregnated material dried and calcined in step (b) may be mixed with fayalite and then ground using a ball mill in an inert atmosphere at a speed of 100 rpm to 300 rpm for 4 to 18 hours.
상기 볼밀은 페이얼라이트의 환원을 방지하면서 미립화 및 균일한 혼합 효과를 증대시키기 위해 불활성 분위기에서 100 rpm 내지 300 rpm 속도로 4시간 내지 18시간 동안 분쇄한다. 볼밀을 통해 페이얼라이트 및 백금 담지된 촉매의 근접성이 증가되면 촉매의 균일도 및 밀도가 증가하는 효과가 있다. 만일 볼밀의 회전속도와 시간이 각각 100 rpm 미만 또는 4 시간 미만일 경우에는 페이얼라이트와 백금 담지된 촉매 의 미립화시 입자 크기 조절 및 입자 사이의 근접성 조절에 한계가 있고, 300 rpm 또는 18 시간을 초과할 경우에는 촉매 담체 및 활성 금속의 소결로 인한 생성물로의 활성저하 문제점이 발생될 수 있다.The above ball mill is milled at a speed of 100 rpm to 300 rpm for 4 to 18 hours in an inert atmosphere to prevent reduction of fayalite and to increase the atomization and uniform mixing effect. When the proximity of fayalite and the platinum-supported catalyst increases through the ball mill, the uniformity and density of the catalyst increase. If the rotation speed and time of the ball mill are less than 100 rpm or less than 4 hours, respectively, there is a limit to controlling the particle size and the proximity between particles when atomizing fayalite and the platinum-supported catalyst, and if it exceeds 300 rpm or 18 hours, a problem of deactivation of the product due to sintering of the catalyst support and the active metal may occur.
이와 같이 미립화된 혼합물은 평균 직경이 60 ㎛ 이하, 바람직하게는 50 nm ~ 50 ㎛일 수 있다. 만일, 미립화된 혼합물의 평균 직경이 60 ㎛를 초과할 경우에는 페이얼라이트와 백금 담지된 촉매가 용융시 입자 사이의 근접성 조절에 한계가 있어 결과적으로 페이얼라이트 내 철입자의 선택적인 환원 및 철입자의 입자크기 조절에 문제가 발생될 수 있다.The atomized mixture may have an average diameter of 60 ㎛ or less, preferably 50 nm to 50 ㎛. If the average diameter of the atomized mixture exceeds 60 ㎛, there is a limit to controlling the proximity between the particles when the fayalite and the platinum-supported catalyst are melted, and as a result, problems may occur in selective reduction of iron particles in the fayalite and in controlling the particle size of the iron particles.
이후, 볼밀을 통해 미립화된 혼합물은 반응로에 투입한 다음, 용융시켜 용융물을 수득하고[(d) 단계], 상기 수득된 용융물은 고화시킨다[(e) 단계].Thereafter, the mixture that has been atomized through the ball mill is put into a reactor and then melted to obtain a melt [step (d)], and the obtained melt is solidified [step (e)].
이때, 반응로는 용융온도에 열적 안정성을 갖는 재질이면 제한 없이 사용 가능하고, 반응로의 직경에 대한 높이비가 0.2 미만일 경우에는 촉매 담체와 촉매 활성 성분을 균일하게 용융하기 어려워 균일한 촉매를 제조하기 어렵고, 반응로의 직경에 대한 높이비가 3을 초과할 경우에는 용융시 촉매의 활성 금속의 환원율이 증가하며, 냉각을 통한 용융물 고체화시 촉매입자의 균일도 및 밀도가 감소하는 경향을 나타낸다.At this time, the reactor can be used without limitation if it is a material that has thermal stability at the melting temperature, and if the height to diameter ratio of the reactor is less than 0.2, it is difficult to uniformly melt the catalyst carrier and the catalytic active component, making it difficult to manufacture a uniform catalyst, and if the height to diameter ratio of the reactor exceeds 3, the reduction rate of the active metal of the catalyst increases when melted, and the uniformity and density of the catalyst particles tend to decrease when the melt is solidified through cooling.
상기 반응로에 투입된 혼합물은 혼합물이 모두 용융될 수 있는 온도로 용융시킬 수 있으며, 상기 용융은 공기 또는 불활성 분위기에서 1,200 ℃ 내지 2,000 ℃까지 6 ℃/min 이상, 바람직하게는 6 ℃/min ~ 15 ℃/min의 승온 속도로 가열하여 수행할 수 있다.The mixture introduced into the above reactor can be melted at a temperature at which the entire mixture can be melted, and the melting can be performed by heating in air or an inert atmosphere at a temperature of 1,200°C to 2,000°C at a heating rate of 6°C/min or higher, preferably 6°C/min to 15°C/min.
상기 용융 온도가 1,200 ℃ 미만일 경우에는, 촉매 담체와 촉매 활성성분을 모두 용융하기 어려워 균일한 촉매를 제조하는데 문제점이 발생될 수 있고, 2,000 ℃를 초과할 경우에는 촉매 담체와 촉매 활성성분이 기화하여 손실이 생길 수 있어 균일한 촉매를 제조하는데 문제점이 발생될 수 있다. 이때, 용융시간은 충분히 융융될 수 있도록 충분한 시간으로 용융시킬 수 있고, 바람직하게는 3시간 ~ 9시간 정도일 수 있다.When the melting temperature is less than 1,200°C, it is difficult to melt both the catalyst carrier and the catalytic active component, which may cause problems in producing a uniform catalyst. When it exceeds 2,000°C, the catalyst carrier and the catalytic active component may vaporize and be lost, which may cause problems in producing a uniform catalyst. At this time, the melting time may be a sufficient time to ensure sufficient melting, and may preferably be about 3 to 9 hours.
이때, 촉매는 용융속도에 따라 상변이가 촉진되고 결과적으로 고 결정성을 갖는 높은 밀도의 촉매를 제조할 수 있어, 상기 용융 승온속도가 6 ℃/min 미만인 경우에는 페이얼라이트의 금속으로의 환원을 촉진시키고 촉매의 균일도 및 밀도를 낮추는 문제점이 발생될 수 있다.At this time, the catalyst undergoes a phase transformation according to the melting speed, and as a result, a high-density catalyst with high crystallinity can be manufactured. However, if the melting temperature increase speed is less than 6°C/min, problems may arise in which the reduction of fayalite to metal is promoted and the uniformity and density of the catalyst are lowered.
또한, 용융 후, 고화 단계는 급속 냉각 또는 자연 냉각을 수행할 수 있다. 상기 급속 냉각은 가스 냉각, 수냉, 유냉, 액체 질소 냉각 등으로 수행할 수 있으며, 바람직하게는 급속 냉각을 0.2 ℃/s ~ 150 ℃/s 조건 범위로 수행할 수 있다. 상기 급속 냉각을 상기 범위로 수행할 경우에는 활성 금속 및 담체 성분의 녹는점 차이로 인한 불균일화를 억제하여 촉매의 균일도를 증진시킬 수 있다.In addition, after melting, the solidification step can be performed by rapid cooling or natural cooling. The rapid cooling can be performed by gas cooling, water cooling, oil cooling, liquid nitrogen cooling, etc., and preferably, the rapid cooling can be performed in the condition range of 0.2 ℃/s to 150 ℃/s. When the rapid cooling is performed in the above range, the uniformity of the catalyst can be improved by suppressing the unevenness due to the difference in melting points of the active metal and the carrier component.
상기 가스 냉각에서의 가스는 불활성 가스 및 공기로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 유냉 냉각에서 오일은 광유, 유채유, 실리콘유 등일 수 있다.In the above gas cooling, the gas may be at least one selected from the group consisting of inert gases and air, and in the oil cooling, the oil may be mineral oil, rapeseed oil, silicone oil, etc.
또한, 본 발명의 메탄의 비산화 직접전환용 촉매는 전술된 용융 단계 및 고화 단계를 반복 수행함으로써, 촉매의 기공부피를 더욱 감소시킬 수 있다. 이때, 상기 용융 단계 및 고화 단계의 반복 횟수는 2회 이상일 수 있으며, 바람직하게는 2회 ~ 5회일 수 있다.In addition, the catalyst for direct conversion of methane without oxidation of the present invention can further reduce the pore volume of the catalyst by repeatedly performing the melting step and the solidification step described above. At this time, the number of repetitions of the melting step and the solidification step may be 2 or more times, and preferably 2 to 5 times.
이와 같이 제조된 메탄의 비산화 직접전환용 촉매는 입상화하기 위해 무기바인더, 유기바인더, 물 등에 균일하게 혼합하여 촉매혼합물을 수득하고, 이를 성형하여 촉매성형체를 제조한다.The catalyst for direct conversion of methane to non-oxidation manufactured in this manner is uniformly mixed with an inorganic binder, an organic binder, water, etc. to obtain a catalyst mixture for granulation, and this is molded to manufacture a catalyst molded body.
상기 유기바인더는 당 업계에서 사용하는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 메틸셀룰로오스, 에틸렌글리콜, 폴리올, 푸드 오일 또는 유기 지방산 중에서 선택된 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들면 유기 바인더로는 하이드록시 메틸셀룰로오스 (Hydroxy methyl cellulose) 또는 폴리비닐알콜(Polyvinyl alcohol)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 무기 바인더는 당 업계에서 사용하는 것을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 고상 실리카, 고상 알루미나, 고상 실리카-알루미나, 실리카 졸, 알루미나졸, 물유리 중에서 선택된 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들면 무기바인더로는 퓸드 실리카(Fumed silica), 실리카 졸(Silica solution), 보헤마이트 (Boehmite) 또는 알루미나 졸(Alumina solution)을 사용하는 것이 바람직하다.The organic binder may be one used in the art, and is not particularly limited thereto, but it is preferable to use at least one selected from methyl cellulose, ethylene glycol, polyol, food oil, and organic fatty acid. For example, as the organic binder, it is preferable to use hydroxy methyl cellulose or polyvinyl alcohol. In addition, the inorganic binder may be one used in the art, and is not particularly limited thereto, but it is preferable to use at least one selected from solid silica, solid alumina, solid silica-alumina, silica sol, alumina sol, and water glass. For example, as the inorganic binder, it is preferable to use fumed silica, silica solution, boehmite, or alumina solution.
상기 촉매 혼합물은 전형적으로 허니컴 구조체, 모노리스 구조체 등의 촉매 구조체에 상기 촉매 혼합물을 코팅시키거나, 상기 촉매 혼합물의 촉매성분을 직접 압출 성형하여 촉매성형체로 제조된다. 이때, 상기 촉매 혼합물의 코팅 및 압출성형은 당 업계에서 사용하는 방법으로 용이하게 제조할 수 있으며, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.The above catalyst mixture is typically manufactured into a catalyst molded body by coating the catalyst mixture on a catalyst structure such as a honeycomb structure or a monolithic structure, or by directly extruding the catalyst component of the catalyst mixture. At this time, the coating and extrusion of the catalyst mixture can be easily manufactured by a method used in the art, and a detailed description thereof will be omitted.
상기 촉매성형체는 메탄의 비산화 직접전환용 반응기 내부의 촉매 충전부에 제조된 촉매성형체의 형태에 따라 하나 이상 충전될 수 있다. 상기 촉매성형체의 충전방법 역시 당 업계에서 사용하는 방법으로 용이하게 충전시킬 수 있다.The above catalyst-shaped body can be charged one or more times according to the shape of the catalyst-shaped body manufactured in the catalyst charging section inside the reactor for non-oxidation direct conversion of methane. The charging method of the above catalyst-shaped body can also be easily charged using a method used in the art.
본 발명은 다른 관점에서, 전술된 제조방법에 의해 제조되고, 촉매 담체 화합물을 포함하는 촉매 담체를 포함하고, 비표면적이 5 m2/g 이하의 고결정성 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매에 관한 것이다. 이때, 이종 활성금속인 철과 백금 성분은 나노입자 형태로 촉매 담체 상에 존재하며, 활성 물질인 철이 담체상에 원자 단위로 서로 분산된 형태를 포함하고 있다.The present invention, from another aspect, relates to a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that it is manufactured by the aforementioned manufacturing method, includes a catalyst carrier comprising a catalyst carrier compound, and has a highly crystalline structure having a specific surface area of 5 m 2 /g or less. In this case, iron and platinum components, which are different active metals, are present on the catalyst carrier in the form of nanoparticles, and iron, which is an active material, is dispersed on the carrier in a form in which it is atomic in unit.
즉, 상기 메탄의 비산화 직접전환용 촉매는 결정질 용융 상태의 백금 담지된 촉매 담체 화합물 격자내에 촉매 활성 성분인 철이 도핑된 형태로 존재할 수 있다.That is, the above-mentioned catalyst for non-oxidative direct conversion of methane can exist in a form in which iron, which is a catalytically active component, is doped within a lattice of a platinum-supported catalyst support compound in a crystalline molten state.
이때, 상기 촉매 담체상에 분산 담지된 백금 또는 철 입자의 평균 직경은 5 nm 일 수 있으며, 이 경우 담체의 미세 응력을 조절하게하여 담체의 밀도를 증가시키고, 담체에 존재하는 결점(defect site) 수를 낮춰 메탄 반응이 원활하게 진행될 수 있게 하므로 바람직하다.At this time, the average diameter of the platinum or iron particles dispersed and supported on the catalyst carrier may be 5 nm, which is preferable because it increases the density of the carrier by controlling the micro-stress of the carrier and reduces the number of defect sites present in the carrier, thereby allowing the methane reaction to proceed smoothly.
일 예로, 상기 메탄의 비산화 직접전환용 촉매는 촉매 담체 화합물이 실리카로 이루진 경우, Fe 단일원자에 C원자 2개 및 Si 원자 1개가 결합되어 실리카 기저에 박혀 있는 구조일 수 있으며, 이때, 상기 촉매 담체의 결정구조는 α-crystobalite이며, 200 ℃ ~ 300 ℃로 가열 시 가역적으로 β-crystobalite로 변환되는 것을 특징으로 한다.For example, the above-described non-oxidative direct conversion catalyst of methane may have a structure in which two C atoms and one Si atom are bonded to an Fe single atom and embedded in a silica base when the catalyst support compound is composed of silica. In this case, the crystal structure of the catalyst support is α-crystobalite, and is characterized in that it is reversibly converted into β-crystobalite when heated to 200°C to 300°C.
상기 촉매 활성 성분인 백금(Pt)은 촉매 총 중량에 대하여, 0.1 ~ 2.0 중량%일 수 있으며, 백금의 담지량이 촉매 총 중량에 대하여 0.1 중량% 미만일 경우에는 촉매 활성이 작아 메탄의 비산화 직접전환 효율이 저하될 수 있고, 2.0 중량%를 초과할 경우에는 값비싼 귀금속 대비 반응성이 오히려 낮아지는 문제점이 발생한다.The amount of platinum (Pt), which is the above-mentioned catalytically active component, may be 0.1 to 2.0 wt% based on the total weight of the catalyst. If the amount of platinum supported is less than 0.1 wt% based on the total weight of the catalyst, the catalytic activity may be low, thereby lowering the efficiency of the non-oxidative direct conversion of methane. If it exceeds 2.0 wt%, the problem occurs that the reactivity is lowered compared to expensive precious metals.
또한, 상기 촉매 활성 성분인 철은 촉매 총 중량에 대하여, 0.1 ~ 2.0 중량%일 수 있으며, 철의 담지량이 촉매 총 중량에 대하여 0.1 중량% 미만일 경우에는 도판트로 작용할 수 있는 철의 함량이 작아 메탄의 비산화 직접전환 효율이 저하될 수 있고, 2.0 중량%를 초과할 경우에는 메탄 활성화의 활성점인 철 입자의 양이 많아져 코크스의 생성속도가 높아지는 문제가 발생될 수 있다.In addition, the amount of iron, which is the catalytically active component, may be 0.1 to 2.0 wt% based on the total weight of the catalyst. If the amount of iron supported is less than 0.1 wt% based on the total weight of the catalyst, the content of iron that can act as a dopant may be small, thereby lowering the efficiency of the non-oxidative direct conversion of methane. If it exceeds 2.0 wt%, the amount of iron particles, which are active sites for methane activation, may increase, which may cause a problem in that the rate of coke production increases.
또한, 바람직한 일 실시예로서, 상기 촉매내 활성 성분인 백금과 철 성분의 함량비는 1:1.5 ~ 1:3인 것이 바람직하다.In addition, as a preferred embodiment, the content ratio of platinum and iron, which are active components in the catalyst, is preferably 1:1.5 to 1:3.
전술된 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매는 불활성 및/또는 비불활성 가스와 메탄을 촉매 존재하에 고온에서 반응시켜 올레핀, 방향족 화합물을 제조한다.The catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention described above produces olefins and aromatic compounds by reacting an inert and/or non-inert gas with methane at high temperature in the presence of a catalyst.
구체적으로, 본 발명에 따른 촉매를 성형하고, 성형된 촉매성형체를 반응기의 촉매 충전부 내에 위치시킨 다음, 메탄, 불활성 가스 및/또는 비불활성 가스를 도입하게 된다.Specifically, the catalyst according to the present invention is formed, the formed catalyst body is placed in the catalyst charging section of a reactor, and then methane, an inert gas, and/or a non-inert gas are introduced.
상기 메탄은 반응기 내부로 도입되는 전체 가스의 부피를 기준으로 80 내지 100 %(v/v), 보다 바람직하게는 90 내지 100 %(v/v)일 수 있으며, 불활성 가스 및/또는 비불활성 가스는 전체 가스의 부피를 기준으로 20 %(v/v) 이하, 보다 바람직하게는 10 %(v/v) 이하일 수 있다.The methane may be 80 to 100% (v/v), more preferably 90 to 100% (v/v), based on the volume of the total gas introduced into the reactor, and the inert gas and/or non-inert gas may be 20% (v/v) or less, more preferably 10% (v/v) or less, based on the volume of the total gas.
상기 불활성 가스 및 비불활성 가스는 반응상태를 안정적으로 발생 및 유지시키는 역할을 하는 것으로, 상기 불활성 가스로는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤일 수 있으며, 비불활성 가스는 공기, 일산화탄소, 수소, 이산화탄소, 물, 일가 알코올(탄소수 1 ~ 5), 이가 알코올(탄소수 2 ~ 5), 알칸류(탄소수 2 ~ 8)일 수 있으며, 바람직하게는 불활성 가스 및 비불활성 가스가 질소 또는 공기일 수 있다.The above inert gas and non-inert gas play a role in stably generating and maintaining a reaction state, and the inert gas may be nitrogen, helium, neon, argon, or krypton, and the non-inert gas may be air, carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide, water, monohydric alcohols (having 1 to 5 carbon atoms), dihydric alcohols (having 2 to 5 carbon atoms), or alkanes (having 2 to 8 carbon atoms), and preferably, the inert gas and non-inert gas may be nitrogen or air.
상기 반응온도는 900 ℃ ~ 1,150 ℃, 구체적으로 1,000 ℃ ~ 1,100 ℃일 수 있으며, 압력은 0.1 bar ~ 10 bar, 바람직하게는 0.1 bar ~ 5 bar일 수 있다. 이는 탄화수소의 선택도 및 수율을 고려한 것으로, 메탄의 탄화수소로의 선택성을 극대화하는 장점이 있다. 즉, 상기 조건에서 코크스 생성이 최소화되어 반응 중 코크스 생성으로 인한 압력강하 및 코크스 생성으로 인한 탄소효율을 최소화할 수 있다.The above reaction temperature may be 900 ℃ to 1,150 ℃, specifically 1,000 ℃ to 1,100 ℃, and the pressure may be 0.1 bar to 10 bar, preferably 0.1 bar to 5 bar. This is in consideration of the selectivity and yield of hydrocarbons, and has the advantage of maximizing the selectivity of methane to hydrocarbons. That is, under the above conditions, coke production is minimized, so that the pressure drop due to coke production during the reaction and the carbon efficiency due to coke production can be minimized.
상기 반응온도가 900 ℃ 미만일 경우에는 메탄 활성화로 인한 라디칼 생성속도가 낮아 에너지 효율이 낮고, 1150 ℃를 초과할 경우에는 코크스 생성을 억제하기 위하여 메탄이 반응기 내에서의 체류시간을 최소화해야 하는 문제점이 발생될 수 있다.If the above reaction temperature is lower than 900°C, the rate of radical production due to methane activation is low, resulting in low energy efficiency. If it exceeds 1150°C, there may be a problem that the residence time of methane in the reactor must be minimized in order to suppress coke production.
이와 같이 메탄의 직접변환에 의해 생성된 생성물은 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로필렌, 부틸렌 등의 파라핀, 올레핀, 알킨을 포함하는 탄화수소일 수 있고, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 나프탈렌 방향족 화합물을 포함할 수 있다.Products produced by direct conversion of methane in this way may be hydrocarbons including paraffins, olefins, alkynes, such as ethane, ethylene, acetylene, propylene, butylene, and may include aromatic compounds such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, and naphthalene.
본 발명에 따른 메탄의 전환방법은 반응 조건의 정밀한 제어 없이 메탄의 활성 유도가 가능하며 코크스(coke) 생성을 최소화하고, 장기간 운전에서도 안정적인 탄화수소 화합물의 수율을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.The method for converting methane according to the present invention has the effect of enabling activation of methane without precise control of reaction conditions, minimizing coke production, and maintaining a stable yield of hydrocarbon compounds even during long-term operation.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically through specific examples. The following examples are merely examples to help understand the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
제조예 1: CRS 촉매Manufacturing Example 1: CRS Catalyst
규소 전구체인 석영(quartz) 6 g을 반응로에 투입하고, 공기 중에서 1700 ℃까지 8 ℃/min로 4 시간 동안 용융시켜 높은 결정성의 cristobalite 구조를 갖는 용융촉매(CRS)를 수득하였다.6 g of quartz, a silicon precursor, was placed in a reactor and melted at 8°C/min for 4 hours up to 1700°C in air to obtain a molten catalyst (CRS) having a highly crystalline cristobalite structure.
제조예 2: Fe@CRS 촉매Manufacturing Example 2: Fe@CRS Catalyst
규소 전구체인 석영(quartz) 6 g과 페이얼라이트(fayalite) 0.056 및 0.112 g을 Ar 분위기에서 5 시간 동안 볼밀링(ball milling, 250 rpm) 시킨 다음, 상기 볼밀링된 혼합물을 반응로에 투입하고, 공기 중에서 1700 ℃까지 8 ℃/min로 4 시간 동안 용융시켜 철 담지량이 0.5 wt%, 1.0 wt%인 용융촉매(0.5Fe@CRS, 1.0Fe@CRS)를 수득하였다.Quartz (6 g), which is a silicon precursor, and fayalite (0.056 g and 0.112 g) were ball milled (250 rpm) in an Ar atmosphere for 5 hours, and then the ball-milled mixture was put into a reactor and melted in air at 8 ℃/min for 4 hours up to 1700 ℃ to obtain molten catalysts (0.5Fe@CRS, 1.0Fe@CRS) having iron loadings of 0.5 wt% and 1.0 wt%, respectively.
제조예 3-6: Me/Fe@CRS 촉매Manufacturing Example 3-6: Me/Fe@CRS Catalyst
코발트 전구체인 코발트 나이트레이트 헥사하이드레이트(cobalt nitrate hexahydrate) 0.296 g을 50 ml의 증류수에 용해시킨 뒤 규소 전구체인 석영(quartz) 6 g을 분산시켰다. 상기 혼합물은 100 ℃에서 4 시간동안 교반 증발시킨 뒤, 120 ℃의 오븐에서 밤새 건조시켰다. 이후, 건조된 함침물은 공기분위기에서 400 ℃로 소성하여 0.5 wt% 담지량을 갖는 Co/SiO2 촉매를 제조하였다. 0.296 g of cobalt nitrate hexahydrate, a cobalt precursor, was dissolved in 50 ml of distilled water, and 6 g of quartz, a silicon precursor, was dispersed therein. The mixture was stirred and evaporated at 100 °C for 4 hours and then dried in an oven at 120 °C overnight. Thereafter, the dried impregnation was calcined at 400 °C in an air atmosphere to produce a Co/SiO 2 catalyst having a loading of 0.5 wt%.
제조된 Co/SiO2 촉매 6 g과 페이얼라이트(fayalite) 0.112 g을 Ar 분위기에서 5 시간 동안 볼밀링(ball milling, 250 rpm) 시킨 다음, 상기 볼밀링된 혼합물을 반응로에 투입하고, 공기 중에서 1700 ℃까지 8 ℃/min로 4 시간 동안 용융시켜 철 담지량이 1.0 wt%, 코발트 담지량이 0.5 wt%인 용융촉매(0.5Co1.0Fe@CRS)를 수득하였다. 이와 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.6 g of the manufactured Co/SiO2 catalyst and 0.112 g of fayalite were ball milled (250 rpm) in an Ar atmosphere for 5 hours, and then the ball-milled mixture was put into a reactor and melted in air at 8 ℃/min for 4 hours up to 1700 ℃ to obtain a molten catalyst (0.5Co1.0Fe@CRS) having an iron loading of 1.0 wt% and a cobalt loading of 0.5 wt%. A catalyst was manufactured using the same method.
이어서, 하기 표 1에 기재된 조건으로 촉매를 제조하되 페이얼라이트 0.112 g을 0.5 wt% Me/SiO2(Me=Ni, Pd, Pt) 6 g과 Ar 분위기에서 5 시간 동안 볼밀링(ball milling, 250 rpm) 시킨 다음, 상기 볼밀링된 혼합물을 반응로에 투입하고, 공기 중에서 1700 ℃까지 8 ℃/min로 4 시간 동안 용융시켜 철 담지량이 1.0 wt%, 다른 금속 담지량이 0.5 wt%이고 비표면적이 2 m2/g 이하인 용융촉매(0.5Me1.0Fe@CRS)를 수득하였다.Next, a catalyst was manufactured under the conditions described in Table 1 below, wherein 0.112 g of fayalite was ball milled (250 rpm) with 6 g of 0.5 wt% Me/SiO 2 (Me=Ni, Pd, Pt) in an Ar atmosphere for 5 hours, and then the ball-milled mixture was put into a reactor and melted in air at 8 ℃/min for 4 hours up to 1700 ℃ to obtain a molten catalyst (0.5Me1.0Fe@CRS) having an iron loading of 1.0 wt%, another metal loading of 0.5 wt%, and a specific surface area of 2 m 2 /g or less.
[표 1][Table 1]
[실험예 1] : 메탄 비산화적 직접전환 반응[Experimental Example 1]: Methane Non-oxidative Direct Conversion Reaction
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매를 이용하여 메탄의 비산화적 직접전환 반응을 상압, 1020 ℃ 반응조건에서 10 시간동안 실시하여 전환율 및 선택도를 확인하였다. 반응 실험에는 1/4 인치 충진층 반응기(fixed-bed reactor)로서, 내부 지름이 0.4 cm인 quartz 재질의 반응기를 사용하였다. 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매는 평균 입도가 630 ㎛로 입자크기로 분쇄하였고, 분쇄된 촉매 0.6 g을 반응기 중앙에 quartz wool로 고정하였다. 반응기 내 촉매충진 층 아래는 quartz rod를 삽입해 잔여 공간을 최소화하였다. 반응기 온도가 1020 ℃로 승온되는 동안 He 가스를 40 ml/min 유량으로 주입하였으며, 이후 메탄이 함유된 반응물을 mass flow controller를 사용하여 990 mlgcat -1hr-1(반응물 조성: 90% CH4, 10% Ar) 조건으로 주입하였다. Ar 가스는 internal standard로 사용하였다.Using the catalysts manufactured in the above examples and comparative examples, the non-oxidative direct conversion reaction of methane was performed at atmospheric pressure and 1020 ℃ for 10 hours, and the conversion rate and selectivity were confirmed. For the reaction experiment, a 1/4 inch fixed-bed reactor made of quartz with an internal diameter of 0.4 cm was used. The catalysts manufactured in the examples and comparative examples were ground to an average particle size of 630 ㎛, and 0.6 g of the ground catalyst was fixed to the center of the reactor with quartz wool. A quartz rod was inserted under the catalyst packing layer in the reactor to minimize the residual space. While the reactor temperature was increased to 1020 ℃, He gas was injected at a flow rate of 40 ml/min, and thereafter, the reactant containing methane was injected under the condition of 990 mlg cat -1 hr -1 (reactant composition: 90% CH 4 , 10% Ar) using a mass flow controller. Ar gas was used as an internal standard.
이후 수득된 생성물의 기상의 탄화수소는 YL Instrument 사의 Series 6100의 GC를 사용하여 분석하였고, 기체 상태의 생성물은 ShinCarbon ST 컬럼에 연결된 Thermal conductivity detector(TCD)와 Rt-alumina BOND 컬럼이 연결된 Flame ionization detector(FID) detector로 분석하였다. H2, CH4, CO는 ShinCarbon ST 컬럼에서 분리되어 TCD로 검출하였으며, internal standard인 Ar 넓이 대비 메탄의 넓이로 전환율을 계산하였다. C1 내지 C10 범위의 hydrocarbon은 Rt-alumina BOND 컬럼으로 분리하여 FID로 검출하였다. 모든 가스는 표준시료를 사용하여 정량을 진행하였다. 코크스 선택도는 [Scoke = 100 - Σ생성물 선택도]를 통하여 계산하였다. 이와 같이 측정된 결과를 표 2에 나타내었다.The hydrocarbons of the obtained products were analyzed using GC of Series 6100 of YL Instrument, and the gaseous products were analyzed by a thermal conductivity detector (TCD) connected to a ShinCarbon ST column and a flame ionization detector (FID) detector connected to a Rt-alumina BOND column. H 2 , CH 4 , and CO were separated from the ShinCarbon ST column and detected by the TCD, and the conversion rate was calculated from the area of methane compared to the area of Ar, the internal standard. Hydrocarbons in the range of C 1 to C 10 were separated by the Rt-alumina BOND column and detected by the FID. All gases were quantified using standard samples. The coke selectivity was calculated by [Scoke = 100 - Σproduct selectivity]. The results measured in this way are shown in Table 2.
[표 2][Table 2]
상기 표 2에 나타난 바와 같이, CRS 촉매 및 Fe@CRS 촉매는 Blank 실험에 비해 상대적으로 방향족 화합물에 대한 선택도가 낮고, 코크 선택도는 높은 결과를 나타내었다. 따라서, 메탄을 초기 활성화 시킨 이후, C2 생성물에 대한 반응을 가스 상 반응으로 유도하는 것이 선택도 측면에서 유리함을 알 수 있다. 한편, 실시예 1에서 제조된 0.5Pt-1,0Fe@CRS 촉매는 Fe@CRS 촉매 대비 높은 메탄 전환율, 방향족 화합물의 높은 수율 및 낮은 코크 선택도를 나타내었으며, 이를 통해 적절한 비율과 조성의 이종금속 촉매를 통해 가스 상 C2 올리고머화 반응을 유도할 수 있음을 확인하였다.As shown in Table 2 above, the CRS catalyst and the Fe@CRS catalyst showed relatively low selectivity for aromatic compounds and high coke selectivity compared to the blank experiment. Therefore, it can be seen that inducing the reaction for C2 product through a gas-phase reaction after initial activation of methane is advantageous in terms of selectivity. Meanwhile, the 0.5Pt-1,0Fe@CRS catalyst prepared in Example 1 showed high methane conversion, high yield of aromatic compounds, and low coke selectivity compared to the Fe@CRS catalyst, confirming that the gas-phase C2 oligomerization reaction can be induced using a heterometal catalyst having an appropriate ratio and composition.
이종금속 촉매의 효과를 보다 잘 보여주기 위해 하기 도 3과 같이 메탄 전환 반응 상에서 메탄 전환율에 대한 코크 선택도를 도시하였다. 그 결과, 0.5Fe@CRS 촉매의 경우 이종금속의 첨가가 메탄 전환율에 대한 코크 선택도 상관관계를 크게 벗어나지 않는 것을 확인하였다. To better demonstrate the effect of the heterometal catalyst, the coke selectivity with respect to the methane conversion in the methane conversion reaction is plotted as shown in Fig. 3 below. As a result, it was confirmed that the addition of the heterometal did not significantly deviate from the correlation between the coke selectivity with respect to the methane conversion in the case of the 0.5Fe@CRS catalyst.
하지만 0.5Pt-1.0Fe@CRS 촉매의 경우 Fe@CRS 촉매 상에서 메탄 전환율에 대한 코크 선택도 상관관계에서 코크 선택도가 낮은 쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있었고, Blank-CRS 영역에 가까운 것으로부터, C2 생성물의 가스 상 올리고머화반응 유도를 통한 코크 형성 억제가 일어나는 것을 확인하였다.However, in the case of the 0.5Pt-1.0Fe@CRS catalyst, it was observed that the coke selectivity shifted toward a lower side in the correlation between the coke selectivity and the methane conversion on the Fe@CRS catalyst, and it was confirmed that the coke formation was suppressed by inducing the gas-phase oligomerization reaction of the C2 product from the region close to the Blank-CRS region.
[실험예 2] : 메탄 직접 전환 반응 후 촉매에 대한 라만 분석[Experimental Example 2]: Raman analysis of the catalyst after direct methane conversion reaction
메탄의 비산화 직접 전환 반응 후 촉매에 대한 라만 분석을 수행하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. Raman analysis was performed on the catalyst after the non-oxidative direct conversion reaction of methane, and the results are shown in Table 3 below.
[표 3][Table 3]
상기 표 3에서 나타낸 바와 같이, 상대적으로 높은 메탄의 전환율을 보였던 0.5Pt-1.0Fe@CRS 촉매에서 가장 낮은 ID1/IG 피크 비율을 나타내었다. 이는 반응 중에 방향족 화합물로부터 비롯된 disordered coke가 0.5Pt-1.0Fe@CRS 촉매에서 잘 생성되지 않았음을 보여준다.As shown in Table 3 above, the 0.5Pt-1.0Fe@CRS catalyst, which showed a relatively high methane conversion, exhibited the lowest I D1 /I G peak ratio. This shows that disordered coke derived from aromatic compounds was not well generated in the 0.5Pt-1.0Fe@CRS catalyst during the reaction.
따라서, 본 발명에 따른 메탄의 비산화 직접전환용 촉매는 탄화수소의 제조에 있어서, 촉매 반응 속도를 극대화하는 동시에 코크스(coke) 생성을 최소화하고, 방향족 화합물의 높은 수율을 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.Accordingly, it was confirmed that the catalyst for non-oxidative direct conversion of methane according to the present invention can maximize the catalytic reaction rate while minimizing coke production and providing a high yield of aromatic compounds in the production of hydrocarbons.
본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments and the attached drawings, it is possible to construct different embodiments within the concept and scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents, and is not limited to the specific embodiments described herein.
Claims (11)
(b) 함침물을 건조 및 소성시키는 단계;
(c) 소성된 함침물을 페이얼라이트(fayalite)와 혼합한 다음, 볼밀을 이용하
여 불활성 분위기에서 분쇄하는 단계;
(d) 상기 분쇄된 혼합물을 반응로에 투입한 다음, 용융시켜 용융물을 수득하
는 단계; 및
(e) 상기 수득된 용융물을 고화시키는 단계를 포함하며,
상기 (a) 단계는 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 백금(Pt) 전구체
0.1 내지 2 중량부를 함침하고, 상기 (c) 단계는 촉매 담체 화합물 100 중량부에 대하여, 페이얼라이트(fayalite)를 0.1 내지 4 중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접 전환용 촉매의 제조방법.
(a) a step of impregnating a platinum (Pt) precursor into a catalyst carrier compound;
(b) a step of drying and calcining the impregnated substance;
(c) The calcined impregnation is mixed with fayalite and then used in a ball mill.
Step of grinding in an inert atmosphere;
(d) The above pulverized mixture is put into a reactor and then melted to obtain a molten product.
is the step; and
(e) comprising a step of solidifying the obtained melt,
The step (a) above comprises a platinum (Pt) precursor for 100 parts by weight of a catalyst carrier compound.
A method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the step (c) comprises 0.1 to 4 parts by weight of fayalite per 100 parts by weight of the catalyst carrier compound.
상기 (b) 단계의 소성은 300 ℃ 내지 900 ℃까지 1 ℃/min 이상의 승온 속도로 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the calcination in step (b) is performed by heating at a heating rate of 1 ℃/min or more from 300 ℃ to 900 ℃.
상기 (c) 단계는 볼밀을 이용하여 100 rpm 내지 300 rpm 속도로 4시간 내지 18시간 동안 분쇄하는 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the step (c) above comprises grinding using a ball mill at a speed of 100 to 300 rpm for 4 to 18 hours.
상기 (d) 단계의 용융은 1,200 ℃ 내지 2,000 ℃까지 6 ℃/min 이상의 승온 속도로 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the melting in step (d) is performed by heating at a heating rate of 6 ℃/min or more from 1,200 ℃ to 2,000 ℃.
상기 촉매 담체 화합물은 실리카, 알루미나, 타이타니아, 지르코니아 및 탄화규소로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the catalyst carrier compound is at least one selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zirconia, and silicon carbide.
상기 촉매 담체 화합물을 포함하는 촉매 담체를 포함하고, 비표면적이 5m2/g 이하의 고결정성 구조를 가지며, 철의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여, 0.1 ~ 2.0 중량%인 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매.
Manufactured by any one of the manufacturing methods of Article 1, Article 3, Article 5 to Article 7,
A catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, comprising a catalyst carrier comprising the above catalyst carrier compound, having a highly crystalline structure having a specific surface area of 5 m 2 /g or less, and characterized in that the amount of iron supported is 0.1 to 2.0 wt% with respect to the total weight of the catalyst.
상기 백금(Pt)의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여, 0.1 ~ 2.0 중량%인 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매.
In Article 8,
A catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the amount of platinum (Pt) supported is 0.1 to 2.0 wt% with respect to the total weight of the catalyst.
상기 촉매 담체는 용융된 결정성 상태인 것을 특징으로 하는 메탄의 비산화 직접전환용 촉매.
In Article 8,
A catalyst for non-oxidative direct conversion of methane, characterized in that the catalyst carrier is in a molten crystalline state.
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