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KR20230112976A - Catalyst for synthetic natural gas synthesis, method for preparing the same, and method for synthesizing synthetic natural gas with carbon dioxide - Google Patents

Catalyst for synthetic natural gas synthesis, method for preparing the same, and method for synthesizing synthetic natural gas with carbon dioxide Download PDF

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KR20230112976A
KR20230112976A KR1020220009269A KR20220009269A KR20230112976A KR 20230112976 A KR20230112976 A KR 20230112976A KR 1020220009269 A KR1020220009269 A KR 1020220009269A KR 20220009269 A KR20220009269 A KR 20220009269A KR 20230112976 A KR20230112976 A KR 20230112976A
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KR
South Korea
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cobalt
natural gas
aluminum
synthetic natural
catalyst
Prior art date
Application number
KR1020220009269A
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Korean (ko)
Inventor
박용민
배종욱
정동재
김병기
Original Assignee
한국전력공사
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 성균관대학교산학협력단 filed Critical 한국전력공사
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Abstract

Provided are a catalyst for synthetic natural gas synthesis which comprises a composite metal oxide structure formed of a composite metal oxide consisting of cobalt and aluminum and having a porous mesopore pore structure and a metal cocatalyst supported in the pores of the composite metal oxide structure, a manufacturing method thereof, and a method for synthesizing synthetic natural gas from carbon dioxide using the same.

Description

합성천연가스 합성용 촉매, 그 제조방법, 그리고 이산화탄소를 이용한 합성천연가스 합성방법{CATALYST FOR SYNTHETIC NATURAL GAS SYNTHESIS, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND METHOD FOR SYNTHESIZING SYNTHETIC NATURAL GAS WITH CARBON DIOXIDE}Catalyst for synthesizing synthetic natural gas, method for preparing the same, and method for synthesizing synthetic natural gas using carbon dioxide

이산화탄소를 활용하는 합성천연가스(SNG) 합성용 촉매, 그 제조방법, 그리고 그 촉매를 이용한 메탄 및 탄화수소가 혼합된 합성천연가스를 합성하는 방법이 제공된다. A catalyst for synthesizing synthetic natural gas (SNG) using carbon dioxide, a method for preparing the same, and a method for synthesizing synthetic natural gas in which methane and hydrocarbons are mixed using the catalyst are provided.

이산화탄소 배출량 증가에 따른 지구 온난화에 대한 대책으로, 이산화탄소의 활용 및 저장에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 메탄화 반응은 이산화탄소 활용에 관한 방법 중 하나로, 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄을 합성하는 것이다. 또한, 최근 대두되고 있는 P2G(Power-to-Gas) 에너지 저장 기술이나 바이오가스 개질 공정에서 생성되는 잉여 수소를 효과적으로 이용하는 방안으로도 이산화탄소 메탄화 반응이 두각을 나타내고 있다.As a countermeasure against global warming due to the increase in carbon dioxide emissions, various studies on the utilization and storage of carbon dioxide are being actively conducted. The methanation reaction is one of the methods for utilizing carbon dioxide, and methane is synthesized by reacting carbon dioxide and hydrogen. In addition, the carbon dioxide methanation reaction is also emerging as a method of effectively using surplus hydrogen generated in a power-to-gas (P2G) energy storage technology or a biogas reforming process, which has recently emerged.

이산화탄소 메탄화 반응에 사용되는 활성 물질은 귀금속 및 니켈로 알려져 있다. 일반적으로 니켈 촉매는 높은 전환율과 메탄 선택도를 갖지만, 탄소 침적의 위험이 있는 것으로 보고된 바 있다(Catalysts. 2017, 7, 59). 특히, 니켈 촉매는 귀금속 촉매와 비교하여 저렴한 가격을 가지면서도, 일정 수준의 높은 촉매 활성을 보이므로 메탄화 반응에 적절한 촉매로 알려져 있다. The active materials used in the carbon dioxide methanation reaction are known noble metals and nickel. In general, nickel catalysts have high conversion and methane selectivity, but have been reported to have a risk of carbon deposition (Catalysts. 2017, 7, 59). In particular, nickel catalysts are known as suitable catalysts for methanation reactions because they are inexpensive compared to noble metal catalysts and show high catalytic activity at a certain level.

한편, 계속해서 늘어가는 천연가스 연료의 수요를 감당하기 위해 합성천연가스(Synthetic natural gas)를 생산하는 연구 역시 진행되고 있다. 하기 표 1에 나타난 것처럼, 일반적인 메탄화 반응으로 합성한 합성천연가스의 메탄 성분은 약 98 %를 넘으며 LNG나 LPG에 비해 약 1000 kcal/m3이 낮은 발열량을 갖는다. 따라서 생성물의 전체적인 발열량을 증가시키기 위해서, 부탄, 프로판 등의 좀 더 무거운 탄화수소를 함께 합성할 필요성이 있다. Meanwhile, in order to meet the ever-increasing demand for natural gas fuel, research on producing synthetic natural gas is also being conducted. As shown in Table 1 below, the methane component of synthetic natural gas synthesized by a general methanation reaction exceeds about 98% and has a calorific value lower than that of LNG or LPG by about 1000 kcal/m 3 . Therefore, in order to increase the overall calorific value of the product, there is a need to synthesize heavier hydrocarbons such as butane and propane.

구분division 구성 성분composition 발열량 (kcal/m3)Calorific value (kcal/m 3 ) LNGLNG 메탄 (85% 이상), 에탄 (2%) 기타 (프로판, N2 등)Methane (85% or more), Ethane (2%) Others (Propane, N2, etc.) 9,700 ~ 10,8009,700 ~ 10,800 PNGpng 메탄 (90% 이상), 기타 (CO2, N2)Methane (90% or more), other (CO 2 , N 2 ) 9,000 ~ 10,2009,000 ~ 10,200 SNGSNG 메탄 (98% 이상), 기타 (H2, CO2, N2)Methane (98% or more), other (H 2 , CO 2 , N 2 ) 9,000 ~ 9,5009,000 ~ 9,500

일산화탄소와 수소로 구성된 합성가스(syngas)의 피셔-트롭쉬 합성(Fische-Tropsch synthesis) 반응에 우수한 활성을 보이는 코발트 계열 촉매는, 반응 가스가 일산화탄소 대신 이산화탄소로 바뀌면 메탄화 반응 활성을 보인다(Catalysis Today. 2016, 277, 161). 이 때 피셔-트롭쉬 합성 반응의 활성이 약간은 남아 있기 때문에, 전술한 무거운 탄화수소를 포함한, 높은 발열량의 합성천연가스를 생산하는 것이 가능하다.Cobalt-based catalysts, which show excellent activity in the Fische-Tropsch synthesis reaction of syngas composed of carbon monoxide and hydrogen, show methanation reaction activity when the reaction gas is changed to carbon dioxide instead of carbon monoxide (Catalysis Today 2016, 277, 161). At this time, since the activity of the Fischer-Tropsch synthesis reaction remains slightly, it is possible to produce synthetic natural gas with a high calorific value, including the above-mentioned heavy hydrocarbons.

또한, 코발트 촉매는 니켈이나 철 등 일반적인 메탄화 촉매나 피셔-트롭쉬 촉매의 운용 조건보다 상대적으로 낮은 온도인 200 ~ 300 ℃에서 운용되므로 반응기 운전 비용 면에서 유리하다.In addition, the cobalt catalyst is advantageous in terms of operating cost of the reactor because it is operated at a temperature of 200 to 300 ° C., which is relatively lower than the operating conditions of a general methanation catalyst such as nickel or iron or a Fischer-Tropsch catalyst.

코발트 촉매의 활성은 주로 표면에 노출된 활성점의 개수에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있다. 따라서 높은 촉매 활성을 얻기 위해서, 비표면적이 매우 넓은 지지체 위에 활성 물질인 코발트를 고르게 분산시키는 과정이 필수적이다. 이러한 고분산성이나 넓은 촉매 비표면적의 구현에 가장 적합한 물질로, 중형 세공을 가진 메조포러스(Mesoporous) 물질이 개발된 이후, 촉매 분야에서 다양하게 이용되고 있다(Appl. Catal. B., 2009, 89, 365-374; Catal. Today, 2012, 185, 168-174).It is known that the activity of cobalt catalysts is mainly influenced by the number of active sites exposed on the surface. Therefore, in order to obtain high catalytic activity, a process of uniformly dispersing cobalt as an active material on a support having a very large specific surface area is essential. Since mesoporous materials with mesopores were developed as the most suitable material for realizing such high dispersion or wide catalyst specific surface area, they have been widely used in the field of catalysts (Appl. Catal. B., 2009, 89). , 365-374; Catal. Today, 2012, 185, 168-174).

이를 적용한 메조 코발트(meso-Co3O4) 촉매가 다양한 유기 반응 및 배터리 관련 기술에 이용된 것이 보고되고 있으나, 환원 등의 전처리 과정이 포함된 촉매 반응에 메조포러스 코발트를 단독으로 이용하는 보고는 적다. 이는 주로 촉매의 전처리 과정, 특히 환원 분위기 하에서 발생하는 메조구조의 붕괴 때문인데, 약 25 % 정도의 알루미늄이 혼합된 메조포러스 코발트-알루미늄 촉매는 이러한 구조 붕괴에 대해 뛰어난 안정성이 있는 것으로 알려져 있다(Chem. Commun., 2016, 52, 4820-4823).It has been reported that meso-Co 3 O 4 ) catalysts using meso-Co 3 O 4 have been used in various organic reactions and battery-related technologies, but there are few reports of using mesoporous cobalt alone in catalytic reactions involving pretreatment processes such as reduction. . This is mainly due to the collapse of the mesostructure that occurs during the pretreatment process of the catalyst, especially under a reducing atmosphere. A mesoporous cobalt-aluminum catalyst in which about 25% of aluminum is mixed is known to have excellent stability against such structural collapse (Chem Commun., 2016, 52, 4820-4823).

메조포러스 코발트-알루미늄 촉매는, 표면적이 매우 넓은 지지체 표면에 활성 물질을 작은 나노입자 형태로 분산시켜 제조한 촉매와 비교하여 높은 물질 전달 속도를 가진다. 또한, 메조포러스 코발트-알루미늄 촉매는, 표면에 노출된 활성점이 많아서 이산화탄소로부터의 합성천연가스 합성 반응에 뛰어난 활성을 보인다. 하지만 촉매의 반응 속도가 충분히 빠르지 않아서 전환되지 않은 반응물이 상당하여, 이는 분리 및 재활용 공정의 도입을 강제한다. 따라서 적절한 증진제 도입을 통한 반응 활성 개선이 요구된다.The mesoporous cobalt-aluminum catalyst has a high mass transfer rate compared to a catalyst prepared by dispersing an active material in the form of small nanoparticles on the surface of a support having a very large surface area. In addition, the mesoporous cobalt-aluminum catalyst has a large number of active sites exposed on the surface, and shows excellent activity in the synthesis reaction of synthetic natural gas from carbon dioxide. However, the reaction rate of the catalyst is not fast enough and the unconverted reactants are significant, which forces the introduction of separation and recycling processes. Therefore, it is required to improve the reaction activity through the introduction of an appropriate enhancer.

한국공개특허 2018-0114301Korean Patent Publication 2018-0114301 한국등록특허 1578540Korean registered patent 1578540

P. Frontera, A. Macario, M. Ferraro, P. Antonucci, Supported Catalysts for CO2 Methanation: A Review, Catalysts, 7(2) (2017) 59. P. Frontera, A. Macario, M. Ferraro, P. Antonucci, Supported Catalysts for CO2 Methanation: A Review, Catalysts, 7(2) (2017) 59. C.G. Visconti, M. Martinelli, L. Falbo, L. Fratalocchi, L. Lietti, CO2 hydrogenation to hydrocarbons over Co and Fe-based Fischer-Tropsch catalysts, Catalysis Today, 277 (2016) 161-170. C.G. Visconti, M. Martinelli, L. Falbo, L. Fratalocchi, L. Lietti, CO2 hydrogenation to hydrocarbons over Co and Fe-based Fischer-Tropsch catalysts, Catalysis Today, 277 (2016) 161-170. T. Tsoncheva, L. Ivanova, J. Rosenholm, M. Linden, Cobalt oxide species supported on SBA-15, KIT-5 and KIT-6 mesoporous silicas for ethyl acetate total oxidation, Applied Catalysis B: Environmental, 89 (2009) 365-374. T. Tsoncheva, L. Ivanova, J. Rosenholm, M. Linden, Cobalt oxide species supported on SBA-15, KIT-5 and KIT-6 mesoporous silicas for ethyl acetate total oxidation, Applied Catalysis B: Environmental, 89 (2009) 365-374. J.-S. Jung, S.W. Kim, D.J. Moon, Fischer-Tropsch Synthesis over cobalt based catalyst supported on different mesoporous silica, Catalysis Today, 185 (2012) 168-174. J. -S. Jung, S.W. Kim, D.J. Moon, Fischer-Tropsch Synthesis over cobalt based catalyst supported on different mesoporous silica, Catalysis Today, 185 (2012) 168-174. C.-I. Ahn, Y.J. Lee, S.H. Um, J.W. Bae, Ordered mesoporous CoMOx (M = Al or Zr) mixed oxides for Fischer-Tropsch synthesis, Chemical Communications, 52 (2016) 4820-4823. C. -I. Ahn, Y.J. Lee, S.H. Um, J.W. Bae, Ordered mesoporous CoMOx (M = Al or Zr) mixed oxides for Fischer-Tropsch synthesis, Chemical Communications, 52 (2016) 4820-4823.

본 발명의 일 실시예는 메조 구조가 효과적으로 유지되고 비활성화가 억제된 합성천연가스 합성 반응용 촉매 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a catalyst for synthetic natural gas synthesis reaction in which the mesostructure is effectively maintained and deactivation is suppressed, and a method for preparing the same.

본 발명의 일 실시예는 촉매를 이용한, 이산화탄소의 메탄화 반응과 피셔-트롭쉬 합성 반응의 동시 진행을 통한, 고발열량의 합성천연가스 제조방법을 제공하기 위한 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a method for producing synthetic natural gas with a high calorific value through simultaneous progress of a methanation reaction of carbon dioxide and a Fischer-Tropsch synthesis reaction using a catalyst.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.In addition to the above tasks, embodiments according to the present invention may be used to achieve other tasks not specifically mentioned.

일 실시예에 따르면, 코발트 산화물과 알루미늄 산화물이 균일하게 혼재되어 있는 규칙적인 중형 다공성(mesoporous)의 주골격(main framework)을 가지며, 지르코늄, 세륨, 아연 등의 전이 금속이 추가된 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매, 경질 주형 기법(hard template method)을 이용한 이의 제조방법, 그리고 이를 이용하여 메탄화 반응과 피셔-트롭쉬 합성반응이 동시에 일어나, 메탄과 탄화수소를 포함한 고발열 합성천연가스의 제조방법이 제공된다.According to one embodiment, synthetic natural gas has a regular mesoporous main framework in which cobalt oxide and aluminum oxide are uniformly mixed, and transition metals such as zirconium, cerium, and zinc are added. Cobalt-aluminum hybrid catalyst for use, method for producing it using a hard template method, and methanation reaction and Fischer-Tropsch synthesis reaction occur simultaneously using the same to produce high exothermic synthetic natural gas including methane and hydrocarbons A method is provided.

일 실시예에 따른 합성천연가스 합성 반응용 촉매는 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 복합 금속 산화물로 형성되고, 메조 기공 구조를 갖는 복합 금속 산화물 구조체를 포함하며, 지르코늄, 세륨, 아연 등의 전이 금속이 추가된다.A catalyst for synthetic natural gas synthesis reaction according to an embodiment is formed of a composite metal oxide composed of cobalt and aluminum, includes a composite metal oxide structure having a mesoporous structure, and transition metals such as zirconium, cerium, and zinc are added. .

일 실시예에 따른 알루미늄은 코발트 대비 10 몰% 내지 50 몰% 함유될 수 있다.Aluminum according to an embodiment may be contained in an amount of 10 mol% to 50 mol% compared to cobalt.

일 실시예에 따른 촉매는 비표면적이 40 ㎡/g 내지 120 ㎡/g일 수 있고, 평균 기공 직경이 4 nm 내지 12 nm일 수 있다.The catalyst according to an embodiment may have a specific surface area of 40 m 2 /g to 120 m 2 /g, and an average pore diameter of 4 nm to 12 nm.

일 실시예에 따른 합성천연가스 합성용 촉매의 제조방법은, (1) 메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 코발트 산화물 전구체와 알루미늄 산화물 전구체가 용해된 전구체 용액을 주입한 후 소성하는 단계, (2) 산성 또는 염기성 용액을 이용하여 단계 (1)에서 얻은 메조포러스 실리카 주형을 제거하여, 코발트 및 알루미늄의 산화물로 구성되면서 메조 기공 구조를 갖는 복합 금속 산화물 구조체를 형성하는 단계, 그리고 (3) 상기 단계 (2)에서 얻은 복합 금속 산화물 구조체를, 조촉매 금속 전구체 물질이 용해된 용액에 함침한 후 열처리하여 상기 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부에 인을 담지시키는 제3 단계를 포함한다.A method for preparing a catalyst for synthetic natural gas synthesis according to an embodiment includes: (1) injecting a precursor solution in which a cobalt oxide precursor and an aluminum oxide precursor are dissolved into pores of a mesoporous silica mold, and then firing the precursor solution; (2) Forming a composite metal oxide structure composed of oxides of cobalt and aluminum and having a mesoporous structure by removing the mesoporous silica template obtained in step (1) using an acidic or basic solution, and (3) the above step ( A third step of impregnating the composite metal oxide structure obtained in 2) into a solution in which the promoter metal precursor material is dissolved and then heat-treating the composite metal oxide structure to support phosphorus in the pores of the composite metal oxide structure.

일 실시예에서 제1 단계 전에 상기 메조포러스 실리카 주형을 제조하는 단계를 더 포함하고, 메조포러스 실리카 주형을 제조하는 단계는, 구조 유도제인 공중합체 및 테트라에톡시실란(TEOS, Tetraethoxysilane)를 용매에 용해시켜 실리카 침전 용액을 형성하는 단계, 실리카 침전 용액을 수열 합성(Hydrothermal treatment)하는 단계, 그리고 산성 용액을 포함하는 혼합 용액으로 상기 수열 합성 후의 반응물에서 상기 공중합체를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of preparing the mesoporous silica template before the first step is further included, and the step of preparing the mesoporous silica template comprises adding a copolymer and tetraethoxysilane (TEOS, Tetraethoxysilane) as a structure directing agent to a solvent. It may include dissolving to form a silica precipitation solution, hydrothermal treatment of the silica precipitation solution, and removing the copolymer from the reactants after the hydrothermal synthesis with a mixed solution containing an acidic solution. .

일 실시예에서 조촉매 금속 전구체는 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 망간(Mn), 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni) 금속의 아세테이트(acetate)나 나이트레이트(nitrate) 및 클로라이드(chloride) 등을 포함할 수 있다.In one embodiment, the promoter metal precursor is an acetate or nitrate of zirconium (Zr), cerium (Ce), manganese (Mn), zinc (Zn), iron (Fe), or nickel (Ni) metal. and chloride and the like.

일 실시예에서 제3단계에서의 조촉매 금속은 상기 복합 금속 산화물 구조체의 중량 대비 2 중량% 내지 10 중량%로 담지될 수 있다.In one embodiment, the promoter metal in the third step may be supported in an amount of 2% to 10% by weight based on the weight of the composite metal oxide structure.

일 실시예에 따른 합성천연가스 합성방법은 이산화탄소를 수소화하여 메탄 등의 탄화수소를 제조하는 메탄화 반응 및 피셔-트롭쉬 합성반응에서, (1) 합성천연가스 합성용 촉매를 반응기 내부에 배치하는 단계, (2) 반응기 내부에 환원가스를 공급하여 촉매의 코발트 산화물 중 적어도 일부를 코발트로 환원시킴으로써 촉매를 활성화시키는 단계, 그리고 (3) 반응기 내부에 수소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 공급하여 상기 메탄 등의 탄화수소를 합성하는 단계를 포함한다.In the method for synthesizing synthetic natural gas according to an embodiment, in the methanation reaction and the Fischer-Tropsch synthesis reaction of hydrogenating carbon dioxide to produce hydrocarbons such as methane, (1) disposing a catalyst for synthesizing natural gas inside the reactor (2) activating the catalyst by reducing at least some of the cobalt oxides of the catalyst to cobalt by supplying a reducing gas into the reactor, and (3) supplying a syngas containing hydrogen and carbon dioxide into the reactor to reduce the methane It includes the step of synthesizing hydrocarbons such as

일 실시예에서 합성천연가스 합성 반응을 수행하는 단계는 약 200 ℃ 내지 약 350 ℃의 반응 온도, 약 15 bar 내지 약 25 bar의 반응 압력에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the step of performing the synthetic natural gas synthesis reaction may be performed at a reaction temperature of about 200 °C to about 350 °C and a reaction pressure of about 15 bar to about 25 bar.

일 실시예에 따르면, 메조세공을 지닌 메조 코발트 알루미나 촉매에, 이산화탄소 메탄화 반응 및 피셔-트롭쉬 반응의 활성을 증진하는 증진제를 더하여 새로운 촉매가 제조되며, 이를 통하여 이산화탄소로부터 고발열량 합성천연가스를 합성하는 고활성의 촉매가 제공될 수 있다.According to an embodiment, a new catalyst is prepared by adding an enhancer for enhancing the activity of the carbon dioxide methanation reaction and the Fischer-Tropsch reaction to a meso-cobalt alumina catalyst having mesopores, through which high calorific value synthetic natural gas is produced from carbon dioxide A highly active catalyst for synthesis can be provided.

도 1은 촉매의 CO2 전환율을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the CO 2 conversion rate of a catalyst.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다. With reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, in the case of widely known known technologies, detailed descriptions thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

명세서 전체에서, 메탄화 반응 또는 피셔-트롭쉬 합성 반응은 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄 등의 탄화수소를 제조하는 과정을 말한다.Throughout the specification, the methanation reaction or Fischer-Tropsch synthesis reaction refers to a process of producing hydrocarbons such as methane by reacting carbon dioxide and hydrogen.

일 실시예에 따른 합성천연가스 합성용 촉매는 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 복합 금속의 산화물로 형성되고 메조 기공 구조를 가지며, 지르코늄, 세륨, 아연 등의 전이 금속이 추가된 복합 금속 산화물 구조체를 포함한다.A catalyst for synthesis of synthetic natural gas according to an embodiment includes a composite metal oxide structure formed of an oxide of a composite metal composed of cobalt and aluminum, having a mesoporous structure, and to which a transition metal such as zirconium, cerium, or zinc is added.

합성천연가스 합성용 촉매는 메탄화 반응 혹은 피셔-트롭쉬 합성에서 사용하는 촉매일 수 있다. 예를 들면, 촉매는 저온 피셔-트롭쉬 합성(Low Temperature Fischer-Tropsch Synthesis, LTFT)에서 사용하는 촉매일 수 있다. 저온 피셔-트롭쉬 합성은 저온에서 수행되는 피셔-트롭쉬 합성으로, 약 200 ℃ 내지 약 250 ℃, 약 15 bar 내지 약 25 bar에서 반응이 수행될 수 있다.The catalyst for synthetic natural gas synthesis may be a catalyst used in methanation reaction or Fischer-Tropsch synthesis. For example, the catalyst may be a catalyst used in Low Temperature Fischer-Tropsch Synthesis (LTFT). The low-temperature Fischer-Tropsch synthesis is a Fischer-Tropsch synthesis performed at a low temperature, and the reaction may be performed at about 200 °C to about 250 °C and about 15 bar to about 25 bar.

복합 금속 산화물 구조체는 메조 기공을 구비하는 다공성 구조를 가질 수 있다. 복합 금속 산화물 구조체는 주형(template)으로 메조포러스 실리카를 이용하여 제조될 수 있다. 메조포러스 실리카 주형은 기공의 크기가 약 2 nm 내지 약 50 nm인 메조 기공을 갖는 다공성 물질일 수 있다.The composite metal oxide structure may have a porous structure including mesopores. The composite metal oxide structure may be prepared using mesoporous silica as a template. The mesoporous silica template may be a porous material having mesopores having a pore size of about 2 nm to about 50 nm.

메조포러스 실리카 주형은 직접 합성하거나 시판 제품을 구입하여 사용할 수 있고, 특별히 제한하는 것은 아니다. 예를 들어 메조포러스 실리카는 KIT-6, SBA-15, MCM-41, MCM-48, HMS, AMS-10, FDU-12 등에서 하나 이상 사용할 수 있다.The mesoporous silica template may be directly synthesized or a commercially available product may be purchased and used, and is not particularly limited. For example, one or more mesoporous silicas may be used in KIT-6, SBA-15, MCM-41, MCM-48, HMS, AMS-10, FDU-12, and the like.

복합 금속 산화물 구조체의 기공 내에 담지된 금속 조촉매는 합성천연가스 합성 반응의 활성 증진제로 담지될 수 있다.The metal cocatalyst supported in the pores of the composite metal oxide structure may be supported as an activity enhancer for the synthetic natural gas synthesis reaction.

일 실시예에서 금속 조촉매는 복합 금속 산화물의 중량 대비 약 2 중량% 내지 10 중량%를 함유할 수 있다. 금속 조촉매의 함량이 2 중량% 미만인 경우에는 합성천연가스 합성반응의 활성을 충분히 증진하지 못할 수 있고, 10 중량%를 초과하는 경우에는 금속 조촉매가 촉매 표면의 활성점에 흡착되어 촉매의 반응성을 오히려 저해할 수 있다. 예를 들어, 합성천연가스 합성용 촉매에는 복합 금속 산화물 중량 대비 약 4 중량% 내지 6 중량%의 지르코늄이 함유될 수 있다.In one embodiment, the metal cocatalyst may contain about 2% to 10% by weight based on the weight of the composite metal oxide. If the content of the metal cocatalyst is less than 2% by weight, the activity of the synthetic natural gas synthesis reaction may not be sufficiently promoted, and if it exceeds 10% by weight, the metal cocatalyst is adsorbed on the active site on the catalyst surface, thereby reducing the reactivity of the catalyst. can rather hinder it. For example, a catalyst for synthesizing synthetic natural gas may contain about 4 wt% to 6 wt% of zirconium based on the weight of the composite metal oxide.

일 실시예에서 촉매는 비표면적이 약 60 ㎡/g 내지 약 120 ㎡/g 이고, 평균 기공 직경이 약 4 nm 내지 약 6 nm 일 수 있다. 나아가, 촉매의 비표면적은 약 80 m2/g 내지 약 100 m2/g 일 수 있고, 평균 기공 크기는 약 4 nm 내지 5 nm일 수 있다.In one embodiment, the catalyst may have a specific surface area of about 60 m 2 /g to about 120 m 2 /g, and an average pore diameter of about 4 nm to about 6 nm. Furthermore, the catalyst may have a specific surface area of about 80 m 2 /g to about 100 m 2 /g, and an average pore size of about 4 nm to 5 nm.

일 실시예에 따른 합성천연가스 합성용 촉매에 따르면, 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 복합 금속의 산화물로 형성되고 다공성 메조 기공 구조를 갖는 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부에 소량의 금속 조촉매를 담지시킴으로써, 메조 기공 구조의 골격에 악영향을 주지 않으면서 합성천연가스 합성반응의 활성을 증진시킬 수 있다.According to the catalyst for synthetic natural gas synthesis according to an embodiment, a small amount of a metal cocatalyst is supported inside the pores of a composite metal oxide structure formed of oxides of a composite metal composed of cobalt and aluminum and having a porous mesoporous structure, It is possible to enhance the activity of the synthetic natural gas synthesis reaction without adversely affecting the skeleton of the pore structure.

합성천연가스 합성용 촉매의 제조방법은 메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체가 용해된 전구체 용액을 주입한 후 소성하는 제1 단계, 산성 또는 염기성 용액을 이용하여 메조포러스 실리카 주형을 제거하여, 코발트 및 알루미늄을 포함하는 복합 금속의 산화물로 형성되고 다공성 메조 기공 구조를 갖는 복합 금속 산화물 구조체를 형성하는 제2 단계, 그리고 금속 산화물 구조체를 조촉매의 금속 전구체 물질이 용해된 용액에 함침한 후 열처리하여 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부에 조촉매를 담지시키는 제3 단계를 포함한다.A method for preparing a catalyst for synthesis of synthetic natural gas is a first step of injecting a precursor solution in which a cobalt oxide precursor and an aluminum oxide precursor are dissolved into pores of a mesoporous silica mold and then calcining the mesoporous silica using an acidic or basic solution. A second step of removing the mold to form a composite metal oxide structure formed of an oxide of a composite metal including cobalt and aluminum and having a porous mesopore structure, and a solution in which the metal precursor material of the cocatalyst is dissolved. and a third step of supporting a cocatalyst in the pores of the composite metal oxide structure by heat treatment after impregnation.

제1 단계에서, 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체가 용해된 전구체 용액을 이용하여 메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체를 주입할 수 있다.In the first step, the cobalt oxide precursor and the aluminum oxide precursor may be injected into the pores of the mesoporous silica template using a precursor solution in which the cobalt oxide precursor and the aluminum oxide precursor are dissolved.

코발트 산화물 전구체로는 특별히 제한되지는 않으며, 코발트 함유 나이트레이트(nitrate)염, 코발트 함유 클로라이드(chloride)염, 코발트 함유 브로마이드(bromide)염, 코발트 함유 아세테이트(acetate)염 및/또는 아세틸아세토네이트(acetylacetonate)염 등을 사용할 수 있다. 예를 들어 코발트 나이트레이트(Co(NO3)26H2O), 코발트 클로라이드(CoCl26H2O), 코발트 아세테이트(Co(CH3COO)24H2O)가 사용될 수 있다.The cobalt oxide precursor is not particularly limited, and includes cobalt-containing nitrate salt, cobalt-containing chloride salt, cobalt-containing bromide salt, cobalt-containing acetate salt and/or acetylacetonate ( acetylacetonate) salt and the like can be used. For example, cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2 6H 2 O), cobalt chloride (CoCl 2 6H 2 O), and cobalt acetate (Co(CH 3 COO) 2 4H 2 O) may be used.

알루미늄 산화물 전구체로는 특별히 제한되지는 않으며, 알루미늄 함유 나이트레이트(nitrate)염, 알루미늄 함유 클로라이드(chloride)염, 알루미늄 함유 브로마이드(bromide)염, 알루미늄 함유 아세테이트(acetate)염 및/또는 하이드록사이드(hydroxide)염 등을 사용할 수 있다. 예를 들어 알루미늄 나이트레이트(Al(NO3)39H2O)가 사용될 수 있다.The aluminum oxide precursor is not particularly limited, and includes aluminum-containing nitrate salt, aluminum-containing chloride salt, aluminum-containing bromide salt, aluminum-containing acetate salt and/or hydroxide ( hydroxide) salt and the like can be used. For example, aluminum nitrate (Al(NO 3 ) 3 9H 2 O) may be used.

제1 단계는 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 복합 금속 산화물 전구체를 포함하는 전구체 용액에 메조포러스 실리카 주형을 혼합하여 겔(gel)을 형성한 후 겔을 건조시킨 후 소성시켜 수행할 수 있다.The first step may be performed by mixing a mesoporous silica template with a precursor solution containing a composite metal oxide precursor composed of cobalt and aluminum to form a gel, drying the gel, and then firing it.

메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 복합 금속 산화물 전구체를 잘 채우기 위해서, 기공 내부에 포함된 수분을 제거하는 공정을 먼저 수행할 수 있다. 예를 들면, 메조포러스 실리카 주형을 약 100 ℃ 이상의 오븐에서 약 1 시간 이상 건조함으로써 메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 포함된 수분을 제거할 수 있다.In order to fill the pores of the mesoporous silica template well with the composite metal oxide precursor made of cobalt and aluminum, a process of removing moisture contained in the pores may be performed first. For example, moisture contained in the pores of the mesoporous silica mold may be removed by drying the mesoporous silica mold in an oven at about 100° C. or higher for about 1 hour or more.

전구체 용액에 메조포러스 실리카 주형을 혼합하면 모세관 현상을 통해 메조포러스 실리카 주형의 기공 내부로 코발트 및 알루미늄으로 이루어진 복합 금속 산화물 전구체 용액이 침투할 수 있다. When the mesoporous silica template is mixed with the precursor solution, the composite metal oxide precursor solution made of cobalt and aluminum may penetrate into the pores of the mesoporous silica template through capillary action.

이어서, 전구체 용액이 주입된 메조포러스 실리카 주형은 전구체 용액의 용매의 끓는점보다 낮은 온도에서 서서히 건조될 수 있다. 예를 들어 전구체 용액의 용매로 물이 사용된 경우, 건조 온도는 약 80 ℃일 수 있으며, 약 12 시간 동안 건조시킬 수 있다. 용매의 끓는점보다 낮은 온도에서 전구체 용액이 주입된 메조포러스 실리카 주형을 건조시키면 용매가 서서히 증발하게 되어 실리카 주형의 기공 내부로 침투한 코발트 산화물 전구체 물질 및 알루미늄 산화물 전구체 물질이 세공 밖으로 빠져 나오지 않고 세공 내부에 머무를 수 있다.Subsequently, the mesoporous silica template injected with the precursor solution may be slowly dried at a temperature lower than the boiling point of the solvent of the precursor solution. For example, when water is used as a solvent for the precursor solution, the drying temperature may be about 80° C., and drying may be performed for about 12 hours. When the mesoporous silica mold into which the precursor solution is injected is dried at a temperature lower than the boiling point of the solvent, the solvent evaporates slowly, so that the cobalt oxide precursor material and the aluminum oxide precursor material penetrating into the pores of the silica mold do not come out of the pores and inside the pores. can stay in

이어서, 건조된 메조포러스 실리카 주형을 고온에서 소성하여, 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체를 코발트 및 알루미늄을 포함하는 복합 금속의 산화물로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 건조된 메조포러스 실리카 주형의 소성을 위해, 약 1 ℃/min의 승온 속도로 약 550 ℃까지 승온시킨 후 약 550 ℃에서 약 3 시간 동안 유지할 수 있다.Subsequently, the dried mesoporous silica mold may be fired at a high temperature to change the cobalt oxide precursor and the aluminum oxide precursor into oxides of a composite metal including cobalt and aluminum. For example, for firing the dried mesoporous silica mold, the temperature may be raised to about 550 °C at a heating rate of about 1 °C/min, and then maintained at about 550 °C for about 3 hours.

제2 단계에서, 메조포러스 실리카 주형은 산성 또는 염기성 용액을 이용하여 제거될 수 있다. 산성 또는 염기성 용액은 강염기 용액 또는 강산 용액이 사용될 수 있다. 예를 들어, 메조포러스 실리카 주형은 NaOH 수용액 또는 HF 수용액을 사용하여 제거될 수 있다. 예를 들어 메조포러스 실리카 주형은 약 2 M 농도의 NaOH 수용액을 사용하여 제거될 수 있다.In the second step, the mesoporous silica template may be removed using an acidic or basic solution. As the acidic or basic solution, a strong base solution or a strong acid solution may be used. For example, mesoporous silica templates can be removed using an aqueous NaOH solution or an aqueous HF solution. For example, mesoporous silica templates can be removed using an aqueous solution of NaOH at a concentration of about 2 M.

제3 단계에서, 복합 금속 산화물 구조체를 금속 조촉매의 전구체 물질이 용해된 용액에 함침한 후, 이를 건조 및 소성함으로써, 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부에 금속 조촉매를 담지할 수 있다.In the third step, the metal cocatalyst may be supported in the pores of the composite metal oxide structure by impregnating the complex metal oxide structure into a solution in which the precursor material of the metal cocatalyst is dissolved, and then drying and firing the same.

금속 조촉매의 전구체 물질이 용해된 용액은 물을 용매로 사용하는 수용액일 수 있다. 이 경우, 금속 조촉매의 전구체는 나이트레이트(nitrate)염, 클로라이드(chloride)염, 브로마이드(bromide)염 및 아세테이트(acetate)염 등과 같은 수용성 전구체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 질산 아연 헥사수화물 (Zn(NO3)26H2O)이나 질산 세륨 헥사수화물 (Ce(NO3)36H2O) 등을 금속 조촉매의 전구체로 사용할 수 있다.The solution in which the precursor material of the metal cocatalyst is dissolved may be an aqueous solution using water as a solvent. In this case, the precursor of the metal cocatalyst may include a water-soluble precursor material such as a nitrate salt, a chloride salt, a bromide salt, and an acetate salt. For example, zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O) or cerium nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 3 6H 2 O) may be used as a precursor of the metal cocatalyst.

건조 단계 동안 조촉매의 전구체 물질이 용해된 용액의 용매가 제거될 수 있다. 예를 들어, 건조 단계는 약 70 ℃ 내지 약 110 ℃에서 약 6 시간 내지 약 24 시간 동안 수행될 수 있다.During the drying step, the solvent of the solution in which the precursor material of the cocatalyst is dissolved may be removed. For example, the drying step may be performed at about 70 °C to about 110 °C for about 6 hours to about 24 hours.

소성 단계 동안 금속 조촉매의 전구체 물질이 분해되고 금속 조촉매가 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부 및 표면에 담지될 수 있다. 예를 들어, 소성 단계는 건조되어 금속 조촉매의 전구체 물질이 기공 내부 및 표면에 부착된 복합 금속 산화물 구조체를 약 1 ℃/min의 승온 속도로 약 500 ℃까지 승온 후 약 500 ℃의 온도를 약 3 시간 동안 유지하여 수행할 수 있다.During the sintering step, the precursor material of the metal cocatalyst is decomposed and the metal cocatalyst may be supported on the surface and inside the pores of the composite metal oxide structure. For example, in the sintering step, the temperature of the composite metal oxide structure in which the precursor material of the metal cocatalyst is attached to the inside and surface of the pores is heated to about 500 ° C. at a heating rate of about 1 ° C./min, and then the temperature of about 500 ° C. It can be carried out by holding for 3 hours.

금속 조촉매는 복합 금속 산화물 구조체의 중량 대비 약 2 중량% 내지 10 중량% 담지될 수 있다. 활성 증진제로 사용되는 금속 조촉매는 촉매 표면의 활성점에 흡착되어 촉매의 반응성을 저해하는 효과를 방지하기 위하여 소량을 담지하여 제조할 수 있다. 예를 들어 약 2 내지 5 중량%의 양으로 담지하여 제조하는 경우, 촉매의 반응성이 더욱 증진될 수 있다. The metal cocatalyst may be supported in an amount of about 2% to 10% by weight based on the weight of the composite metal oxide structure. The metal cocatalyst used as an activity enhancer may be prepared by supporting a small amount in order to prevent an effect of inhibiting the reactivity of the catalyst by being adsorbed on the active site on the surface of the catalyst. For example, when prepared by supporting in an amount of about 2 to 5% by weight, the reactivity of the catalyst can be further enhanced.

일 실시예에 따른 이산화탄소를 수소화하여 메탄 등의 탄화수소를 제조하는 합성천연가스 합성방법에서, 합성천연가스 합성용 촉매를 반응기 내부에 배치하는 단계, 반응기 내부에 환원가스를 공급하여 촉매의 코발트 산화물 중 적어도 일부를 코발트로 환원시킴으로써 촉매를 활성화시키는 단계, 그리고 반응기 내부에 수소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 공급하여 메탄 등의 탄화수소를 합성하는 단계를 포함한다.In the synthetic natural gas synthesis method for producing hydrocarbons such as methane by hydrogenating carbon dioxide according to an embodiment, disposing a catalyst for synthetic natural gas synthesis in a reactor, supplying a reducing gas to the inside of the reactor to obtain cobalt oxide of the catalyst It includes activating a catalyst by reducing at least a part of it to cobalt, and synthesizing hydrocarbons such as methane by supplying a syngas containing hydrogen and carbon dioxide into a reactor.

반응기는 합성천연가스 합성 반응기로서 고정층 반응기일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The reactor may be a fixed bed reactor as a synthetic natural gas synthesis reactor, but is not limited thereto.

환원가스는 수소 및 질소기체를 포함할 수 있다. 예를 들어 환원 가스는 약 4 % 내지 약 12 %의 수소가스 및 잔여 질소가스를 포함할 수 있다. The reducing gas may include hydrogen and nitrogen gas. For example, the reducing gas may include about 4% to about 12% of hydrogen gas and residual nitrogen gas.

환원가스로 촉매의 코발트 산화물 일부를 코발트로 환원시키는 과정은 약 6 시간 내지 24 시간 동안 수행할 수 있고, 예를 들어 약 12 시간 동안 수행할 수 있다.The process of reducing a portion of the cobalt oxide of the catalyst to cobalt with a reducing gas may be performed for about 6 hours to 24 hours, for example, about 12 hours.

환원시키는 과정은 약 300 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 예를 들어 400 ℃에서 수행되어 촉매가 활성화될 수 있다.The reduction process may be performed at a temperature of about 300 °C to about 500 °C, for example, the catalyst may be activated by being performed at 400 °C.

액체 탄화수소를 합성하는 단계에서 반응기 내부에 합성가스를 공급하여 합성천연가스 합성 반응을 수행할 수 있다. 합성가스는 수소, 질소 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 합성가스에서, 수소는 약 65 % 내지 약 80 %의 부피 분율을 차지할 수 있고, 이산화탄소는 약 15 % 내지 약 30 %의 부피 분율을 차지할 수 있다. In the step of synthesizing liquid hydrocarbons, a synthetic natural gas synthesis reaction may be performed by supplying syngas into the reactor. Syngas may include hydrogen, nitrogen and carbon dioxide. For example, in syngas, hydrogen may account for a volume fraction of about 65% to about 80%, and carbon dioxide may account for a volume fraction of about 15% to about 30%.

예를 들어, 합성천연가스 합성 반응을 수행하는 단계에서 반응 온도는 약 200 ℃ 내지 약 350 ℃ 일 수 있고, 반응 압력은 약 10 bar 내지 약 30 bar일 수 있다. 이때 공간속도는 약 4000 L/kg cat./h 내지 약 32,000 L/kg cat./h 일 수 있다.For example, in the step of performing the synthetic natural gas synthesis reaction, the reaction temperature may be about 200 °C to about 350 °C, and the reaction pressure may be about 10 bar to about 30 bar. At this time, the space velocity may be about 4000 L/kg cat./h to about 32,000 L/kg cat./h.

합성천연가스 합성 반응은 메탄화 반응, 혹은 피셔-트롭쉬 합성 반응일 수 있다. 피셔-트롭쉬 합성 반응에서 반응 온도는 약 200 ℃ 내지 250 ℃일 수 있고, 반응 압력은 약 15 bar 내지 35 bar일 수 있다. 예를 들어 반응 압력은 약 20 bar일 수 있다.The synthetic natural gas synthesis reaction may be a methanation reaction or a Fischer-Tropsch synthesis reaction. In the Fischer-Tropsch synthesis reaction, the reaction temperature may be about 200 °C to 250 °C, and the reaction pressure may be about 15 bar to 35 bar. For example, the reaction pressure may be about 20 bar.

이하 본 발명의 실시예들에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are merely some embodiments of the present invention, and the present invention should not be construed as being limited to the following examples.

제조예 1 : 복합 금속 산화물 구조체(종래의 복합 금속 산화물 구조체 촉매)Preparation Example 1: Complex Metal Oxide Structure (Conventional Complex Metal Oxide Structure Catalyst)

메조포러스 실리카 주형 물질인 KIT-6 약 10.0 g을 약 110 ℃의 오븐에서 약 1 시간 동안 건조한다. 전구체로 사용되는 질산 코발트 헥사수화물(Cobalt nitrate hexahydrate) 약 16.8 g과 알루미늄 나이트레이트 무수화물(Aluminium nitrate nonahydrate) 약 5.4 g을 약 10.0 g의 증류수에 넣고 완전히 녹인다. 약 1 시간 동안 건조시킨 KIT-6에 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체가 용해된 전구체 용액을 한 번에 부은 후 충분히 혼합시킨다. 전구체 용액이 잘 섞인 선홍색의 KIT-6 분말은 약 80 ℃ 오븐에서 약 12 시간 동안 천천히 건조하여 용매인 증류수를 증발시킨다. 건조가 완료된 복합 금속 산화물은 약 1 ℃/min의 승온 속도로 약 550 ℃까지 승온 후 약 3 시간 동안 소성 과정을 수행한다. 소성시켜 형성된 복합 금속 산화물에서 KIT-6를 제거하기 위해 약 2 M NaOH 수용액에 소성한 복합 금속 산화물을 넣고 약 30 분 동안 천천히 교반한다. 교반이 완료된 후, 복합 금속 산화물을 약 7000 rpm에서 약 7 분 동안 원심 분리를 통해 염기 용액을 분리한다. 복합 금속 산화물을 약 1 M NaOH 수용액 약 200 ml로 2 차 세척을 거친 후 증류수로 3 번, 에탄올로 1 번씩 총 4 번을 세척한다. 세척 후, 약 80 ℃에서 약 4 시간 동안 건조하여 최종적으로 복합 금속 산화물 구조체를 제조하며, 제조된 촉매는 meso-CoAlOx로 표기한다. 촉매의 비표면적은 약 100 m2/g이다.About 10.0 g of KIT-6, a mesoporous silica template material, is dried in an oven at about 110° C. for about 1 hour. About 16.8 g of cobalt nitrate hexahydrate and about 5.4 g of aluminum nitrate nonahydrate used as a precursor were put into about 10.0 g of distilled water and completely dissolved. The precursor solution in which the cobalt oxide precursor and the aluminum oxide precursor are dissolved is poured into KIT-6 dried for about 1 hour at once, and then sufficiently mixed. The bright red KIT-6 powder in which the precursor solution was well mixed was slowly dried in an oven at about 80 °C for about 12 hours, and distilled water as a solvent was evaporated. The dried composite metal oxide is heated to about 550 °C at a heating rate of about 1 °C/min, and then a firing process is performed for about 3 hours. In order to remove KIT-6 from the composite metal oxide formed by firing, the fired composite metal oxide was added to about 2 M NaOH aqueous solution and slowly stirred for about 30 minutes. After the stirring is completed, the base solution is separated by centrifuging the composite metal oxide at about 7000 rpm for about 7 minutes. The composite metal oxide is washed a second time with about 200 ml of about 1 M NaOH aqueous solution, and then washed three times with distilled water and once with ethanol, a total of four times. After washing, drying at about 80 ° C. for about 4 hours to finally prepare a composite metal oxide structure, and the prepared catalyst is marked as meso-CoAlO x . The specific surface area of the catalyst is about 100 m 2 /g.

실시예 1: Ce(5)/meso-CoAlOExample 1: Ce(5)/meso-CoAlO xx 촉매 catalyst

제조예 1에서 제조된 복합 금속 산화물 구조체에 증진제로서 금속 조촉매인 세륨을, 복합 금속 산화물 구조체 중량 대비 약 5 % 담지하여 촉매를 제조한다.A catalyst was prepared by loading about 5% of cerium, a metal cocatalyst, based on the weight of the composite metal oxide structure as a promoter on the composite metal oxide structure prepared in Preparation Example 1.

세륨 전구체인 질산 세륨 헥사수화물(Cerium nitrate hexahydrate, 약 99 %) 약 0.15 g을 약 0.5 g 증류수에 녹인다. 준비된 약 1 g의 복합 금속 산화물 구조체에 세륨 전구체 용액을 습식 함침법(wet impregnation)으로 담지한다. 세륨 전구체를 섞어 준 촉매 분말은 약 80 ℃ 오븐에서 약 12 시간 동안 천천히 건조하여 용매인 증류수를 증발시킨다. 건조 복합 금속 산화물 구조체를 약 500 ℃에서 약 3 시간 동안 소성하여 세륨이 담지된 합성천연가스 합성용 촉매를 제조한다. 제조된 촉매는 Ce(5)/meso-CoAlOx로 표기하며, 제조된 촉매의 비표면적은 약 70.7 m2/g이다.About 0.15 g of cerium nitrate hexahydrate (about 99%), a cerium precursor, is dissolved in about 0.5 g of distilled water. The cerium precursor solution is supported on the prepared composite metal oxide structure of about 1 g by wet impregnation. The catalyst powder mixed with the cerium precursor is slowly dried in an oven at about 80° C. for about 12 hours to evaporate distilled water as a solvent. The dry composite metal oxide structure is calcined at about 500° C. for about 3 hours to prepare a cerium-supported catalyst for synthesizing synthetic natural gas. The prepared catalyst is expressed as Ce(5)/meso-CoAlO x , and the specific surface area of the prepared catalyst is about 70.7 m 2 /g.

제조한 촉매로 합성천연가스 합성 반응을 수행하며, 반응에 앞서 H2(약 5 %)/N2 환원 가스를 약 12시간 동안 약 30 cm3/min 로 흘려주며 약 12 시간 동안 촉매를 환원 처리한다. 합성가스(H2 및 CO2를 포함하는 가스) 압력 약 20 bar, 공간속도 약 8000 L/kg cat./h, 온도 약 230 ℃의 고정층 반응기(Fixed bed reactor)에서 촉매 약 0.1 g 을 넣은 후 합성가스를 약 13.3 ml/min 유량으로 흘려주면서 반응을 수행한다. 반응은 연속 반응으로 약 60 시간 동안 수행된다. 반응을 수행하는 동안 가스 크로마토그래피를 이용해 약 1 시간 간격으로 반응 수득물에 대한 CO2 전환율 및 탄화수소 선택도에 대해 반복 분석을 실시한다. 반응 중 CO2 전환율은 60시간 동안 약 48.8 %의 안정적인 활성을 나타낸다. 합성한 합성천연가스의 조성은 92.4% CH4와 6.4 %의 C2-C4 등이었고, 고위발열량은 10,652 kcal/m3이다.A synthetic natural gas synthesis reaction is performed with the prepared catalyst, and prior to the reaction, H 2 (about 5%)/N 2 reducing gas is flowed at about 30 cm 3 /min for about 12 hours, and the catalyst is reduced for about 12 hours do. Syngas (gas containing H 2 and CO 2 ) After about 0.1 g of catalyst was put in a fixed bed reactor at a pressure of about 20 bar, a space velocity of about 8000 L/kg cat./h, and a temperature of about 230 °C. The reaction is performed while flowing syngas at a flow rate of about 13.3 ml/min. The reaction is carried out for about 60 hours as a continuous reaction. During the reaction, repeated analyzes of CO 2 conversion and hydrocarbon selectivity for the reaction product were performed at intervals of about 1 hour using gas chromatography. CO 2 conversion during the reaction shows a stable activity of about 48.8% for 60 hours. The composition of the synthesized natural gas was 92.4% CH 4 and 6.4% C 2 -C 4 , and the high calorific value was 10,652 kcal/m 3 .

실시예 2 : Zn(5)/meso-CoAlOExample 2: Zn(5)/meso-CoAlO xx 촉매 catalyst

제조예 1에서 제조된 복합 금속 산화물 구조체에 증진제로서 금속 조촉매인 아연을, 복합 금속 산화물 구조체 중량 대비 약 5 % 담지하여 촉매를 제조한다.A catalyst was prepared by supporting zinc, a metal cocatalyst, as an enhancer on the composite metal oxide structure prepared in Preparation Example 1 in an amount of about 5% based on the weight of the composite metal oxide structure.

아연 전구체인 질산 아연 헥사수화물(Zinc nitrate hexahydrate, 약 98 %) 약 0.13 g을 약 0.5 g 증류수에 녹인다. 준비된 약 1 g의 복합 금속 산화물 구조체를 수분 제거를 위해 약 110 ℃ 오븐에서 약 1 시간 동안 건조시킨다. 건조가 완료된 복합 금속 산화물 구조체에 아연 전구체 용액을 습식 함침법(wet impregnation)으로 담지한다. 아연이 담지된 복합 금속 산화물 구조체를 약 80 ℃ 오븐에서 약 12 시간 동안 천천히 건조하여 용매인 증류수를 증발시킨다. 건조된 복합 금속 산화물 구조체를 약 500 ℃에서 약 3 시간 동안 소성하여 아연이 담지된 합성천연가스 합성용 촉매를 제조한다. 제조된 촉매는 Zn(5)/meso-CoAlOx로 표기하며, 제조된 촉매의 비표면적은 약 91.4 m2/g이다.About 0.13 g of zinc nitrate hexahydrate (about 98%), a zinc precursor, is dissolved in about 0.5 g of distilled water. About 1 g of the prepared composite metal oxide structure is dried in an oven at about 110° C. for about 1 hour to remove moisture. The zinc precursor solution is supported on the dried composite metal oxide structure by wet impregnation. The zinc-supported composite metal oxide structure is slowly dried in an oven at about 80° C. for about 12 hours to evaporate distilled water as a solvent. The dried composite metal oxide structure is calcined at about 500° C. for about 3 hours to prepare a zinc-supported catalyst for synthesizing synthetic natural gas. The prepared catalyst is expressed as Zn(5)/meso-CoAlO x , and the specific surface area of the prepared catalyst is about 91.4 m 2 /g.

제조된 촉매로 합성천연가스 합성 반응을 수행하며, 반응을 수행하기에 앞서 약 30 cm3/min 유량의 H2(약 5 %)/N2 환원 가스 하에서 약 12 시간 동안 촉매를 환원 처리한다. 합성가스(H2 및 CO2를 포함하는 가스) 압력 약 20 bar, 공간속도 약 8000 L/kg cat./h, 온도 약 230 ℃의 고정층 반응기(Fixed bed reactor)에서 촉매 약 0.1 g 을 넣은 후 합성가스를 약 13.3 ml/min 유량으로 흘려주면서 반응을 수행한다. 반응은 연속 반응으로 약 60 시간 동안 수행된다. 반응을 수행하는 동안 가스 크로마토그래피를 이용해 약 1 시간 간격으로 반응 수득물에 대한 CO2 전환율 및 탄화수소 선택도에 대해 반복 분석을 실시한다. 수행된 약 60 시간의 반응 시간동안 CO2 전환율은 약 38.2 %의 안정적인 활성을 나타낸다. 합성한 합성천연가스의 조성은 92.2% CH4와 6.8 %의 C2-C4 등이고, 고위발열량은 10,675 kcal/m3 이다.A synthetic natural gas synthesis reaction is performed with the prepared catalyst, and prior to carrying out the reaction, the catalyst is reduced for about 12 hours under H 2 (about 5%)/N 2 reducing gas at a flow rate of about 30 cm 3 /min. Syngas (gas containing H 2 and CO 2 ) After about 0.1 g of catalyst was put in a fixed bed reactor at a pressure of about 20 bar, a space velocity of about 8000 L/kg cat./h, and a temperature of about 230 °C. The reaction is performed while flowing syngas at a flow rate of about 13.3 ml/min. The reaction is carried out for about 60 hours as a continuous reaction. During the reaction, repeated analyzes of CO 2 conversion and hydrocarbon selectivity for the reaction product were performed at intervals of about 1 hour using gas chromatography. During the reaction time of about 60 hours carried out, the CO 2 conversion rate shows a stable activity of about 38.2%. The composition of the synthesized synthetic natural gas was 92.2% CH 4 and 6.8% C 2 -C 4 , and the high calorific value was 10,675 kcal/m 3 .

비교예 1: 종래의 복합 금속 산화물 구조체를 이용한 합성천연가스 합성방법Comparative Example 1: Synthetic natural gas synthesis method using a conventional composite metal oxide structure

제조예 1에서 제조한, 종래의 복합 금속 산화물 구조체를 사용하여 합성천연가스 합성 반응을 수행하며, 반응에 앞서 H2(약 5 %)/N2 환원 가스를 약 12시간 동안 약 30 cm3/min 로 흘려주며 약 12 시간 동안 촉매를 환원 처리한다. 합성가스(H2 및 CO2를 포함하는 가스) 압력 약 20 bar, 공간속도 약 8000 L/kg cat./h, 온도 약 230 ℃의 고정층 반응기(Fixed bed reactor)에서 촉매 약 0.1 g 을 넣은 후 합성가스를 약 13.3 ml/min 유량으로 흘려주면서 반응을 수행한다. 반응은 연속 반응으로 약 60 시간 동안 수행된다. 반응을 수행하는 동안 가스 크로마토그래피를 이용해 약 1 시간 간격으로 반응 수득물에 대한 CO2 전환율 및 탄화수소 선택도에 대해 반복 분석을 실시한다. 반응 중 CO2 전환율은 60시간 동안 약 38.7 %의 안정적인 활성을 나타낸다. 합성한 합성천연가스의 조성은 95.5% CH4와 3.5 %의 C2-C4 등이고, 고위발열량은 10,048 kcal/m3 이다.A synthetic natural gas synthesis reaction was performed using the conventional composite metal oxide structure prepared in Preparation Example 1, and prior to the reaction, H 2 (about 5%)/N 2 reducing gas was supplied to about 30 cm 3 / for about 12 hours. min and reduce the catalyst for about 12 hours. Syngas (gas containing H 2 and CO 2 ) After about 0.1 g of catalyst was put in a fixed bed reactor at a pressure of about 20 bar, a space velocity of about 8000 L/kg cat./h, and a temperature of about 230 °C. The reaction is performed while flowing syngas at a flow rate of about 13.3 ml/min. The reaction is carried out for about 60 hours as a continuous reaction. During the reaction, repeated analyzes of CO 2 conversion and hydrocarbon selectivity for the reaction product were performed at intervals of about 1 hour using gas chromatography. CO 2 conversion during the reaction shows a stable activity of about 38.7% for 60 hours. The composition of synthesized synthetic natural gas is 95.5% CH 4 and 3.5% C 2 -C 4 , and the high calorific value is 10,048 kcal/m 3 .

비교예 2: Zr(5)/meso-CoAlOComparative Example 2: Zr(5)/meso-CoAlO xx 촉매 catalyst

제조예 1에서 제조된 복합 금속 산화물 구조체에 증진제로서 금속 조촉매인 지르코늄을, 복합 금속 산화물 구조체 중량 대비 약 5 % 담지하여 촉매를 제조한다.A catalyst was prepared by loading about 5% of zirconium, a metal cocatalyst, based on the weight of the composite metal oxide structure as a promoter on the composite metal oxide structure prepared in Preparation Example 1.

지르코늄 전구체인 옥시 질산 지르코늄 이수화물(Zirconium oxynitrate hydrate, 약 99 %) 약 0.16 g을 약 0.5 g 증류수에 녹인다. 준비된 약 1 g의 복합 금속 산화물 구조체에 지르코늄 전구체 용액을 습식 함침법(wet impregnation)으로 담지한다. 세륨 전구체를 섞어 준 촉매 분말은 약 80 ℃ 오븐에서 약 12 시간 동안 천천히 건조하여 용매인 증류수를 증발시킨다. 건조 복합 금속 산화물 구조체를 약 500 ℃에서 약 3 시간 동안 소성하여 지르코늄이 담지된 합성천연가스 합성용 촉매를 제조한다. 제조된 촉매는 Zr(5)/meso-CoAlOx로 표기하며, 제조된 촉매의 비표면적은 약 82.3 m2/g이다.About 0.16 g of zirconium oxynitrate hydrate (about 99%), a precursor of zirconium, is dissolved in about 0.5 g of distilled water. The zirconium precursor solution is supported on the prepared composite metal oxide structure of about 1 g by wet impregnation. The catalyst powder mixed with the cerium precursor is slowly dried in an oven at about 80° C. for about 12 hours to evaporate distilled water as a solvent. The dry composite metal oxide structure is calcined at about 500° C. for about 3 hours to prepare a zirconium-supported catalyst for synthesizing synthetic natural gas. The prepared catalyst is expressed as Zr(5)/meso-CoAlO x , and the specific surface area of the prepared catalyst is about 82.3 m 2 /g.

제조한 촉매로 합성천연가스 합성 반응을 수행하며, 반응에 앞서 H2(약 5 %)/N2 환원 가스를 약 12시간 동안 약 30 cm3/min 로 흘려주며 약 12 시간 동안 촉매를 환원 처리한다. 합성가스(H2 및 CO2를 포함하는 가스) 압력 약 20 bar, 공간속도 약 8000 L/kg cat./h, 온도 약 230 ℃의 고정층 반응기(Fixed bed reactor)에서 촉매 약 0.1 g 을 넣은 후 합성가스를 약 13.3 ml/min 유량으로 흘려주면서 반응을 수행한다. 반응은 연속 반응으로 약 60 시간 동안 수행된다. 반응을 수행하는 동안 가스 크로마토그래피를 이용해 약 1 시간 간격으로 반응 수득물에 대한 CO2 전환율 및 탄화수소 선택도에 대해 반복 분석을 실시한다. 반응 중 CO2 전환율은 60시간 동안 약 48.2 %의 안정적인 활성을 나타낸다. 합성한 합성천연가스의 조성은 94.3% CH4와 4.6 %의 C2-C4 등이고, 고위발열량은 10,312 kcal/m3 이다.A synthetic natural gas synthesis reaction is performed with the prepared catalyst, and prior to the reaction, H 2 (about 5%)/N 2 reducing gas is flowed at about 30 cm 3 /min for about 12 hours, and the catalyst is reduced for about 12 hours do. Syngas (gas containing H 2 and CO 2 ) After about 0.1 g of catalyst was put in a fixed bed reactor at a pressure of about 20 bar, a space velocity of about 8000 L/kg cat./h, and a temperature of about 230 °C. The reaction is performed while flowing syngas at a flow rate of about 13.3 ml/min. The reaction is carried out for about 60 hours as a continuous reaction. During the reaction, repeated analyzes of CO 2 conversion and hydrocarbon selectivity for the reaction product were performed at intervals of about 1 hour using gas chromatography. CO 2 conversion during the reaction shows a stable activity of about 48.2% for 60 hours. The composition of the synthesized synthetic natural gas was 94.3% CH 4 and 4.6% C 2 -C 4 , and the high calorific value was 10,312 kcal/m 3 .

비교예 3: Ni(5)/meso-CoAlOComparative Example 3: Ni(5)/meso-CoAlO xx 촉매 catalyst

제조예 1에서 제조된 복합 금속 산화물 구조체에 증진제로서 금속 조촉매인 니켈을, 복합 금속 산화물 구조체 중량 대비 약 0.5 % 담지하여 촉매를 제조한다.A catalyst was prepared by loading about 0.5% of nickel, a metal cocatalyst, based on the weight of the composite metal oxide structure as a promoter on the composite metal oxide structure prepared in Preparation Example 1.

니켈 전구체인 질산 니켈 헥사수화물(Nickel nitrate hexahydrate, 약 98 %) 약 0.27 g을 약 0.5 g 증류수에 녹인다. 준비된 약 1 g의 복합 금속 산화물 구조체에 니켈 전구체 용액을 습식 함침법으로 담지한다. 니켈이 담지된 복합 금속 산화물 구조체를 약 80 ℃ 오븐에서 약 12 시간 동안 천천히 건조하여 용매인 증류수를 증발시킨다. 건조된 복합 금속 산화물 구조체를 약 500 ℃에서 약 3 시간 동안 소성하여 니켈이 담지된 피셔-트롭쉬 합성용 촉매를 제조한다. 제조된 촉매는 Ni(5)/meso-CoAlOx로 표기하며, 제조된 촉매의 비표면적은 약 58.7 m2/g 이다.About 0.27 g of nickel nitrate hexahydrate (about 98%), a nickel precursor, is dissolved in about 0.5 g of distilled water. A nickel precursor solution is supported on the prepared composite metal oxide structure of about 1 g by a wet impregnation method. The nickel-supported composite metal oxide structure is slowly dried in an oven at about 80° C. for about 12 hours to evaporate distilled water as a solvent. The dried composite metal oxide structure is calcined at about 500° C. for about 3 hours to prepare a nickel-supported catalyst for Fischer-Tropsch synthesis. The prepared catalyst is expressed as Ni(5)/meso-CoAlO x , and the specific surface area of the prepared catalyst is about 58.7 m 2 /g.

제조된 촉매로 합성천연가스 합성 반응을 수행하였으며, 반응을 수행하기에 앞서 약 30 cm3/min 유량의 H2(약 5 %)/N2 환원 가스 하에서 약 12 시간 동안 촉매를 환원 처리한다. 합성가스(H2 및 CO2를 포함하는 가스) 압력 약 20 bar, 공간속도 약 8000 L/kg cat./h, 온도 약 230 ℃의 고정층 반응기(Fixed bed reactor)에서 촉매 약 0.1 g 을 넣은 후 합성가스를 약 13.3 ml/min 유량으로 흘려주면서 반응을 수행한다. 반응은 연속 반응으로 약 60 시간 동안 수행된다. 반응을 수행하는 동안 가스 크로마토그래피를 이용해 약 1 시간 간격으로 반응 수득물에 대한 CO2 전환율 및 탄화수소 선택도에 대해 반복 분석을 실시한다. 수행된 약 60 시간의 반응 시간동안 CO2 전환율은 약 44.3 %의 안정적인 활성을 나타낸다. 합성한 합성천연가스의 조성은 98.2% CH4와 1.8 %의 C2-C4 등이고, 고위발열량은 9,745 kcal/m3 이다.A synthetic natural gas synthesis reaction was performed with the prepared catalyst, and prior to carrying out the reaction, the catalyst was reduced for about 12 hours under H 2 (about 5%)/N 2 reducing gas at a flow rate of about 30 cm 3 /min. Syngas (gas containing H 2 and CO 2 ) After about 0.1 g of catalyst was put in a fixed bed reactor at a pressure of about 20 bar, a space velocity of about 8000 L/kg cat./h, and a temperature of about 230 °C. The reaction is performed while flowing syngas at a flow rate of about 13.3 ml/min. The reaction is carried out for about 60 hours as a continuous reaction. During the reaction, repeated analyzes of CO 2 conversion and hydrocarbon selectivity for the reaction product were performed at intervals of about 1 hour using gas chromatography. During the reaction time of about 60 hours carried out, the CO 2 conversion rate shows a stable activity of about 44.3%. The composition of the synthesized synthetic natural gas is 98.2% CH 4 and 1.8% C 2 -C 4 , and the high calorific value is 9,745 kcal/m 3 .

실험 결과를 하기 표 2 및 도 1에 나타낸다.The experimental results are shown in Table 2 and FIG. 1 below.

구분division 촉매catalyst CO2 전환율 (카본몰%)CO 2 conversion rate (carbon mole %) CO 선택도
(카본몰%)
CO selectivity
(carbon mole %)
탄화수소 분포
C1/C2-4/C5+
(카본몰%)
hydrocarbon distribution
C 1 /C 2-4 /C 5+
(carbon mole%)
합성천연가스의
총 발열량
(kcal/m3)
of synthetic natural gas
total calorific value
(kcal/m 3 )
촉매 비표면적
(m2/g)
Catalyst specific surface area
(m 2 /g)
최고best 60시간 반응후After 60 hours reaction 실시예 1Example 1 Ce(5)/meso-CoAlOx Ce(5)/meso-CoAlO x 44.344.3 42.842.8 0.40.4 92.4/6.4/1.292.4/6.4/1.2 10,65210,652 70.870.8 실시예 2Example 2 Zn(5)/meso-CoAlOx Zn(5)/meso-CoAlO x 40.540.5 38.238.2 0.00.0 92.2/6.8/1.092.2/6.8/1.0 10,67510,675 91.491.4 비교예 1Comparative Example 1 meso-CoAlOx meso-CoAlO x 42.042.0 38.738.7 1.71.7 95.5/3.5/1.095.5/3.5/1.0 10,04810,048 100.5100.5 비교예 2Comparative Example 2 Zr(5)/meso-CoAlOx Zr(5)/meso-CoAlO x 49.849.8 48.248.2 0.80.8 94.3/4.6/1.194.3/4.6/1.1 10,31210,312 82.382.3 비교예 3Comparative Example 3 Ni(5)/meso-CoAlOx Ni(5)/meso-CoAlO x 46.746.7 44.344.3 0.70.7 97.6/2.0/0.397.6/2.0/0.3 9,7459,745 58.758.7 반응은 H2/N2/CO2 = 72/4/24 부피분율의 합성가스를 이용하여 진행되었음 반응조건은 T=230'C, P=20bar, 공간속도는 8,000 L/kg cat./h임
약 60시간 동안 반응이 진행되었으며, 마지막 10시간 동안의 촉매 활성 평균값을 기록하였음
The reaction was carried out using syngas with a volume fraction of H 2 /N 2 /CO 2 = 72/4/24 Reaction conditions were T=230'C, P=20 bar, and space velocity was 8,000 L/kg cat./h lim
The reaction proceeded for about 60 hours, and the average value of the catalyst activity for the last 10 hours was recorded.

표 1에 나타낸 바와 같이, 금속 조촉매로 세륨이나 아연이 약 5 중량% 담지된 합성천연가스 합성용 촉매를 사용해 합성천연가스 합성 반응을 진행할 경우, 안정적으로 향상된 촉매 활성을 나타내며, 상대적으로 높은 C2+ 탄화수소 선택도로 인해 보다 높은 발열량을 보유한 합성천연가스를 제공할 수 있다. 실시예를 통해 합성한 합성천연가스의 발열량은 약 10,650 kcal/m3으로, 일반적인 합성천연가스(SNG)의 발열량인 약 9,500 kcal/m3 보다 높으면서 액화천연가스(LNG)의 평균 발열량인 10,000kcal/m3 보다도 높다. 금속 조촉매가 담지되지 않은 비교예 1이나 Zr 혹은 Ni을 선택한 비교예 2, 3의 경우는 상대적으로 낮은 활성을 나타내거나, 지나치게 높은 메탄 선택도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서 증진제를 사용하지 않고 제조한 촉매(비교예 1)와 비교하여 증진제로서 금속 조촉매인 세륨 혹은 아연을 담지시켜 제조한 경우에는 보다 많은 이산화탄소를 더 높은 에너지를 보유한 합성천연가스로 합성할 수 있다.As shown in Table 1, when the synthetic natural gas synthesis reaction is performed using the catalyst for synthetic natural gas synthesis in which about 5% by weight of cerium or zinc is supported as a metal cocatalyst, the catalyst activity is stably improved and relatively high C Due to the 2+ hydrocarbon selectivity, it is possible to provide synthetic natural gas with a higher calorific value. The calorific value of the synthetic natural gas synthesized through the examples is about 10,650 kcal/m 3 , which is higher than the calorific value of about 9,500 kcal/m 3 of general synthetic natural gas (SNG) and the average calorific value of liquefied natural gas (LNG) of 10,000 kcal. /m higher than 3 . In the case of Comparative Example 1 in which the metal cocatalyst was not supported, or Comparative Examples 2 and 3 in which Zr or Ni was selected, it could be confirmed that relatively low activity or excessively high methane selectivity was exhibited. Therefore, compared to the catalyst prepared without using an enhancer (Comparative Example 1), when prepared by carrying cerium or zinc, which is a metal cocatalyst, as an enhancer, more carbon dioxide can be synthesized into synthetic natural gas with higher energy. .

도 1은 촉매의 CO2 전환율을 나타낸 것이다. 구체적으로 도 1은 제조된 촉매를 이용하여 약 60 시간 동안 합성천연가스 합성 반응을 수행할 때, CO2 전환율 TOS(Time On Stream)을 나타낸 것이다. 도 1을 통해서는 적정량의 세륨 혹은 아연이 증진제로 사용된 촉매의 경우, 약 60 시간의 반응 시간 동안 안정적이면서 높은 활성을 유지함을 알 수 있다. 1 shows the CO 2 conversion rate of the catalyst. Specifically, FIG. 1 shows the CO 2 conversion rate TOS (Time On Stream) when a synthetic natural gas synthesis reaction is performed for about 60 hours using the prepared catalyst. It can be seen from FIG. 1 that, in the case of a catalyst in which an appropriate amount of cerium or zinc is used as a promoter, stable and high activity is maintained during a reaction time of about 60 hours.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.

Claims (16)

코발트 산화물과 알루미늄 산화물이 균일하게 혼재되어 있고, 그리고
규칙적인 메조다공성(mesoporous)의 주골격(mainframework)을 갖는, 합성천연가스 합성 반응용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매.
cobalt oxide and aluminum oxide are uniformly mixed, and
A cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis reaction having a regular mesoporous mainframework.
제1항에서,
메조다공성의 주골격을 구성하는 알루미늄의 몰 비율이 코발트 대비 0.1에서 0.5 사이인, 합성천연가스 합성 반응용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매.
In paragraph 1,
A cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis reaction, wherein the molar ratio of aluminum constituting the mesoporous main skeleton is between 0.1 and 0.5 relative to cobalt.
제1항에서,
상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매는 비표면적이 40 ㎡/g 내지 120 ㎡/g 이고, 평균 기공 직경이 4 nm 내지 12 nm 인, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매.
In paragraph 1,
The cobalt-aluminum hybrid catalyst has a specific surface area of 40 m 2 / g to 120 m 2 / g and an average pore diameter of 4 nm to 12 nm.
제1항에서,
상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매가 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 아연(Zn)을 하나 이상 포함하는 조촉매를 포함하는, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매.
In paragraph 1,
The cobalt-aluminum hybrid catalyst includes a cocatalyst containing at least one of zirconium (Zr), cerium (Ce), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), or zinc (Zn), synthetic natural Cobalt-aluminum hybrid catalyst for gas synthesis.
제4항에서,
상기 조촉매는 상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 중량 대비 2 중량% 내지 10 중량% 담지되는 것인, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
In paragraph 4,
The cocatalyst is a method for producing a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis, which is supported by 2% to 10% by weight based on the weight of the cobalt-aluminum hybrid catalyst.
메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체가 용해된 전구체 용액을 주입한 후 소성하는 제1 단계,
산성 또는 염기성 용액을 이용하여 상기 메조포러스 실리카 주형을 제거하여, 코발트 및 알루미늄의 산화물로 형성되고 다공성 메조 기공 구조를 갖는 복합 금속 산화물 구조체를 형성하는 제2 단계, 그리고
상기 복합 금속 산화물 구조체를 금속 전구체 물질이 용해된 용액에 함침한 후 열처리하여 상기 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부에 조촉매를 담지시키는 제3 단계
를 포함하는, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
A first step of injecting a precursor solution in which a cobalt oxide precursor and an aluminum oxide precursor are dissolved into the pores of a mesoporous silica mold and then firing it;
A second step of removing the mesoporous silica template using an acidic or basic solution to form a composite metal oxide structure formed of oxides of cobalt and aluminum and having a porous mesoporous structure; and
A third step of impregnating the composite metal oxide structure in a solution in which a metal precursor material is dissolved and then carrying out heat treatment to support a cocatalyst in the pores of the composite metal oxide structure.
Method for producing a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis comprising a.
제6항에서,
상기 조촉매는 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 아연(Zn)을 하나 이상 포함하는, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
In paragraph 6,
The cocatalyst includes at least one of zirconium (Zr), cerium (Ce), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), or zinc (Zn), a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthesis of natural gas. Manufacturing method of.
제7항에서,
상기 조촉매는 상기 복합 금속 산화물 구조체의 중량 대비 2 중량% 내지 10 중량% 담지되는 것인, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
In paragraph 7,
The cocatalyst is a method for producing a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis, which is supported by 2% to 10% by weight based on the weight of the composite metal oxide structure.
제6항에서,
상기 조촉매가 담지된 후의 비표면적이 40 ㎡/g 내지 120 ㎡/g 이고, 평균 기공 직경이 4 nm 내지 12 nm 인, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
In paragraph 6,
A method for producing a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis having a specific surface area of 40 m 2 / g to 120 m 2 / g and an average pore diameter of 4 nm to 12 nm after the cocatalyst is supported.
코발트 산화물과 알루미늄 산화물이 균일하게 혼재되어 있고, 그리고 규칙적인 메조다공성(mesoporous)의 주골격(mainframework)을 갖는, 합성천연가스 합성 반응용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매를 반응기 내부에 배치하는 단계,
상기 반응기 내부에 환원가스를 공급하여 상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 코발트 산화물 중 적어도 일부를 코발트로 환원시킴으로써 상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매를 활성화시키는 단계, 그리고
상기 반응기 내부에 수소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 공급하여 상기 메탄을 포함하는 탄화수소를 합성하는 단계
를 포함하는, 이산화탄소로부터의 합성천연가스 합성방법.
Disposing a cobalt-aluminum hybrid catalyst for syngas synthesis reaction in which cobalt oxide and aluminum oxide are uniformly mixed and having a regular mesoporous mainframework inside the reactor;
activating the cobalt-aluminum hybrid catalyst by supplying a reducing gas into the reactor to reduce at least some of the cobalt oxides of the cobalt-aluminum hybrid catalyst to cobalt; and
supplying syngas containing hydrogen and carbon dioxide into the reactor to synthesize hydrocarbons containing methane.
Comprising, synthetic natural gas synthesis method from carbon dioxide.
제10항에서,
상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매가 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 아연(Zn)을 하나 이상 포함하는 조촉매를 포함하는, 이산화탄소로부터의 합성천연가스 합성방법.
In paragraph 10,
from carbon dioxide, wherein the cobalt-aluminum hybrid catalyst comprises a cocatalyst comprising one or more of zirconium (Zr), cerium (Ce), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), or zinc (Zn). Synthesis of synthetic natural gas synthesis method.
제11항에서,
상기 조촉매는 상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 중량 대비 2 중량% 내지 10 중량% 담지되는 것인, 이산화탄소로부터의 합성천연가스 합성방법.
In paragraph 11,
The cocatalyst is a synthetic natural gas synthesis method from carbon dioxide that is supported 2% to 10% by weight based on the weight of the cobalt-aluminum hybrid catalyst.
제10항에서,
합성천연가스 합성 반응을 수행하는 단계는 200 ℃ 내지 350 ℃의 반응 온도, 15 bar 내지 25 bar의 반응 압력에서 수행되는, 이산화탄소로부터의 합성천연가스 합성방법.
In paragraph 10,
The step of performing the synthetic natural gas synthesis reaction is carried out at a reaction temperature of 200 ℃ to 350 ℃, a reaction pressure of 15 bar to 25 bar, synthetic natural gas synthesis method from carbon dioxide.
메조포러스 실리카 주형의 기공 내부에 코발트 산화물 전구체 및 알루미늄 산화물 전구체가 용해된 전구체 용액을 주입한 후 소성하는 단계,
산성 또는 염기성 용액을 이용하여 상기 메조포러스 실리카 주형을 제거하여, 코발트 및 알루미늄의 산화물로 형성되고 다공성 메조 기공 구조를 갖는 복합 금속 산화물 구조체를 형성하는 단계,
상기 복합 금속 산화물 구조체를 금속 전구체 물질이 용해된 용액에 함침한 후 열처리하여 상기 복합 금속 산화물 구조체의 기공 내부에 조촉매를 담지시켜, 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매를 제조하는 단계
상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매를 반응기 내부에 배치하는 단계,
상기 반응기 내부에 환원가스를 공급하여 상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 코발트 산화물 중 적어도 일부를 코발트로 환원시킴으로써 상기 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매를 활성화시키는 단계, 그리고
상기 반응기 내부에 수소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스를 공급하여 상기 메탄을 포함하는 탄화수소를 합성하는 단계
를 포함하는, 이산화탄소로부터의 합성천연가스 합성방법.
Injecting a precursor solution in which a cobalt oxide precursor and an aluminum oxide precursor are dissolved into the pores of a mesoporous silica mold, followed by firing;
Removing the mesoporous silica template using an acidic or basic solution to form a composite metal oxide structure formed of oxides of cobalt and aluminum and having a porous mesoporous structure;
Preparing a cobalt-aluminum hybrid catalyst by impregnating the composite metal oxide structure in a solution in which a metal precursor material is dissolved and then performing heat treatment to support a cocatalyst in the pores of the composite metal oxide structure
Disposing the cobalt-aluminum hybrid catalyst inside the reactor;
activating the cobalt-aluminum hybrid catalyst by supplying a reducing gas into the reactor to reduce at least some of the cobalt oxides of the cobalt-aluminum hybrid catalyst to cobalt; and
supplying syngas containing hydrogen and carbon dioxide into the reactor to synthesize hydrocarbons containing methane.
Comprising, synthetic natural gas synthesis method from carbon dioxide.
제14항에서,
상기 조촉매는 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 아연(Zn)을 하나 이상 포함하는, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
In paragraph 14,
The cocatalyst includes at least one of zirconium (Zr), cerium (Ce), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), or zinc (Zn), a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthesis of natural gas. Manufacturing method of.
제15항에서,
상기 조촉매는 상기 복합 금속 산화물 구조체의 중량 대비 2 중량% 내지 10 중량% 담지되는 것인, 합성천연가스 합성용 코발트-알루미늄 하이브리드 촉매의 제조방법.
In paragraph 15,
The cocatalyst is a method for producing a cobalt-aluminum hybrid catalyst for synthetic natural gas synthesis, which is supported by 2% to 10% by weight based on the weight of the composite metal oxide structure.
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