금속-세라믹 Core-Shell CoAl2O4@Al 구조체를 적용한 불균일계 촉매의 글리세롤 수소전환 반응특성

Abstract

본 연구에서는 높은 열전도성을 갖는 금속-세라믹 core-shell 구조의 CoAl₂O₄@Al 복합체를 Al 금속의 수열반응을 통하여 합성하고, 이를 Rh 촉매의 담지체로 적용하여 구조적, 촉매화학적 특성을 분석하였다. Rh/CoAl₂O₄@Al (3 wt% Rh) 촉매는 단순침적법(incipient wetness impregnation)으로 제조하였고, 특성의 비교평가를 위하여 공침법(co-precipitation)으로 합성한 CoAl₂O₄를 담지체로 하여 Rh/CoAl₂O₄ (3 wt% Rh) 촉매를 단순침적법으로 제조하였다. 이들 촉매들은 N₂ 흡착, XRD, 전자 주사현미경, temperature programmed reduction (TPR), CO 화학흡착 분석을 통해서 그 특성을 분석하였고, 글리세롤 수증기 개질 반응(550 ℃)을 통한 수소전환반응에 적용하여 촉매적 특성을 평가하고 분석하였다. 글리세롤 수증기 개질반응에 대하여 Rh/CoAl₂O₄@Al 촉매는 Rh/CoAl₂O₄ 촉매에 비하여 약 2.8배 높은 글리세롤 전환 turnover frequency (TOF)를 보여주었고, 이는 높은 열전도성을 갖는 금속-세라믹 복합체를 통한 원활한 반응열의 전달에 기인한 것으로 분석되었다. CoAl₂O₄@Al 및 CoAl₂O₄ 담지체에서도 환원에 의하여 노출된 일부 Co 금속에 의한 촉매적 활성이 관찰되었는데, Rh/CoAl₂O₄@Al과 Rh/CoAl₂O₄ 촉매에서와 마찬가지로 core-shell 구조체인 CoAl₂O₄@Al이 CoAl₂O₄ 보다 높은 촉매적 활성을 보였다. 그러나, 이들 촉매는 글리세롤 개질반응에서 비교적 높은 비활성화를 보여주었고 이는 촉매표면의 탄소침적(coking)에 기인한 것으로 판명되었다. In this study, we investigated the structure and properties of a highly heat conductive metal-ceramic core-shell CoAl₂O₄@Al micro-composite for heterogeneous catalysts support. The CoAl₂O₄@Al was prepared by hydrothermal surface oxidation of Al metal powder, which resulted in the structure with a high heat conductive Al metal core encapsulated by a high surface area CoAl₂O₄ shell. For comparison, CoAl₂O₄ was also prepared by co-precipitation method and also utilized for a catalyst support. Rh catalysts supported on CoAl₂O₄@Al and CoAl₂O₄ were prepared by incipient wetness impregnation and characterized by N₂ adsorption, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), CO chemisorption, and temperature-programmed reduction (TPR). The properties of catalysts were investigated for glycerol steam reforming reaction for hydrogen production at 550 ℃. Rh/CoAl₂O₄@Al exhibited about 2.8 times higher glycerol conversion turnover frequency (TOF) than Rh/CoAl₂O₄ due to facilitated heat transport through the core-shell structure. The CoAl₂O₄@Al and CoAl₂O₄ also showed some catalytic activities due to a partial reduction of Co on the support, and a higher catalytic activity was also found on the CoAl₂O₄@Al core-shell than CoAl₂O₄. These catalysts, however, displayed deactivation on the reaction stream due to carbon deposition on the catalysts surface.