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중형기공성 니켈-알루미나 촉매 상에서 액화천연가스(LNG)의 수증기 개질 반응을 통한 수소 생산: 알칼리 토금속 첨가 영향
Hydrogen production by steam reforming of liquefied natural gas (LNG) over mesoporous nickel-alumina catalysts: Effect of alkaline earth metal addition

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor송인규-
dc.contributor.author유재경-
dc.date.accessioned2017-07-19T05:53:36Z-
dc.date.available2017-07-19T05:53:36Z-
dc.date.issued2015-02-
dc.identifier.other000000024742-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/129352-
dc.description학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 화학생물공학부, 2015. 2. 송인규.-
dc.description.abstract본 연구에서는 천연가스의 수증기 개질 반응을 통해 수소를 생산하기 위한 촉매 연구를 수행하였다. 먼저 천연가스의 수증기 개질 반응에 적용할 촉매로서 중형기공성 니켈-알루미나 제로젤 촉매를 단일 공정 에폭사이드-유도 졸-겔법으로 제조하여 NA로 명명하였다. NA 촉매에 초기습윤함침법을 통해 조촉매로 알칼리 토금속(Mg, Ca, Sr 및 Ba)을 담지하여 M/NA (M = Mg, Ca, Sr 및 Ba)로 명명하였다. 상기 촉매를 천연가스의 수증기 개질 반응을 통한 수소 생산에 적용시켜 알칼리 토금속 조촉매가 촉매의 반응 활성에 미치는 영향을 조사하였다. 제조된 촉매의 표면적 및 기공 부피를 측정하기 위해 질소 흡탈착 분석을 수행하였고, 조촉매가 담지되었을 경우 기공이 막히면서 표면적 및 기공 부피가 감소하는 것을 확인하였다. 촉매의 결정상은 XRD 분석을 통해 확인하였고, NA와 M/NA 촉매 모두 니켈 알루미네이트에 해당하는 회절 패턴을 나타내었다. 촉매의 활성 금속-담체 간 상호작용을 확인하기 위해 TPR 분석을 수행하였고, 조촉매의 담지 여부에 상관없이 모든 촉매에서 표면 니켈 알루미네이트 상이 나타났다. 수소화학흡착 분석을 통해 환원된 촉매의 니켈 표면적을 측정하였으며, Mg/NA > Sr/NA > Ca/NA > NA > Ba/NA 순서로 니켈 표면적이 감소하는 것을 확인하였다. 촉매 활성은 LNG 전환율과 수소 수율로 평가하였고, 촉매의 니켈 표면적이 증가할수록 LNG 전환율 및 수소 수율이 증가하는 경향을 보였으며 제조된 촉매 중 Mg/NA 촉매의 활성이 가장 높게 나타났다. 사용된 촉매의 탄소 침적량은 CHNS 분석을 통해 측정되었으며, 알칼리 토금속이 첨가되지 않은 촉매에 비해 알칼리 토금속이 첨가된 촉매의 탄소 침적량이 더 적게 나타났다. 따라서 상기 실험 결과로부터, 알칼리 토금속이 중형기공성 니켈-알루미나 제로젤 촉매에 조촉매로 이용되었을 경우 천연가스의 수증기 개질반응에서 반응 활성 및 촉매 비활성화에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.
상기 촉매 중 활성이 가장 좋았던 Mg/NA 촉매를 개선하기 위해 단일공정 에폭사이드 유도 졸-겔법과 초임계 이산화탄소 건조법을 및 초기습윤함침법을 이용하여 마그네슘이 담지된 니켈-알루미나 에어로젤 촉매(Mg/NAA)를 제조하였다. Mg/NAA 촉매와의 비교를 위해 니켈-알루미나 제로젤을 담체로 이용한 Mg/NAX 촉매를 상기 Mg/NA 촉매와 유사하게 제조하였다. 상기 촉매를 천연가스의 수증기 개질 반응을 통한 수소 생산에 적용시켜 촉매의 기공 특성이 촉매의 반응 활성에 미치는 영향을 조사하였다. 제조된 촉매의 표면적 및 기공 부피를 측정하기 위해 질소 흡탈착 분석을 수행하였고, Mg/NAA 촉매가 Mg/NAX 촉매에 비해 표면적, 기공 부피 및 평균 기공 직경이 더 크게 나타남을 확인하였다. 촉매의 결정상은 XRD 분석을 통해 확인하였고, NA와 M/NA 촉매 모두 니켈 알루미네이트에 해당하는 회절 패턴을 나타내었다. 촉매의 활성 금속-담체 간 상호작용을 확인하기 위해 TPR 분석을 수행하였고, Mg/NAA 촉매가 Mg/NAX 촉매에 비해 더 강한 금속-지지체 상호작용을 나타내는 것을 확인했다. 수소화학흡착 분석을 통해 환원된 촉매의 니켈 표면적을 측정하였으며, Mg/NAA 촉매가 Mg/NAX 촉매에 비해 니켈 분산도가 더 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다. CH4-TPD 분석 결과 Mg/NAA 촉매가 Mg/NAX 촉매에 비해 메탄과의 친화도가 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 천연가스의 수증기 개질 반응을 수행한 결과 니켈 분산도가 높고 메탄과의 친화력이 강한 Mg/NAA 촉매의 LNG 전환율과 수소 수율이 Mg/NAX 촉매보다 향상된 것을 확인하였다. 본 연구 결과를 통하여, 고활성 장수명의 천연가스의 수증기 개질 반응용 촉매를 개발하고, 촉매의 반응 활성과 니켈 분산도와의 상관 관계를 규명할 수 있었다.
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dc.description.tableofcontents1. 서 론 1

2. 이론 및 배경 4

3. 실 험 8
3.1. 촉매 제조 8
3.1.1. 시약 8
3.1.2. 중형기공성 니켈-알루미나 제로젤 촉매(NA)의 제조 8
3.1.3. 알칼리 토금속이 조촉매로 이용된 중형기공성 니켈-알루미나 제로젤 촉매(M/NA, M = Mg, Ca, Sr 및 Ba) 제조 9
3.1.4. 마그네슘이 조촉매로 이용된 니켈-알루미나 에어로젤 촉매(Mg/NAA)의 제조 10
3.2. 촉매 특성 분석 12
3.2.1. N2 adsorption-desorption mesurement 12
3.2.2. ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy) 12
3.2.3. XRD (X-Ray Diffraction) 12
3.2.4. H2-TPR (Temperature Programmed Reduction) 12
3.2.5. Hydrogen-chemisorption measurement 13
3.2.6. TEM (Transmission Electron Microscopy) 13
3.2.7. CHNS (Carbon, hydrogen, nitrogen and sulfur) elemental analyses 13
3.2.8. CH4-TPD (Temperature Programmed Reduction) 14
3.3. 천연가스의 수증기 개질 반응을 통한 수소 생산 15
3.3.1. 천연가스의 수증기 개질 반응 시스템 15
3.3.2. 촉매를 통한 천연가스의 수증기 개질 반응의 구성 15

4. 실험 결과 및 고찰 20
4.1. M/NA (M = Mg, Ca, Sr 및 Ba) 촉매를 이용한 천연가스의 수증기 개질 반응 20
4.1.1. 촉매의 물리화학적 특성 확인 20
4.1.2. 소성된 촉매의 결정 구조 확인 21
4.1.3. 소성된 촉매의 금속-지지체 상호작용 확인 22
4.1.4. 환원된 촉매의 특성 분석 23
4.1.5. 천연가스의 수증기 개질 반응 활성 25
4.2. Mg/NAA 촉매를 이용한 천연가스의 수증기 개질 반응 39
4.2.1. 촉매의 물리화학적 특성 확인 39
4.2.2. 소성된 촉매의 결정 구조 확인 40
4.2.3. 소성된 촉매의 금속-지지체 상호작용 확인 40
4.2.4. 환원된 촉매의 특성 분석 41
4.2.5. 천연가스의 수증기 개질 반응 활성 43

5. 결 론 55

참고문헌 57

Abstract 63
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dc.formatapplication/pdf-
dc.format.extent1471506 bytes-
dc.format.mediumapplication/pdf-
dc.language.isoko-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subject천연가스-
dc.subject수증기 개질 반응-
dc.subject니켈-알루미나 촉매-
dc.subject알칼리 토금속 조촉매-
dc.subject니켈 표면적-
dc.subject탄소 침적-
dc.subject.ddc660-
dc.title중형기공성 니켈-알루미나 촉매 상에서 액화천연가스(LNG)의 수증기 개질 반응을 통한 수소 생산: 알칼리 토금속 첨가 영향-
dc.title.alternativeHydrogen production by steam reforming of liquefied natural gas (LNG) over mesoporous nickel-alumina catalysts: Effect of alkaline earth metal addition-
dc.typeThesis-
dc.contributor.AlternativeAuthorJaekyeong Yoo-
dc.description.degreeMaster-
dc.citation.pagesvii, 65-
dc.contributor.affiliation공과대학 화학생물공학부-
dc.date.awarded2015-02-
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Chemical and Biological Engineering (화학생물공학부)Theses (Master's Degree_화학생물공학부)
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