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(A) Study on the effect of promoters on the catalytic performance of precious metal catalysts for water-gas shift reaction = 수성가스전이반응을 위한 귀금속 촉매의 활성향상에 관한 연구
서명 / 저자 (A) Study on the effect of promoters on the catalytic performance of precious metal catalysts for water-gas shift reaction = 수성가스전이반응을 위한 귀금속 촉매의 활성향상에 관한 연구 / Kyung-Ran Hwang.
저자명 Hwang, Kyung-Ran ; 황경란
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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Successful commercialization of hydrogen-based proton-exchange membrane fuel cells in automobile industry needs the development of more efficient water-gas shift (WGS) units for CO cleanup and additional hydrogen production. In line with recent research proposing the Pt/CeO2 catalyst as the best candidate for a single-stage WGS reaction, several Pt sup-ported catalysts have been widely investigated to improve the catalytic activity and stability. In the present work, the effects of the promoters (Na and Si for Pt/CeO2 and Ti for Pt/ZrO2) on the textural and structural characteristics, the reducibility and WGS reaction performance of Pt supported catalysts have been investigated. The main reaction pathway for WGS reac-tion over the promoted Pt catalysts has been also discussed to further comprehend the role of promoters. Na-promoted Pt/CeO2 catalyst was synthesized by using NaOH solution as a precipita-tor during the preparation of CeO2 support. The presence of sodium (1.64 wt. %) on the CeO2 support did not affect Pt dispersion, but did modify the base properties of the catalyst and the electron properties of the Pt particles. In particular, the density of the weak base site signifi-cantly increased. However, sodium on the surface of the support degraded the reducibility, which has been recognized as one of important factors for WGS reaction. Nevertheless, the reaction rate over Na-promoted Pt/CeO2 was much higher than that over Pt/CeO2, indicating that it did not significantly depend on the reducibility and that the WGS reaction over the promoted Pt/CeO2 catalyst was subject to the surface formate mechanism rather than the re-dox mechanism, which was verified by in-situ diffuse reflectance infrared spectroscopy (DRIFTS) study. Sodium promoter induced a fast build-up of surface intermediate of the WGS reaction, linked with the increased density of the active OH group on the surface of the promoted Pt/CeO2 catalyst, and consequently improved the CO conversion, almost twice as high as that of Pt/CeO2. Si-promoted Pt/CeO2 catalysts were also synthesized by co-precipitation method of cerium and silicon precursors during the preparation of support. The surface areas of the pre-pared catalysts increased with increasing Si content. Both interplanar spacing and average crystalline size of ceria gradually decreased with increasing Si content, resulting in less crys-talline and smaller particles. Si addition had no adverse effect on the reducibility of ceria. Ra-ther, the addition of Si into ceria facilitated its bulk reduction by shifting it towards a lower temperature and dramatically increased the hydrogen consumption in the controlled Si content (5 ~ 20 wt. %). The number of oxygen defects in the support, which is associated with lower valence state cerium, was increased with the Si addition. These modifications offer a promis-ing potential for increasing the density of OH groups on the surface of ceria and consequently increasing the concentration of surface formate species, an intermediate for the WGS reaction. Pt catalyst supported on Si (5 wt. %)-modified ceria, which displayed a remarkable buildup of intermediates under CO exposure, exhibited a 2.5-fold higher reaction rate and turnover fre-quency (TOF) than that of Pt/CeO2. Ti-promoted Pt/ZrO2 catalysts were prepared by incipient wetness impregnation me-thod. The surface area and Pt dispersion of the prepared catalysts gradually increased with increasing Ti content. The reducibility of Ti-promoted Pt/ZrO2 catalysts in the controlled Ti content (~ 30 wt. %) was greatly facilitated by Pt-catalyzed reduction (H2 spillover) at the in-terface between ZrO2 and TiO2 in comparison with that of Pt/ZrO2. Ti-promoted Pt/ZrO2 cata-lyst seems to follow the associative mechanism with red-ox generation for WGS reaction, where the surface formate decomposition rate is rate-determining step. The significant CO2 gas band in DRIFTS spectra of Ti-promoted Pt/ZrO2 catalyst indicated that the Ti addition made the formate decomposition rate faster than Pt/ZrO2 catalyst, associated with the en-hanced Pt dispersion and reducibility of Ti- promoted Pt catalyst and consequently led re-markably to an enhanced CO conversion. Pt catalyst supported on Ti (20 wt. %)-modified zir-conia exhibited a 3-fold higher reaction rate than that of Pt/ZrO2.

최근, 저온운전이 가능하며 높은 효율 및 빠른 기동성을 보이는 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)에 대한 관심이 증가되고 있다. 고순도의 수소가 사용되는 PEMFC의 상용화를 위해서는 수소저장 및 공급의 어려움이 없는 소형 연료처리장치(Compact fuel-processor)가 필요하다. 연료처리장치는 탄화수소 개질기, 수성가스 전이반응기, 일산화탄소 산화반응기로 구성되어 있으며, 합성가스내 대부분의 일산화탄소를 제거하는 수성가스 전이반응기는 처리온도에 따라 2단으로 구성되어 있어, 그 부피가 연료처리장치의 약 70 %를 차지한다. 따라서, PEMFC용 소형 연료처리장치를 만들기 위해서는, 기존 상용촉매의 단점을 보완하면서 높은 촉매활성을 갖는 새로운 조성의 수성가스전이반응(Water-gas shift reaction, WGS) 촉매개발이 필요 하다. 그 중 귀금속촉매 (Pt/CeO2, Pt/TiO2 등)는 높은 활성 및 안정성을 가지고 있어 1단 반응기(single-stage reactor)용 WGS 촉매로 각광을 받으며 많은 연구가 진행되고 있다. 여러 문헌들을 통해 보고된 귀금속촉매의 활성향상 방법으로 (1) 복합 귀금속의 사용, (2) 지지체내 제 3의 물질을 도입함으로 산화-환원 특성을 변화시키는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나, 산화-환원 특성 외에 지지체의 다른 특성을 변화시키는 시도는 거의 없었으며, 귀금속 촉매 중 초기 촉매활성은 낮지만, 우수한 안정성을 갖는 Pt/ZrO2의 활성향상에 관한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 귀금속촉매 중 Pt/CeO2에 대해서는 나트륨 및 실리콘의 첨가, 그리고 Pt/ZrO2에 대해서는 티타늄의 첨가가 촉매 특성 및 활성향상에 미치는 영향을 고찰하였다. 더불어, 각 첨가제의 역할을 좀더 상세히 논의하기 위해서 귀금속 촉매의 WGS 반응경로를 규명하고자 노력하였다. 나트륨이 첨가된 Pt/CeO2 촉매는 지지체의 염기특성을 변화시키기 위해 NaOH 염기용액을 사용하여 침전법으로 지지체를 제조하였고, 그 위에 귀금속을 담지하였다. 전자공여체(electron donor) 역할을 하는 나트륨 (1.64 wt.%)의 첨가는 지지체의 약염기(weak base site)의 밀도를 증가시켰고, 귀금속(Pt)의 전자적 특성을 증가시켰다. 그러나, WGS 반응에서 중요한 요소 중의 하나인 환원능력을 오히려 감소시켰다. 그럼에도 불구하고, 나트륨이 첨가된 Pt/CeO2 촉매가 높은 촉매활성을 보이는 것은 WGS 반응이 산화-환원 메커니즘(red-ox mechanism)을 따르기보다는 주로 표면 중간체 형성을 통한 반응메카니즘(surface formate mechanism)을 따르기 때문이라 할 수 있고, 이는 적외선분광법(in-situ diffuse reflectance infrared spectroscopy, DRIFTS)을 통해서 규명되었다. 나트륨은 지지체 표면의 증가된 약염기 밀도와 관련하여, WGS 반응에서 중요한 표면 중간체(surface formate)의 생성속도와 그 표면밀도를 크게 증가시켜, 결과적으로 촉매활성 향상을 가져왔다. 실리콘이 첨가된 Pt/CeO2 촉매는 세륨과 실리콘의 전구체들을 공침(co-precipitation)시켜 Ce-Si 산화물을 제조하고, 귀금속을 담지하는 방법으로 제조하였다. 실리콘의 양이 증가함에 따라 촉매의 비표면적이 증가하였으며, CeO2의 격자크기와 평균결정크기는 작아졌다. 이는 지지체 내 세륨의 자리에 이온반경이 더 작은 실리콘이 자리잡으면서 나타나는 결과로 판단된다. 또한 실리콘의 첨가(5-20 wt.%)는 CeO2 지지체의 환원력을 크게 증가시켰으며, 산소 결함(oxygen defect)도 늘려 지지체 표면의 OH 그룹 밀도를 증가시키는 중요한 자리를 제공하였다. 실리콘이 첨가된 Pt/CeO2 촉매는 OH 그룹으로부터 생성된 표면중간체의 밀도가 상당히 증가되었음을 DRIFTS 분석을 통해 확인하였으며, 이는 촉매 활성향상의 요인으로 작용하였다. 5 wt.%의 실리콘이 포함된 Pt/CeO2 촉매의 경우, 기존 촉매에 비해 2.5배 빠른 반응속도를 보이는 것으로 확인되었다. 티타늄이 담지된 Pt/ZrO2 촉매는 초기젖음법(incipient wetness impregnation me-thod)으로 제조하였다. 촉매의 비표면적 및 귀금속(Pt)의 분산도는 담지된 티타늄의 양에 따라 증가하였으며, 수소소모량도 크게 증가하여 티타늄(~ 30 wt.%)의 담지로 Pt/ZrO2 촉매의 환원력이 향상되었음을 알 수 있었다. DRIFTS 분석결과에 의하면, 티타늄이 담지된 Pt/ZrO2 촉매는 표면중간체의 분해속도가 속도결정단계로 알려진 “associative mechanism with red-ox generation”을 따르는 것으로 보이며, 여기서 티타늄은 표면중간체의 분해속도를 향상시키는 역할을 하는 것으로 확인되었다. 이는 향상된 수소 환원력과 증가된 귀금속 분산도에서 기인하는 것으로 판단되며, 반응의 속도결정단계가 빨라짐으로 인해 티타늄 담지 촉매에서의 일산화탄소 전환율이 매우 높게 나타났다. 20 wt.%의 티타늄이 담지된 Pt/ZrO2 촉매의 경우, Pt/ZrO2 촉매에 비해 3배 빠른 반응속도를 보였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 12001
형태사항 xi, 123 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 황경란
지도교수의 영문표기 : Yong-Keun Chang
지도교수의 한글표기 : 장용근
공동교수의 영문표기 : Son-Ki Ihm
공동교수의 한글표기 : 임선기
수록잡지명 : "Si-modified Pt/CeO2 catalyst for a single-stage water-gas shift reaction". International Journal of Hydrogen Energy, v.36, pp. 9685-9693
수록잡지명 : "Enhanced CeO2-supported Pt catalyst for water-gas shift reaction". Fuel Processing Technology, v.91, pp. 729-736
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including References
주제 Water-gas shift reaction
Hydrogen
Proton-exchange membrane fuel cells
Precious metal catalyst
Pt/CeO2
수성가스전이반응
수소
고분자전해질연료전지
귀금속촉매
백금세리아촉매
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