Hydrocarbon upgrading or reforming reactions are essential catalytic processes for the production of valuable product or hydrogen gas in the chemical industry. However, these reactions have been limited because hydrocarbons are converted inefficiently due to high temperature conditions or poor catalyst durability. In this dissertation, efficient hydrocarbon conversion processes were studied by controlling the structure of cerium oxide (CeO$_{2}$)-based precious catalysts. First, CeO$_{2}$-based palladium (Pd) catalyst was developed that continuously converts methane to ethane below low temperature of 400 °C. Highly oxidized PdO was the active site for low-temperature methane coupling. Pd doping in ceria lattice improved the oxygen activation properties of the catalyst, resulting in better ethane production rate. In order to maximize the ethane yield, zeolite was physically mixed with the catalyst to reduce the water poisoning effect during the reaction. Second, CeO$_{2}$-based rhodium (Rh) catalyst exhibiting high durability in the propane steam reforming reaction was developed. Ex-solution method was used to prepare a ceria based Rh catalyst with high surface area. The structure of Rh nanoparticles strongly anchored to the support showed high stability in long-term propane steam reforming. After reaction, high sintering and coking resistance of Rh exsolution catalyst was confirmed through various characterizations. This study will provide a platform for the optimal catalyst structure that can be applied to the efficient hydrocarbons conversion.
탄화수소 고부가화 및 개질 반응은 다양한 고부가가치 화합물 및 수소 생산을 위해 화학산업에 필수적인 촉매 반응 공정이다. 기존 연구들은 고온 조건 또는 낮은 촉매 내구성으로 인해 비효율적으로 탄화수소를 전환하고 있어 한계를 보이고 있다. 이에 본 학위논문에서는, 세륨 산화물 기반의 귀금속 촉매 구조 조절을 통해 효율적인 탄화수소 전환 공정 연구를 수행하였다. 첫번째로, 세륨 산화물 기반 팔라듐 촉매를 이용하여 메탄의 고부가화 반응을 통해 400도 이하 저온에서 에탄을 연속적으로 생산하는 반응 공정을 개발하였다. 고 산화된 산화 팔라듐이 저온 메탄 커플링 반응자리임을 규명하였다. 세리아 내 팔라듐을 도핑하여 촉매의 산소 활성화 특성을 향상시켜 에탄 생산 속도를 향상시켰고, 제올라이트와의 물리적 혼합을 통해 반응 중 물의 피독 효과를 줄여 에탄 수율을 최대화하였다. 두번째로, 프로판 스팀 개질 반응에서 높은 내구성을 보이는 세륨 산화물 기반 로듐 촉매를 개발하였다. 엑솔루션 합성 방법을 통해 로듐 나노 입자가 담지체에 강하게 고정되어 프로판 스팀 개질 반응에서도 높은 장기안정성을 보였다. 반응 후, 높은 소결 및 탄소 침적에 대한 저항성을 보였다. 본 연구를 통해 효율적인 탄화수소 전환 공정에 적용할 수 있는 최적 촉매 구조에 대한 플랫폼을 제공할 것으로 기대한다.
