철-세리아 쉘에 캡슐화된 금속 클러스터 코어를 포함하는 촉매 복합체 및 이를 이용한 이산화탄소 환원반응을 통한 선택적 일산화탄소 생산방법
Catalytic complex comprising metal cluster core encapsulated in Fe-Ceria shell and method for selective CO2 reduction to CO using the same
특허 요약
본 발명은 철-세리아 지지체 표면상 코어-쉘 구조를 포함하는 촉매 복합체로서, 상기 쉘은 철-세리아 지지체로 구성되고, 상기 코어는 상기 쉘 내부에 캡슐화(encapsulation)된 금속 클러스터(metal cluster)로 구성되는 것인, 촉매 복합체, 이를 포함하는 촉매조성물 및 이를 이용한 선택적 일산화탄소 생성방법에 관한 것이다. 본 발명의 촉매 복합체를 이용하는 경우, 향상된 표면 환원능, 표면 산소 이동도, 표면 격자산소의 빈자리 및 수소 스필오버 능력과 쉘의 높은 가스 투과성를 나타내고, 특히 반응자리에서 150시간 이상의 장기간 및 반복적인 반응에서도 고온, 수열 및 환원분위기에 대한 높은 내구성을 가져, 높은 반응 활성 및 생성물 선택도를 나타내며, 예를 들어, 그러나 이에 반드시 제한되는 것은 아닌, 역수성 가스 전환 반응에서 높은 일산화탄소 선택도 및 이산화탄소 전환율을 나타내므로, 본 발명의 촉매 복합체를 포함하는 촉매조성물은 선택적 일산화탄소 생성방법에 유용하게 사용될 수 있다.
청구항
번호청구항
5

제4항에 있어서, 상기 비활성 기체에 대한 상기 수소 기체의 부피 백분율은 5%(v/v) 내지 20%(v/v)인 것인, 촉매 복합체.

1

철-세리아 지지체 표면상 코어-쉘 구조를 포함하는 촉매 복합체로서, 상기 쉘은 철-세리아 지지체로 구성되고, 상기 코어는 상기 쉘 내부에 캡슐화(encapsulation)된 금속 클러스터(metal cluster)로 구성되는 것인, 역수성 가스전환(Reverse Water Gas Shift, RWGS) 반응용 촉매 복합체에 있어서,상기 금속 클러스터는 Rh (rhodium), Pt (platinum), Ir (iridium), Ru (ruthenium) 및 Pd (palladium)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 촉매 복합체.

2

제1항에 있어서, 상기 금속 클러스터에 대한 K 흡수단(K edge)의 EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) 스펙트럼을 푸리에 변환시켜 얻은 방사 거리(radial distance) 1.6 Å 초과 2.4 Å 미만에서 피크를 나타내는 것인, 촉매 복합체.

3

제1항에 있어서, 상기 코어-쉘 구조는 환원 열처리에 의해 상기 철-세리아 지지체가 금속 클러스터 위로 이동되어 형성된 것인, 촉매 복합체.

4

제3항에 있어서, 상기 환원 열처리는 200℃ 내지 700℃에서 수소 기체 및 비활성 기체 하에서 수행된 것인, 촉매 복합체.

6

제4항에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소(N2), 헬륨(He) 및 아르곤(Ar)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 촉매 복합체.

7

제1항에 있어서, 상기 철-세리아 지지체는 FexCe1-xO2로 표시되고, 상기 x는 0.05 내지 0.2인 것인, 촉매 복합체.

8

제1항에 있어서, 상기 철-세리아 지지체에서 상기 철은 세리아 격자 구조에 삽입되어 있는 것인, 촉매 복합체.

9

삭제

10

제1항에 있어서, 상기 금속 클러스터는 상기 촉매 복합체 총 중량에 대해 0.2 wt% 내지 2 wt%로 포함되어 있는 것인, 촉매 복합체.

11

삭제

12

제1항에 있어서, 상기 금속 클러스터는 상기 촉매 복합체의 표면상 평균 입자 크기가 2.0 nm 내지 7.0 nm인 것인, 촉매 복합체.

13

제1항에 있어서, 상기 촉매 복합체는 50 m2/g 내지 70 m2/g의 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 표면적을 나타내는 것을 특징으로 하는, 촉매 복합체.

14

제1항에 있어서, 상기 쉘은 산화 반응 후 해리되고 환원 반응 후 형성되는 가역적인(reversible) 쉘인, 촉매 복합체.

15

제1항에 있어서, 상기 쉘은 상기 코어로의 가스 투과성(gas permeability)을 나타내는 것인, 촉매 복합체.

16

삭제

17

제1항 내지 제8항, 제10항, 및 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항의 촉매조성물을 이산화탄소 기체 및 수소 기체를 포함하는 혼합 기체에 접촉시키는 단계를 포함하는 역수성 가스 전환 반응을 통한, 선택적 일산화탄소 생성방법.

18

제17항에 있어서, 상기 이산화탄소 기체 및 수소 기체의 부피비는 1:1 내지 1:4인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

19

제17항에 있어서, 상기 역수성 가스 전환 반응은 100℃ 내지 600℃에서 수행되는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

20

제17항에 있어서, 상기 역수성 가스 전환 반응은 48,000 mL・gcat-1h-1 내지 240,000 mL・gcat-1h-1의 시간당 중량 공간속도(WHSV, weight hourly space velocity)에서 수행되는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

21

제17항에 있어서, 상기 촉매조성물은 상기 역수성 가스 전환 반응에서 90% 내지 100%의 일산화탄소 선택도(CO selectivity, %)를 나타내는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

22

제17항에 있어서, 상기 촉매조성물은 상기 역수성 가스 전환 반응에서 10% 내지 40%의 이산화탄소 전환율(CO2 conversion, %)을 나타내는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

23

제17항에 있어서, 상기 촉매조성물은 400℃ 내지 600℃의 역수성 가스 전환 반응에서 150 시간 동안 90% 내지 100%의 일산화탄소 선택도(CO selectivity, %)를 나타내는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

24

제17항에 있어서, 상기 촉매조성물은 400℃ 내지 600℃의 역수성 가스 전환 반응에서 150 시간 동안 10% 내지 40%의 이산화탄소 전환율(CO2 conversion, %)을 나타내는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.

25

제17항에 있어서, 상기 촉매조성물은 상기 역수성 가스 전환 반응에서 세리아에 담지된 금속 촉매 대비 향상된 수소 스필오버 능력(H2-spillover capacity)을 나타내는 것인, 선택적 일산화탄소 생성방법.