상업적으로 HTS (High Temperature Shift reaction) 반응에서 사용되는 Fe2O3/Cr2O3 촉매는 사용 후 6가 크롬 (Cr6+)의 침출에 따른 환경적/인체적 문제를 일으킬 수 있는 잠재성을 가지고 있어 친환경 크롬-프리 촉매개발을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 크롬을 사용하지 않고 우수한 성능을 나타낼 수 있는 Fe/Al, Fe/Al/Cu, 그리고, Fe/Al/Ni 촉매를 제조하고 성능을 비교 평가하였다. 단계함침법으로 금속산화물(Cu와 Ni)과 알루미늄이 함유된 Fe계 촉매를 제조하고 촉매반응장치를 이용하여 각 촉매의 활성을 분석하였다. 그 결과 Fe/Al/Cu 촉매는 가혹한 조건(COconc. = 38.2%; 천연가스 대비 약 5.7 배 높은 CO 농도)에서도 탁월한 성능(XCO = 84.3% at 400 ℃)을 나타내었다. 이 결과는 Fe/Al/Cu 촉매의 강한 환원력과 활성종인 Fe3O4의 높은 열적 안정성에 기인한 것으로 확인되었다. 또한 강한 소결 저항성을 가진 Fe/Al/Cu 촉매는 400°C에서 100시간 동안 뚜렷한 비활성화를 보이지 않아 높은 안정성을 지닌 것으로 확인되었다.

본 연구에서는 폐자원 합성가스를 이용한 고온전이반응용 Ce가 첨가된 Cu/γ-Al2O3 촉매의 물리 화학적 특성을 비교 분석하였다. 합성방법에 따른 촉매의 특성을 비교하기 위해 활성물질의 담지 순서를 변경하여 Ce/Cu/γ-Al2O3, Ce-Cu/γ-Al2O3, Cu/Ce/γ-Al2O3, Cu/γ-Al2O3 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매 중 Ce/Cu/γ-Al2O3 촉매가 가장 높은 활성도 및 안전성을 나타냈다. 제조된 촉매의 물리-화학적 특성은 XRD, H2-TPR, XPS, Raman, Photoluminescence 등으로 분석하였다. 그리고 CO 전환율에서도 CeO2로 첨가된 모든 Cu/γ-Al2O3 촉매는 Cu/γ-Al2O3보다 높은 CO 전환율을 보였다. 이 연구결과는 CeO2의 첨가가 고온전이반응에서 Cu/γ-Al2O3 촉매의 성능을 향상 시킨 것을 나타낸다. 또한, Ce/Cu/γ-Al2O3 촉매의 높은 촉매 활성은 주로 고농도 산소저장능 및 환원된 Cu종과 관련이 있음을 알 수 있었다.

본 연구에서는 선행 연구를 통해 고온전이반응(HTS: High Temperature Shift reaction)에서 높은 활성 및 안정성을 나타내는 Fe-Al-Cu 촉매에 대한 연구를 수행하였다. 연구실 규모(3gcatal./batch)에서 공침법으로 제조된 Fe-Al-Cu 촉매 시스템을 대용량 규모로 스케일-업하기 위해 연구실 규모와 대용량 규모로 제조된 Fe-Al-Cu 촉매의 다양한 물리-화학적 특성을 XRD, H2-TPR, BET, N2 흡착 분석 등으로 분석하였다. 배치당 제조량을 달리하여 제조된 Fe-Al-Cu 촉매는 촉매반응장치를 통해 정량적으로 성능을 비교 평가하였으며 제조된 촉매의 성능을 입증하기 위해 상업용 Fe-Cr 촉매와 성능을 직접 비교하였다. 특히, 선행 연구를 통해 최적화된 고활성 및 고안정성 Fe-Al-Cu 촉매를 대용량 규모로 제조하여 제조량에 따른 성능 변화와 물리화학적 특성간의 상관관계에 대해 규명하였다.

본 연구에서는 폐기물가스화 후 생성되는 합성가스의 고순도 수소화를 위해 고온 수성가스전이반응(HT-WGS : High Temperature-Water Gas Shift) 반응용 특정 산화물(CeO2, ZrO2, TiO2 및 Al2O3)에 코발트를 담지한 촉매를 제조하고 그 산화환원특성을 비교 분석하였다. 특정 산화물에 Co를 함침법을 이용하여 담지하여 Co/CeO2, Co/ZrO2, Co/Al2O3, Co/TiO2 촉매를 각각 제조하였다. 제조된 Co 기반 촉매의 물리적 특성 분석은 BET 비표면적과 XRD 분석을 통해 수행하였고 CO 화학흡착과 H2-TPR 분석을 통해 산화환원 특성을 파악하고 동시에 물리-화학적 특성간의 상관관계를 해석하였다. H2-TPR 분석 및 CO 화학흡착 분석 결과, 코발트의 분산이 지지체 산화물의 환원성과 밀접한 상관관계를 가지고 있음을 알 수 있었다. 이 연구 결과는 Co/CeO2가 반응온도 350 ~ 550℃에서 활성 평가한 촉매 중에서 가장 우수한 활성을 나타내었다. 또한, Co/CeO2 촉매가 Co/ZrO2 및 Co/Al2O3 촉매보다 높은 촉매 활성 및 안정성을 나타내었다. Co/CeO2 촉매의 탁월한 활성 및 안정성은 지지체의 환원성과 높은 Co 금속의 분산에 기인하는 것으로 나타났다. 결과적으로 폐기물가스화로부터 생산된 합성가스를 고순도 수소로 전환하기 위한 HT-WGS 반응에서 Co/CeO2 촉매는 매우 유망한 촉매임을 알 수 있었다.

The purpose of this study was to investigate the effect of the preparation method on CeO2-promoted Cu/γ -Al2O3 catalysts for the high temperature shift reaction using simulated waste-derived syngas (H2 + CO). To investigate the effect of preparation method on the CeO2-promoted Cu/γ-Al2O3 catalyst, we compared catalytic performance over Ce/Cu/γ-Al2O3, Ce-Cu/γ-Al2O3, Cu/Ce/γ-Al2O3, and Cu/γ-Al2O3 catalysts, and tried to explain the differences in catalytic performance with various characterization methods. The physico-chemical properties of the CeO2-promoted catalysts were characterized using surface spectroscopies such as BET, XRD, TPR, XPS, Raman spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, and N2O-chemisorption. The catalyst characterizations were correlated with activity results in the high temperature shift reaction.

Magnetite (Fe3O4) has been prepared directly to avoid the reduction process prior to the H2 production from the high temperature water gas shift reaction of the simulated waste derived synthesis gas. Citric acid has been employed as a complexing agent for the direct synthesis of magnetite. Notably, without the reduction process, the catalyst prepared at the citric acid molar ratio of 1.0 showed 80% CO conversion at 350℃ at a gas hourly space velocity of 40,057 h-1.

Metal oxide promoted ceria-zirconia (Ce/Zr = 6/4) catalysts was applied to deoxygenation (DO) of oleic acid in batch mode at 300℃ under 1 bar of 20% H2/N2 condition. Metal oxide promoted ceria-zirconia catalysts were prepared by a co-precipitation method. As a result, Ni-Ce0.6Zr0.4O2 catalyst exhibited much higher oleic acid conversion, selectivity to C9 ~ C17 compounds (diesel fuel range), and oxygen removal efficiency than the others. This is due to the presence of free NiO species, synergy effect of nickel and Ce0.6Zr0.4O2, highest BET surface area, and the strong metal to support interaction (SMSI).

Ce(1-x)Zr(x)O2 catalysts were investigated for bio-diesel production from oleic acid using catalytic deoxygenation. In this study, deoxygenation reaction has been carried out at 300 oC under 1 bar of 20% H2/N2 pressure in batch mode. Ce(1-x)Zr(x)O2 catalysts were prepared by co-precipitation method. Ce0.6Zr0.4O2 catalyst showed the highest oleic acid conversion and C9~C17 selectivity. It has been found that the deoxygenation reaction depends strongly on the reduction property and depends partly on the crystallite size of Ce(1-x)Zr(x)O2. Thus, Ce0.6Zr0.4O2 can be selected as the most promising catalyst for deoxygenation reaction.

Simulated waste-derived synthesis gas has been tested for hydrogen production through water gas shift (WGS) reaction in the temperature range of 240oC ~ 400oC over supported Pt catalysts prepared by an incipient wetness impregnation method. MG30, MgO, ZrO2, Al2O3 and CeO2 were employed as supports for WGS reaction in this study. 1 wt.% Pt/ CeO2 catalyst exhibited the highest CO conversion as well as 100% CO2 selectivity. This is due to easier reducibility of Pt/CeO2 and high oxygen mobility and oxygen storage capacitiy of CeO2. Pt/CeO2 catalyst can be a promising catalyst for WGS reaction from waste-derived synthesis gas.