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.