열플라즈마를 이용한 전이금속 촉매의 합성과 청록수소 생산

Abstract

Around the globe, research on producing hydrogen is increasing as demand for essential energy increases. Typically, hydrogen production emits an amount of dioxide. As carbon neutrality is raised, much research has been conducted to produce hydrogen. More than 90% of the processes for producing hydrogen energy emit large amounts of carbon dioxide. Many studies are underway to produce hydrogen without emitting greenhouse gases. Hydrogen is categorized by color depending on its production method, and there are various types, such as grey, blue, turquoise, green, and others. The methane pyrolysis process, which produces turquoise hydrogen, is an environmentally friendly method that emits no greenhouse gases and generates only hydrogen and solid carbon. Its advantage lies in the high purity of the produced carbon byproduct, making it suitable for various industries and potentially reducing process costs. Methane pyrolysis is an endothermic reaction with a reaction formula CH4→C+2H2 ΔH298K=74.52 kJ/mol. So, It needs 1200~1300℃ of minimum temperature for stable methane pyrolysis. So, catalysts are used to reduce reaction energy and temperature. Catalysts are materials that change the reaction rate without being consumed. Its performance depends on its surface area, thermal conductivity, electrical conductivity, etc.; through past research, we confirmed that bimetallic catalysts are superior to monometallic catalysts in methane pyrolysis. Research is underway to enhance the performance of catalysts in methane pyrolysis by incorporating them into supports (oxides, nitrides). Therefore, studies are being conducted to synthesize nanosized catalysts and deposit them onto support surfaces. Representative catalyst synthesis and support methods include impregnation, co-precipitation, and sol-gel chemical processes. Chemical processes require a solution capable of dissolving the catalyst, and repeated impregnation is necessary until the desired molar ratio is achieved. The thermal plasma synthesis method is a relatively simple process for synthesizing two or more catalysts and supporting them onto a support. In this study, an economical and efficient catalyst for methane pyrolysis was synthesized and supported using the thermal plasma synthesis method. Powdered raw catalyst materials in the laboratory were mixed, and a powder feeder was used to inject the mixed raw catalysts through an injector located at the top of the plasma reactor, where three thermal plasma flames merged. For methane pyrolysis, four catalysts based on Ni were synthesized: Ni-Co, Ni-CNT, Ni/SiO2, and Ni-Co/SiO2. The characteristics of the materials were analyzed through various analysis equipment such as FE-TEM, FE-TEM-EDS, XRD, BET, etc. Electrolytic pyrolysis, a typical method for producing turquoise hydrogen, was performed to evaluate the performance of the synthesized catalysts. The catalyst and methane were mixed using a powder feeder and injected into a quartz tube inside the electric furnace. The decomposed gases were quantitatively analyzed using a gas chromatograph (GC) to measure methane conversion rates and hydrogen selectivity, thereby assessing the catalyst's performance|전 세계적으로 필요한 필수 에너지의 요구량이 매년 증가함에 따라 청정에너지인 수소를 생산하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 현재 수소 에너지를 얻기 위한 공정의 90% 이상은 다량의 이산화탄소를 배출하며 탄소 중립이 고도화 됨에 따라 온실기체를 배출하지 않고, 수소를 생산하는 많은 연구가 진행되고 있다. 수소는 생산 방식에 따라 색상으로 구분되며 그레이, 블루, 청록, 그린 등의 수소가 존재한다. 그중 청록수소를 생산하는 방식인 메탄 열분해 공정은 온실기체를 방출하지 않고 수소와 고체 탄소만을 생산하는 친환경적인 공정이며, 생산된 탄소 부산물의 고부가 가치화를 통해 다양한 산업에 이용할 수 있어 공정 비용도 줄일 수 있다는 장점이 있다. 메탄 열분해는 CH4→C+2H2, ΔH298K=74.52 kJ/mol를 가지는 흡열 반응이다. 따라서 메탄이 안정적으로 분해되기 위해서는 최소 1200~1300℃ 이상의 온도가 필요하다. 이러한 반응 온도와 에너지를 줄이기 위해 촉매가 사용된다. 촉매는 메탄 열분해 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 변화시키는 물질이며, 비표면적, 열전도도, 전기전도도 등의 다양한 특성에 따라 촉매의 성능이 달라진다. 기존 연구 결과를 통해 메탄 열분해 공정에서 단일 촉매를 사용하는 것보다 두 가지 이상의 촉매가 합성되거나, 지지체(산화물, 질화물)에 담지하는 경우 촉매의 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 따라서 메탄 열분해에 성능이 좋은 촉매를 개발하기 위해 나노 사이즈의 촉매들을 합성하고, 지지체 표면 위에 촉매를 담지하는 연구가 진행 되고 있다. 대표적인 촉매 합성 및 담지 공정으로는 화학적 공법인 함침법, 공침법, 졸-겔법이 있다. 화학적 공법은 촉매를 용해시킬 수 있는 수용액이 필요하고, 수용액에 잘 녹는 산화물 또는 질화물을 사용해야 하며, 원하는 몰 비가 나올 때까지 반복적인 담지가 필요하다. 열플라즈마는 비교적 간단한 방법으로 촉매를 합성 및 담지할 수 있는 공정이다. 메탄 열분해를 위해 Ni(니켈) 촉매를 기반으로 하여 Ni-Co, Ni-CNT, Ni/SiO2, Ni-Co/SiO2 4가지 촉매를 합성하였으며, FE-TEM, FE-TEM-EDS, XRD, BET 등의 분석을 통해 물질의 특성을 분석하였다. 합성된 촉매의 성능을 평가하기 위해 청록수소를 생산하는 보편적인 방법 중 하나인 전기로 열분해를 진행하였다. 분해된 기체는 기체 질량 분석기(GC, Gas chromatography)를 통해 정량 분석하여 메탄 변환율과 수소 선택도를 측정하여 촉매의 성능을 평가하였다.